次時(shí)代游戲技術(shù)在虛擬環(huán)境交互設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

曹芳 嚴(yán)增鑌 曹彬才 孫翊

摘要：為了改善虛擬環(huán)境交互項(xiàng)目中的畫(huà)面視覺(jué)效果，本文提出一種改進(jìn)畫(huà)面效果的可行方案。通過(guò)分解次時(shí)代游戲關(guān)鍵技術(shù)，首先，制作高精度模型，然后輸出高模信息，制成一張法線貼圖。最后將該貼圖指定給精度較低的模型。研究表明，法線貼圖實(shí)時(shí)生成新的、有光影變化的貼圖，可使用精度較低的模型實(shí)時(shí)運(yùn)算來(lái)盡可能逼真地模擬高精度模型的細(xì)節(jié)，用數(shù)萬(wàn)面呈現(xiàn)出接近數(shù)百萬(wàn)面的效果。

關(guān)鍵詞：次時(shí)代游戲的技術(shù)特征；虛擬環(huán)境交互設(shè)計(jì)；法線貼圖

中圖分類號(hào)：TS952.83；TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1001-0270.2017.05.31

Abstract： In order to improve the picture effect of virtual environment interaction project， we proposed a feasible program to improve the picture effect. We decomposed key technologies of the next era game. First of all， we built high-precision model， then output the high modulus information to make a normal map， and finally the normal map is given to the low precision model. Experimental results show that the normal map can generate real time and new light change texture. Thus we can use the real time low accuracy model to simulate the high accuracy detail model， reaching the effect of millions of photos with just tens of thousands of pictures.

Key Words： The Technical Characteristics of the Next Era Games；Virtual Environment Interaction Design；Normal Map

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)是人們通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化、操作以及實(shí)時(shí)交互的環(huán)境[1]。著名研究學(xué)者Grigore Burdea和Philippe Coiffet在著作“Virtual Reality-Technology”一書(shū)中指出，虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)最突出的特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Illusion of Immersion）和構(gòu)想性（Imagination）。要滿足沉浸感，就需要生成一個(gè)逼真的足以“迷惑”人類感知的虛擬世界，因此虛擬現(xiàn)實(shí)首先是一種可視化界面技術(shù)，可以有效的建立虛擬環(huán)境，這主要集中在2個(gè)方面：一是虛擬環(huán)境能夠精確表示物體的狀態(tài)模型；二是環(huán)境的可視化和渲染[2]。

目前，國(guó)內(nèi)有十個(gè)重點(diǎn)虛擬現(xiàn)實(shí)研究機(jī)構(gòu)，其中中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究重點(diǎn)集中于“虛擬人合成”和“虛擬環(huán)境交互”。虛擬環(huán)境交互設(shè)計(jì)側(cè)重于研究虛擬環(huán)境建模、呈現(xiàn)和交互技術(shù)，目的是讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物，使用者進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場(chǎng)感。國(guó)內(nèi)許多著名景點(diǎn)都建成虛擬環(huán)境項(xiàng)目，如：陜西乾陵復(fù)原、大覺(jué)寺虛擬仿真、江南庭院仿真。其中，比較典型的是清明節(jié)黃帝陵三維虛擬祭祖和延安棗園三維紅色旅游基地。

2 虛擬環(huán)境交互設(shè)計(jì)中模型規(guī)范

在虛擬環(huán)境交互設(shè)計(jì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，受到Internet的帶寬及傳輸速率的限制，過(guò)大的文件可能會(huì)延長(zhǎng)從服務(wù)器到客服端的傳輸時(shí)間并且會(huì)增加客戶機(jī)端的負(fù)擔(dān)，很難得到平滑的運(yùn)行效果，所以，一般使用三維軟件制作低摸，貼圖也不能太復(fù)雜，場(chǎng)景盡量簡(jiǎn)單。滿足交互性的同時(shí)，降級(jí)了沉浸感，畫(huà)面質(zhì)量不高，較難實(shí)現(xiàn)預(yù)期的“像真的一樣”的目標(biāo)。

2.1 模型數(shù)據(jù)要求

三維建模要求盡量保證四邊面，這樣方便多種命令的操作，模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理。交互引擎中，按照模型的三邊面進(jìn)行計(jì)算，模型的面數(shù)在四邊面基礎(chǔ)上增加了一倍。目前行業(yè)里制作數(shù)字城市項(xiàng)目和虛擬環(huán)境交互項(xiàng)目，主要依照國(guó)家測(cè)繪地理信息局頒發(fā)的《三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范》CH/9016-2012進(jìn)行[3]，如：低摸（簡(jiǎn)單模型）達(dá)到Ⅳ級(jí)建模標(biāo)準(zhǔn)，能夠通過(guò)典型特征辨認(rèn)出是真實(shí)的哪一棟建筑，平房區(qū)建筑要求一組為一個(gè)模型單位，每組模型面數(shù)不宜超過(guò)3000面；中模（標(biāo)準(zhǔn)模型）達(dá)到Ⅲ級(jí)建模標(biāo)準(zhǔn)，建筑模型需要單獨(dú)為一個(gè)模型單位，每個(gè)模型面數(shù)不宜超過(guò)1500面；高模（精細(xì)模型）達(dá)到II級(jí)建模標(biāo)準(zhǔn)（重點(diǎn)地區(qū)和建筑物按I級(jí)要求，其他地區(qū)按II級(jí)要求）建筑模型需要單獨(dú)為一個(gè)模型單位，每個(gè)模型面數(shù)不宜超過(guò)2500面（復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑除外如蘇州園林等古建筑）。這樣的數(shù)據(jù)量限定，就不可能制作出非常逼真和寫(xiě)實(shí)的三維環(huán)境，使得許多項(xiàng)目視覺(jué)效果不佳，畫(huà)面的吸引力不足。

2.2 貼圖紋理要求

對(duì)于貼圖與紋理也有相應(yīng)的規(guī)范，如尺寸最大不超過(guò)512×512像素，模型的所有面必須全部賦予貼圖，貼圖需采用無(wú)縫拼接可重復(fù)形式。使用Standard標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)。除Diffuse通道后可加貼圖外其他通道不能加貼圖（透明通道貼圖除外），其他參數(shù)也無(wú)需調(diào)節(jié)。規(guī)范性強(qiáng)，操作方便，但渲染效果缺乏光影、凹凸、明暗的變化，無(wú)法表現(xiàn)更多細(xì)節(jié)，當(dāng)使用者近距離觀察對(duì)象時(shí)，無(wú)法看到細(xì)節(jié)和質(zhì)感。

3 次時(shí)代游戲的技術(shù)特征

次時(shí)代游戲是目前行業(yè)內(nèi)頂級(jí)游戲的代名詞，代表著高科技技術(shù)含量和高水準(zhǔn)的藝術(shù)內(nèi)涵，國(guó)內(nèi)外各大游戲制作公司，都先后把次時(shí)代游戲的開(kāi)發(fā)作為他們今后的主要發(fā)展方向。次時(shí)代游戲不斷追求畫(huà)面更出色和極高的自由度。

次世代游戲中動(dòng)作系統(tǒng)非常完善，包括角色的攀爬、酷跑，《刺客信條3》中康納可以利用天然的裂縫和小抓手爬上平坦的巖石，就好像《碟中諜2》開(kāi)場(chǎng)時(shí)湯姆·克魯斯爬上一座懸崖那樣……樹(shù)木可以攀爬，也可以像猴子那樣在樹(shù)木之間上竄下跳，如此一來(lái)主角可以利用高度優(yōu)勢(shì)狩獵動(dòng)物和敵人。允許在人流較大的地區(qū)做出靈活的躲避動(dòng)作，還可以越過(guò)低矮的障礙物。有一個(gè)場(chǎng)景還可以看到康納從一個(gè)路燈的頂端跳進(jìn)一戶人家的窗戶中來(lái)躲避追捕，這種內(nèi)外場(chǎng)景的無(wú)縫連接技術(shù)難度很大。

除了動(dòng)作系統(tǒng)和特效之外，次時(shí)代游戲的三維模型制作方面，具有以下特征：

3.1 模型面數(shù)增加

與虛擬環(huán)境交互相比，次時(shí)代游戲中對(duì)于低、中、精模有著自己的限定，擁有較大的自由度，幾百萬(wàn)至上千萬(wàn)的模型稱為高模。

3.2 法線貼圖（Normal貼圖）

采用法線貼圖來(lái)描繪物體表面細(xì)節(jié)的凸凹變化；顏色貼圖來(lái)表現(xiàn)物體的顏色和紋理；高光貼圖來(lái)表現(xiàn)物體在光線照射條件下體現(xiàn)出的質(zhì)感，增加貼圖的大小。

3.3 游戲引擎

采用次世代游戲引擎創(chuàng)造特殊效果如發(fā)光、半透明、流動(dòng)性等。

4 提高虛擬環(huán)境交互設(shè)計(jì)視覺(jué)效果的解決方案

占用更少的資源來(lái)達(dá)到更好的視覺(jué)效果，根據(jù)項(xiàng)目需求，道具、角色和場(chǎng)景按照重要程度進(jìn)行制作，將次世代游戲技術(shù)引入，增加模型的數(shù)據(jù)量，用高模生成法線貼圖（Normal貼圖），再賦予低精度模型，增強(qiáng)物體表面細(xì)節(jié)的凸凹變化，使得精度不高的模型產(chǎn)生出高精度模型的效果。

4.1 制作低摸

我們都知道在游戲中可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)來(lái)控制角色的運(yùn)動(dòng)，而且屏幕的刷新速度是非常快的，如大型網(wǎng)游魔獸世界等[4]。最終出現(xiàn)在交互引擎里的模型，數(shù)據(jù)量不能太大，這樣才能保證屏幕的刷新速度，良好的交互性。低模的制作主要考慮物體大的形態(tài)、比例與結(jié)構(gòu)，多采用標(biāo)準(zhǔn)幾何體中的球體、圓柱、立方體、圓環(huán)等進(jìn)行，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或自己操作中的方便，合理的降低分段數(shù)，以便于造型的調(diào)節(jié)，后期轉(zhuǎn)高模時(shí)會(huì)進(jìn)行光滑，模型分段數(shù)會(huì)成倍的增加。

4.2 制作中摸

在低多邊形模型基礎(chǔ)之上，進(jìn)行更多的細(xì)節(jié)表現(xiàn)，如門(mén)板上整排的釘子（圖1）；根據(jù)原畫(huà)中局部的高光光澤與分布，分析結(jié)構(gòu)的倒角、轉(zhuǎn)折，多次使用Inset（插入）與Extrude（擠壓），制作圓邊結(jié)構(gòu)（圖2）；通過(guò)添加線段與調(diào)形，表現(xiàn)出模型上面的破損（圖3）；運(yùn)用動(dòng)態(tài)的、連貫的、符合邏輯的動(dòng)畫(huà)思維[5]去分析模型上看不清或被遮擋的結(jié)構(gòu)，滿足視覺(jué)邏輯（圖4）；考慮門(mén)的閉合，坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)位置，軸心位置，樞紐的旋轉(zhuǎn)與動(dòng)作范圍，為模型制作出適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)（圖5）。

4.3 制作高摸

在道具與場(chǎng)景模型制作中，細(xì)節(jié)表現(xiàn)完成后，需要進(jìn)行鎖邊（卡邊），鎖邊是為了卡住結(jié)構(gòu)，否則模型經(jīng)過(guò)圓滑后，之前轉(zhuǎn)折處的明顯結(jié)構(gòu)就會(huì)消失，鎖邊使用的方法主要是選擇相應(yīng)線段進(jìn)行Connect（連接），調(diào)節(jié)鎖邊線與結(jié)構(gòu)線的距離，得到豐富的細(xì)節(jié)，形成細(xì)致的高光（圖6），因此，要求模型盡量為四邊面，這樣方便后面使用多種命令，提升操作準(zhǔn)確度和速度。此外，在絕對(duì)的平面上，可以允許多條線集中在一點(diǎn)，針對(duì)這種情況，可以選擇面Inset（插入）進(jìn)行卡邊。面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如有軟有硬的物體，需要先添加隔斷線，再調(diào)節(jié)質(zhì)地柔軟部分鎖邊的線，用Target Weld（目標(biāo)焊接）命令，將鎖邊用的點(diǎn)與旁邊的點(diǎn)進(jìn)行粘接（圖7）。

經(jīng)過(guò)鎖邊之后的模型，需要進(jìn)行圓滑，根據(jù)模型的需要設(shè)置細(xì)節(jié)級(jí)別，然后相同材質(zhì)的部分進(jìn)行塌陷。

4.4 制作法線貼圖

在主要角色或者重點(diǎn)場(chǎng)景制作中，將使用三維軟件制作的低模導(dǎo)入到Zbrush軟件中進(jìn)行細(xì)節(jié)雕刻，制作高精度模型，然后輸出高模信息，制成一張法線貼圖。法線貼圖實(shí)時(shí)生成新的、有光影變化的貼圖，可使用精度較低的模型實(shí)時(shí)運(yùn)算來(lái)盡可能逼真地模擬高精度模型的細(xì)節(jié)，用數(shù)萬(wàn)面呈現(xiàn)出接近數(shù)百萬(wàn)面的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾芬芳.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，[1]1997.

[2]徐衛(wèi)亞，孟永東，田斌等.復(fù)雜巖質(zhì)高邊坡三維地質(zhì)建模及[1]虛擬現(xiàn)實(shí)可視化[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（12）：[1]2385-2397.

[3]《三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范》CH/9016-2012.

[4]Marianne Krawczyk.游戲開(kāi)發(fā)核心技術(shù)[M].北京：機(jī)械工[1]業(yè)出版社，2007.

[5]賈否.動(dòng)畫(huà)概論[M].北京：中國(guó)傳媒大學(xué)出版社，2011.