高精度游戲數(shù)字模型新制作技法研究

張盛

摘要：近兩年，隨著游戲主機(jī)和計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算能力的不斷提高，以及玩家對(duì)游戲視覺要求的不斷提升，致使游戲?qū)δＰ驼鎸?shí)度和細(xì)節(jié)的要求越來越高。游戲制造商紛紛運(yùn)用一些新技術(shù)，以滿足市場(chǎng)的需要。通過對(duì)目前代表高精度游戲模型最高水準(zhǔn)的國(guó)外游戲大作的制作技術(shù)進(jìn)行研究和分析，理清其新的制作思路、技法和使用的軟件工具，這就是本研究課題的主要目的。

關(guān)鍵詞：高精度游戲模型 游戲高模 次時(shí)代游戲 3d掃描 照片建模

中圖分類號(hào)：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2016）02-0128-02

所謂高精度游戲模型，是指為游戲生產(chǎn)而制作的具有高細(xì)節(jié)、高真實(shí)感和高面數(shù)的數(shù)字模型。一個(gè)高精度游戲人物模型所包含的多邊形面的數(shù)量在700萬-2000萬之間。高精度模型可以是游戲中的角色、衣服、建筑、道具或動(dòng)植物。在國(guó)外的次時(shí)代主機(jī)游戲和PC平臺(tái)的游戲中比較多見這樣的模型，并且這類游戲也往往是高投入、長(zhǎng)周期和精良制作的AAA級(jí)游戲大作。

一 高精度游戲模型的制作效率困局

近兩年的《The Last of Us》、《The Order 1886》、《合金裝備V：幻痛》等次時(shí)代主機(jī)游戲?yàn)榇淼膰?guó)外頂級(jí)游戲大作，代表了今天高精度游戲模型的最高水準(zhǔn)。如圖1展示。

使用常規(guī)的游戲模型制作技法，即完全依靠建模師手工完成想要達(dá)到同樣的效果，對(duì)建模師的要求會(huì)非常高，需要建模師有超高的寫實(shí)造型美術(shù)功底。制作這樣的一套角色模型的周期也會(huì)非常漫長(zhǎng)，并且生產(chǎn)出的模型質(zhì)量很難控制。

一方面，視覺需求作為游戲重要的體驗(yàn)，要求模型有更高的細(xì)節(jié)和分辨率，更高的真實(shí)感。這就必然導(dǎo)致對(duì)建模師技術(shù)水平的要求提高，同時(shí)也必然導(dǎo)致制作周期的增長(zhǎng)。另—方面建模師的美術(shù)寫實(shí)水平是無法無限提高的，或者說提高的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于要求增長(zhǎng)的速度。這之間存在著深刻的矛盾，它制約了寫實(shí)類游戲大作的研發(fā)和生產(chǎn)。解決好這個(gè)矛盾是提高游戲生產(chǎn)水平和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。

二 單純的常規(guī)建模按法難以解決矛盾

目前在游戲模型制作方面，常規(guī)的建模技法是以Autodesk 3dsmax和Maya為代表的基礎(chǔ)建模技法，和以Zbrush和Autodesk Mudbox為代表的雕刻建模技法。在制作過程中，建模師大多只能以一些照片為模型參考，完全依賴建模師自身的美術(shù)素養(yǎng)和造型功底來把握準(zhǔn)確度。

在過去的一段時(shí)間里，要解決前面說的矛盾，—方面依賴于加強(qiáng)美術(shù)教育以期待培養(yǎng)出美術(shù)天才，另—方面就是在全球?qū)ふ疫@類人才。這兩條路中的前者顯然是難以適應(yīng)當(dāng)今的商業(yè)節(jié)奏，后者會(huì)大量增加制造成本。

三 新技術(shù)帶來的新方法

如前所述，寫實(shí)風(fēng)格游戲日益提高的模型制作要求，和模型師寫實(shí)水平提高的速度較慢之間的矛盾已經(jīng)成為一個(gè)重要矛盾。這個(gè)矛盾制約了寫實(shí)類游戲大作的研發(fā)和生產(chǎn)。然而我們卻看到2014-2015年美國(guó)和日本出品的一些游戲中近乎完美的解決了這個(gè)矛盾。下面分別來分析—下國(guó)外優(yōu)秀游戲公司運(yùn)用了什么新的建模技法，是如何改進(jìn)高精度游戲模型的生產(chǎn)流程的。

1 三維掃描技術(shù)在模型制作中的應(yīng)用。

三維掃描是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形、結(jié)構(gòu)和色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。直白地說，就是可以利用三維掃描儀將實(shí)物掃描后，形成計(jì)算機(jī)里的三維模型。目前三維掃描設(shè)備種類多樣，Artec Eva 3D掃描儀由于其高分辨率快速掃描、便攜式設(shè)計(jì)和無需坐標(biāo)標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于寫實(shí)類游戲的生產(chǎn)。

通過對(duì)《The Order 1886》官方網(wǎng)站發(fā)布的文字、圖片和花絮視頻，以及對(duì)他們?cè)赟IGGRAPH 2015年會(huì)上講演稿的研究分析，發(fā)現(xiàn)了Ready atDawn工作室就運(yùn)用了三維掃描技術(shù)建立了一個(gè)高效的游戲角色模型生產(chǎn)線。這個(gè)生產(chǎn)線各環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)如下：首先設(shè)計(jì)出角色的概念草圖，然后找到和所需長(zhǎng)相接近的真人模特，用三維掃描儀對(duì)模特兒的頭部進(jìn)行掃描，得到造型準(zhǔn)確的角色頭部模型。這個(gè)模型非常重要，因?yàn)槿绻皇怯萌S掃描儀，而讓建模師手工制作這樣一個(gè)造型準(zhǔn)確真實(shí)的人物模型是非常難的，這不僅需要建模師有準(zhǔn)確的解剖知識(shí)，還需要其有非常好的造型功底，凡是美術(shù)專業(yè)有較深造型經(jīng)驗(yàn)的人都清楚這一點(diǎn)。一旦得到這個(gè)造型準(zhǔn)確的模型，那么接下來的細(xì)節(jié)制作就變得容易了許多，這樣就大大降低了對(duì)建模師的要求，前面說的矛盾迎刃而解。

接下來由原畫師用Photoshop軟件在模特照片和掃描模型圖片上進(jìn)行再創(chuàng)作，如圖3所示，設(shè)計(jì)出更具人物個(gè)性和游戲感，并符合游戲定位的角色形象。這—次不再是草圖，而是完全深入細(xì)致的人物面部設(shè)定圖。

然后就可以依據(jù)面部設(shè)定圖，在zbrush軟件中對(duì)掃描模型進(jìn)行深入加工和細(xì)節(jié)制作，最終完成游戲角色的高精度模型制作。這個(gè)新的方法既降低了寫實(shí)人物的制作難度，同時(shí)叉能得到很好的模型效果，可謂一舉兩得。最后制作出游戲中運(yùn)行需要的低模、毛發(fā)和貼圖等，完成游戲模型的最終制作。

這種新技法在運(yùn)動(dòng)類的寫實(shí)游戲中也有大量使用，比如制作一些籃球明星的模型，制作效率非常高，同時(shí)模型會(huì)做的非常像運(yùn)動(dòng)員本人。

2 照片建模技術(shù)在模型制作中的應(yīng)用

照片建模技術(shù)，是指利用一系列特殊拍攝的實(shí)物的照片，并利用一些特殊軟件，半自動(dòng)化的生成物體數(shù)字模型的技術(shù)。這種技術(shù)也被一些人稱是三維掃描的一種，不過我認(rèn)為它和前面講到的三維掃描技術(shù)還是有很巨大的差異。首先照片建模技術(shù)不需要三維掃描儀這種設(shè)備，而是通過軟件來完成半自動(dòng)化的建模的。其次照片建模技術(shù)需要對(duì)象的一套照片，而三維掃描是不需要的。目前主要的照片建模軟件有俄羅斯Agisoft公司的PhotoScan軟件和美國(guó)Autodesk公司的123D Catch，兩者在工作原理上類似。

照片建模技術(shù)在日本游戲大作《合金裝備V：幻痛》就有一些應(yīng)用?！逗辖鹧b備V：幻痛》是由日本小島工作室（現(xiàn)Konami工作室）研發(fā)的一款開放世界動(dòng)作冒險(xiǎn)類游戲。已于2015年9月1日在P54、P53、XBOX ONE、XBOX 360和PC平臺(tái)同期發(fā)售。圖4展示的是游戲中的一個(gè)女性角色-Quiet的照相過程，女模特兒在無影燈光的照明環(huán)境下，利用上中下三組數(shù)碼相機(jī)對(duì)其頭部同時(shí)拍照，獲取一組360°的高清照片。

接下來，利用Agisoft PhotoScan軟件對(duì)照片素材進(jìn)行半自動(dòng)化的處理。通過對(duì)這些照片進(jìn)行對(duì)齊，找到物體表面一些關(guān)鍵點(diǎn)在三維空間中的位置，創(chuàng)建出密集的點(diǎn)云，然后根據(jù)點(diǎn)云生產(chǎn)三維模型。圖5左側(cè)圖展示的就是通過照片生成出的高精度三維人物模型。對(duì)這個(gè)模型再做進(jìn)一步的細(xì)化加工，就可以得到最終的高精度游戲模型，用于游戲的生產(chǎn)中。圖5右側(cè)圖展示的就是最終在游戲中的效果。

3 動(dòng)力學(xué)模擬仿真技術(shù)在模型制作中的應(yīng)用

動(dòng)力學(xué)模擬仿真建模技術(shù)，是指利用三維軟件的動(dòng)力學(xué)模擬功能，對(duì)已經(jīng)做好的模型添加動(dòng)力學(xué)屬性，如重力、抗彎曲力、阻力、碰撞物等，然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬仿真計(jì)算，通過力在模型上進(jìn)行作用來改變模型的形狀，以達(dá)到建模的目的。這種建模方式對(duì)于布料、衣物類型的高精度三維模型制作尤其高效。也可應(yīng)用于游戲中破碎后的物體模型制作，和大量物體的自然分布和堆積效果的制作。

Ubisoft公司在其2014年11月發(fā)行的游戲大作《刺客信條：大革命》中大量使用了動(dòng)力學(xué)模擬仿真技術(shù)來制作人物的衣服模型，以及游戲場(chǎng)景中的旗幟、雨棚、窗簾等布料類的三維模型。圖6展示的是游戲《刺客信條：大革命》中的高精度人物衣服三維模型。我們可以看到衣物的效果非常自然、逼真，右側(cè)人物的襯衣模型其柔軟下垂的質(zhì)感都被生動(dòng)地表現(xiàn)出來。與之相比的，左側(cè)的帽子和披肩的皮革的硬度也表現(xiàn)的非常準(zhǔn)確。這些逼真且復(fù)雜的模型，如果讓建模師單純的以手工方式在3dsmax和Zbrush軟件中制作，是無法到達(dá)這樣的真實(shí)度的。

建模師Boyon Raphael是Ubisoft公司（蒙特利爾）的資深角色設(shè)計(jì)師。過去兩年中.直在參與刺客信條游戲的開發(fā)，他說在角色衣物的制作中大量使用了Marvelous Designer這個(gè)工具。“我認(rèn)為Marvelous Designer的模擬功能比市場(chǎng)中的其他任何工具都強(qiáng)?！硗鈱?duì)服裝某些部分進(jìn)行固定的功能看起來很簡(jiǎn)單，但它非常強(qiáng)大和實(shí)用：如果你有了一件夾克的樣衣，你就已經(jīng)有了它對(duì)稱的袖子以及非對(duì)稱的前后面。Weft和Wrap以及應(yīng)力圖可以極大幫助你調(diào)整模擬，導(dǎo)出uv網(wǎng)格也很酷。從OBJ文件導(dǎo)入服裝也是很好的功能?！艺J(rèn)為Marvelous Designer強(qiáng)大的功能極大改善了我們的工作流程?！痹凇尾稍L中他這樣說道。

Marvelous Designer就是一款專業(yè)用于衣服設(shè)計(jì)和制作的動(dòng)力學(xué)模擬仿真軟件。在開發(fā)之初，它被定位于服裝的輔助設(shè)計(jì)，2013年前后被一些游戲建模師發(fā)現(xiàn)，開始用于游戲的高精度的模型制作中。圖7展示的是Marvelous Designer軟件，以及我使用該工具制作的一套高精度的風(fēng)衣模型。該工具除了能動(dòng)力學(xué)模擬不同質(zhì)地的布料下垂和碰撞后產(chǎn)生自然的皺紋以外，還有一個(gè)特點(diǎn)，就是它完全以布料剪裁的方式創(chuàng)建不同的布片，然后將布片縫合在一起創(chuàng)建出立體的衣服模型，其建模過程和衣服剪裁的過程幾乎完全一致，徹底顛覆了傳統(tǒng)建模方式。這讓建模師從面對(duì)繁重的手工衣物皺紋制作，轉(zhuǎn)變成了建立衣服布片和縫合布片這類技巧性較低的簡(jiǎn)單工作。正是有了這些特點(diǎn)，Ubisoft的建模師們能使用Marvelous Designer做出非常逼真的衣服和布料模型。

四 結(jié)語

目前電子游戲在模型上的要求正在不斷提高，高精度游戲模型的制作難度不斷增大，這就要求中國(guó)的建模師和游戲企業(yè)不斷的研究，找到提高生產(chǎn)效率的新方法新技術(shù)，規(guī)劃出游戲生產(chǎn)的新流水線。只有這樣，才能在全球競(jìng)爭(zhēng)中建立優(yōu)勢(shì)。