樹木的低分辨率三維模型資源創(chuàng)建實(shí)踐

摘 要：在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，樹木的低分辨率三維模型資源必不可少。通過樹木模型再設(shè)計(jì)、兩套樹葉貼圖的設(shè)計(jì)制作、靜態(tài)照明的創(chuàng)建、風(fēng)動畫、環(huán)境光遮擋的計(jì)算、碰撞對象的添加等環(huán)節(jié)，創(chuàng)建的樹木低分辨率三維模型資源完全符合虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的要求。

關(guān)鍵詞：低分辨率;樹木;三維模型

采用SpeedTree Modeler UE4創(chuàng)建低分辨率的模型成為動漫和數(shù)字媒體藝術(shù)領(lǐng)域一種愈來愈普遍的方式。不過，用于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的低分辨率樹木模型與用于影視的高分辨率樹木模型的貼圖設(shè)計(jì)與制作技法，有所不同。其一，樹干和樹葉劃分不同。高分辨率樹木模型，需要把樹干和樹葉的貼圖分開繪制，而低分辨率的樹木模型雖然也需要單獨(dú)制作樹干貼圖，但還需要把小樹枝與樹葉結(jié)合起來設(shè)計(jì)貼圖。其二，通道數(shù)量不同。用于影視的高分辨率樹木的貼圖通道多，SpeedTree Modeler UE4中提供了10個(gè)通道，而用于互動媒介的低分辨率樹木模型的貼圖通道較少，SpeedTree Modeler UE4中只提供了5個(gè)通道。其三，樹干和樹葉的排列方式不同。從古柏的小樹枝和樹葉的貼圖設(shè)計(jì)制作過程中就可以直觀體會到這種不同。

1 古柏樹模型和貼圖創(chuàng)建

在SpeedTree Modeler UE4中創(chuàng)建樹木模型，過程既可以復(fù)雜，又可以簡單。從程序商店購買需要的三維樹木模型幾乎是一鍵操作，十分容易，但結(jié)果不一定令人十分滿意。以程序中預(yù)設(shè)的范例三維樹木模型為基礎(chǔ)，通過編輯獲得創(chuàng)作者滿意的模型，比從主干、樹枝、小樹枝、樹葉一步一步創(chuàng)建模型來得更容易。普通古柏的三維模型是以程序范例樹木模型“Broadleaf_Desktop”為基礎(chǔ)，通過節(jié)點(diǎn)模式調(diào)整樹枝的位置、長短和角度，編輯屬性欄樹干、樹枝的參數(shù)，編輯生成器中樹干、樹枝、樹葉的節(jié)點(diǎn)等環(huán)節(jié)來完成創(chuàng)建的。

小樹枝和樹葉的貼圖設(shè)計(jì)制作可分為兩個(gè)階段，第一階段，選擇合適的古柏樹葉進(jìn)行圖像采集。采集古柏樹葉、樹枝圖像素材的辦法有無數(shù)種，但需要注意的要點(diǎn)只有一個(gè)，即為了使采集的圖像在隨后的數(shù)字圖像處理中變得更加容易，視覺效果更好，一定要選擇光影變化不大、背景顏色單純、拍攝角度恰當(dāng)?shù)膱D像素材，否則，辛苦采集來的圖像可能因?yàn)閳D像處理難度太大或視覺效果差而變得毫無用處。第二階段，選擇合適的樹葉排列方式、恰當(dāng)?shù)臉涓杀憩F(xiàn)形式制作貼圖。最終，設(shè)計(jì)制作出兩種排列方式的Diffuse（顏色）貼圖、Normal（法線）貼圖和Specular（高光）貼圖。這兩種排列方式，一個(gè)以Broadleaves（闊葉）形式分布在樹枝上，另一個(gè)以Cards（卡片）形式主要分布在樹冠頂部的位置。如此設(shè)計(jì)，一舉三得，既符合柏樹樹葉排列的規(guī)律，又增加了樹葉的變化層次，還能掩蓋一部分貼圖中樹干外漏的瑕疵。

為了更好地表現(xiàn)古柏樹的造型特點(diǎn)，還需要調(diào)整小樹枝和樹葉的網(wǎng)格。在生成器中選擇樹葉節(jié)點(diǎn)和材質(zhì)面板中的樹葉貼圖，單擊Generate Mesh（生成網(wǎng)格）按鈕，此時(shí)會彈出對話框，通過對網(wǎng)格的Width steps（寬度步階）、Height steps（高度步階）等控件參數(shù)進(jìn)行編輯，使小樹枝和樹葉的網(wǎng)格與貼圖相適應(yīng)。

2 樹木模型靜態(tài)照明的創(chuàng)建

為了在UE4中使用靜態(tài)照明（Lightmass），必須為樹木模型計(jì)算一組展開的UV坐標(biāo)，這種UV映射被稱為模型的光照貼圖。獲得一個(gè)良好的光照貼圖需要科學(xué)和藝術(shù)的融合，在SpeedTree中創(chuàng)建光照貼圖的UV映射，一般有四個(gè)步驟：

第一步，切換到光照貼圖密度渲染模式。點(diǎn)擊工具欄中的Render（渲染）按鈕，將渲染模式切換為Lightmap density（光照貼圖密度），此時(shí)，可視化顯示了光照貼圖分辨率在樹木模型中的分布情況，旨在與UE4中的相同可視化模式Show（顯示）>Lightmap density（光照貼圖密度）緊密匹配。模型的綠色部分表示理想光照貼圖密度;藍(lán)色部分表示光照貼圖分辨率太低，并且可能會在UE4的光照貼圖構(gòu)建時(shí)顯示偽像;紅色部分表示光照貼圖分辨率過高，多邊形有浪費(fèi)。

如果選擇樹木模型的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，便可在位于窗口左下角的光照貼圖上查看它在光照貼圖中的位置，也可選擇光照貼圖中的UV簇來查看它們是模型的哪個(gè)節(jié)點(diǎn)。

光照貼圖的大小單位很重要。選擇生成器中的Tree節(jié)點(diǎn)以外的其他節(jié)點(diǎn)，可在屬性欄Lightmap（光照貼圖）組中編輯Scale（縮放）控件，保證導(dǎo)入到UE4中縮放模型的量是相同的。此處的默認(rèn)值是1.04，它與導(dǎo)入器的默認(rèn)值相匹配。

第二步，選擇光照貼圖分辨率。光照貼圖的分辨率取決于項(xiàng)目的需求和三維樹的復(fù)雜性。通過選擇生成器中Tree（樹）節(jié)點(diǎn)并在屬性欄Lightmap（光照貼圖）組的Target Resolution（目標(biāo)分辨率）中，選擇目標(biāo)光照貼圖分辨率的大小。如果模型過于復(fù)雜且不適合所選擇的分辨率，那么系統(tǒng)會在輸出時(shí)發(fā)出警告，并且將把不恰當(dāng)?shù)姆直媛收{(diào)整到最小分辨率。如此處理，將使模型中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在光照貼圖中至少有一個(gè)紋理元素，同時(shí)保留必要的一個(gè)紋理邊框以防渲染偽像。

Lightmap（光照貼圖）組的Display multiplier（顯示倍數(shù)）控件，將顯示分辨率相同或大于目標(biāo)分辨率的光照貼圖密度。使用此選項(xiàng)將會把uvs打包到較小分辨率的貼圖中，并預(yù)覽較大分辨率的貼圖在打包時(shí)的樣子。這種方法允許將光照貼圖uvs打包到一個(gè)小空間中，并仍嘗試使用更高的分辨率。

第三步，調(diào)整光照貼圖。當(dāng)確定了光照貼圖的分辨率后，下一步就是調(diào)整光照貼圖的分布方式。一般來說，樹干、較低的樹枝和根部，是參與者最容易看到的區(qū)域，需要的光照貼圖密度應(yīng)該是最高的。如果光照貼圖密度太低，則最容易出現(xiàn)明顯的偽影。

第四步，選擇UE4中的光照貼圖分辨率。在UE4中導(dǎo)入模型時(shí)，它具有像所有靜態(tài)網(wǎng)格物體一樣的默認(rèn)光照貼圖分辨率125，此時(shí)需要選擇網(wǎng)格資源并輸入在此前確定的光照貼圖分辨率。

3 樹木模型的風(fēng)動畫

在風(fēng)動畫方面，SpeedTree Modeler UE4與SpeedTree Cinema幾乎完全一致。從風(fēng)向?qū)ч_始，對預(yù)設(shè)的幾個(gè)風(fēng)的問題進(jìn)行選擇性回答，是獲得樹木模型風(fēng)動畫的最佳途徑。另外，選擇Fan（風(fēng)扇）對象并通過屬性欄Presets（預(yù)設(shè)）組選擇Style（樣式），將直接影響樹木模型風(fēng)動畫在UE4的呈現(xiàn)效果。

4 樹木模型細(xì)節(jié)層次的創(chuàng)建

通過選擇Tree（樹）生成器并勾選Level of Detail（英語縮寫LOD，意為細(xì)節(jié)級別）組中的Enabled（啟用），設(shè)置當(dāng)前被選擇節(jié)點(diǎn)的細(xì)節(jié)級別。每個(gè)生成器，如Trunk、Knots、Leaves等節(jié)點(diǎn)，在屬性欄都有一個(gè)細(xì)節(jié)級別控制組，用來控制樹木模型的細(xì)節(jié)級別。

5 樹木模型的環(huán)境光遮擋計(jì)算

SpeedTree將為樹木模型的每個(gè)頂點(diǎn)計(jì)算Ambient occlusion（環(huán)境遮擋）值，并可以鏈接到UE4的材質(zhì)環(huán)境遮擋材質(zhì)著色器中。執(zhí)行菜單Tools（工具）>Compute ambient occlusion，彈出Ambient occlusion對話框，調(diào)整參數(shù)至適當(dāng)。

6 樹木模型的碰撞對象添加

把一系列球體和膠囊狀幾何體添加到樹木模型中，它們將在UE4中起到碰撞體作用。添加碰撞對象最快方法是在菜單欄選擇Tools（工具）>Generate collision primitives…（生成碰撞原語），SpeedTree將自動添加碰撞體。為古柏樹模型添加碰撞對象后，可在屬性欄調(diào)整碰撞對象的類型、大小、位置、旋轉(zhuǎn)等。

7 結(jié)語

通過樹木模型再設(shè)計(jì)、兩套樹葉貼圖的設(shè)計(jì)制作、靜態(tài)照明的創(chuàng)建、樹木模型的風(fēng)動畫、樹木模型的環(huán)境光遮擋計(jì)算、樹木模型的碰撞對象添加等環(huán)節(jié)，創(chuàng)建出的低分辨率模型完全符合虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的要求。

作者簡介：賀宏福（1975—），男，陜西寶雞人，渭南師范學(xué)院副教授，主要從事文化資源的三維數(shù)字化與動畫創(chuàng)作研究。