3D低模建模技術(shù)研究

胡明 黃明亮 江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

3D建模在游戲、影視動(dòng)畫(huà)等行業(yè)中，都是非常重要的工作環(huán)節(jié)。在當(dāng)今視覺(jué)為主導(dǎo)的時(shí)代，次時(shí)代數(shù)碼產(chǎn)品日益追求更精細(xì)的建模與紋理，推崇“爆炸式”視覺(jué)體驗(yàn)的提升，數(shù)字產(chǎn)品的最終視覺(jué)效果決定了這個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量與市場(chǎng)占有率。在這樣的一個(gè)大環(huán)境下，3D建模對(duì)于產(chǎn)品的最終效果表現(xiàn)和藝術(shù)概念的準(zhǔn)確表達(dá)都有極其重要的作用。但無(wú)論是主機(jī)平臺(tái)還是PC和手機(jī)端游，游戲平臺(tái)的硬件配置和網(wǎng)絡(luò)帶寬等瓶頸始終限制著數(shù)碼產(chǎn)品的容量。因此在數(shù)碼產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)階段就必須在產(chǎn)品的模型精度和開(kāi)發(fā)運(yùn)行效率之間尋找平衡。數(shù)碼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中高模與低模的制作標(biāo)準(zhǔn)就是為了合理的利用制作資源以達(dá)到視覺(jué)效果和運(yùn)行效率最大化的一種建模技術(shù)。

一、3D低模建模技術(shù)概念

三維模型制作的高模（High mode topology）與低模(Low mode topology)是一個(gè)相對(duì)的概念，其中衡量的標(biāo)準(zhǔn)就是3D模型貼圖面的數(shù)量。

三維游戲場(chǎng)景的制作由大量的3D模型組成，其中包括角色、地形、巖石、植物和各種人造物體。這些模型的每一幀動(dòng)畫(huà)的渲染運(yùn)算都需要占用游戲產(chǎn)品終端平臺(tái)的系統(tǒng)資源，因此三維游戲中的3D模型制作要求限制幾千個(gè)貼圖面以下，通過(guò)限制貼圖面的方式減少計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，提高游戲產(chǎn)品在終端平臺(tái)的運(yùn)行流暢度。

3D影視動(dòng)畫(huà)的制作是通過(guò)預(yù)渲染生成3D動(dòng)畫(huà)影片，幀動(dòng)畫(huà)通過(guò)大型的圖形工作站運(yùn)算生成，所有的3D模型的渲染運(yùn)算都在制作平臺(tái)上完成，生成的影視動(dòng)畫(huà)占用運(yùn)行端的計(jì)算資源很少，因此3D影視動(dòng)畫(huà)里的模型可以有上萬(wàn)個(gè)貼圖面。3D影視動(dòng)畫(huà)中的3D模型建模為了追求逼真的視覺(jué)畫(huà)面，在預(yù)渲染的制作中可以不考慮平臺(tái)的硬件限制而使用高精度模型進(jìn)行制作，以達(dá)到美輪美奐的視覺(jué)效果。而游戲產(chǎn)品制作考慮到運(yùn)行平臺(tái)的硬件限制，為了能讓產(chǎn)品在客戶(hù)端流暢的運(yùn)行，在制作過(guò)程中必須限制模型的貼圖面而普遍采用低模建模技術(shù)。

二、3D低模建模技術(shù)特點(diǎn)

（一）精簡(jiǎn)貼圖面與高分辨率貼圖結(jié)合實(shí)現(xiàn)高精度模型效果。

（二）由于在產(chǎn)品運(yùn)行平臺(tái)中尤其是手機(jī)端游里，所有的3D模型都是實(shí)時(shí)渲染運(yùn)算的，模型的貼圖面與系統(tǒng)的計(jì)算資源占用成正比，游戲產(chǎn)品中的模型貼圖面越少調(diào)用的系統(tǒng)資源就越少，而計(jì)算效率越高，3D模型在產(chǎn)品中主要的功能是構(gòu)建環(huán)境結(jié)構(gòu)和運(yùn)行角色動(dòng)畫(huà)，產(chǎn)品的最終視覺(jué)效果依靠高精度的貼圖渲染來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此在3D低模模型制作過(guò)程中經(jīng)常使用高模導(dǎo)出法線貼圖，再將高分辨率法線貼圖應(yīng)用到低模模型上以實(shí)現(xiàn)低模高精度貼圖效果。

（三）合理有序的布線與精確的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。

（四）3D低模模型制作要求限制貼圖面的數(shù)量，因此對(duì)3D模型的結(jié)構(gòu)制作有非常高的要求。制作過(guò)程中首先要使用精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)線去表現(xiàn)設(shè)計(jì)對(duì)象，每個(gè)貼圖面都是合理和有效的，其次制作過(guò)程中合理的布線有助于模型渲染計(jì)算時(shí)的正確表現(xiàn)。在3D低模模型的制作過(guò)程中必須反復(fù)的檢查從而減少多余的三角面，避免出現(xiàn)超過(guò)四條邊線的面。在三維軟件中多余的面和線會(huì)產(chǎn)生冗余的計(jì)算而導(dǎo)致模型的結(jié)構(gòu)形狀失真。3D低模模型制作中合理有序的布線與精確的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)是視覺(jué)效果和藝術(shù)設(shè)計(jì)概念準(zhǔn)確表達(dá)的前提和基礎(chǔ)。

三、3D低模建模制作技術(shù)流程

（一）Polygon低模建模技術(shù)

目前3D模型建模行業(yè)中廣泛使用的軟件有AOTUDESK的3DMAX、MAYA，次時(shí)代雕刻軟件ZBUSH，工業(yè)模型制作軟件RIONER等軟件。游戲制作行業(yè)中常用3DMAX、MAYA軟件的Polygon建模技術(shù)進(jìn)行3D模型制作，Polygon建模技術(shù)可以從繪制基本形體面的方式開(kāi)始，用拓?fù)涞姆绞街苯用枥L基本形體，再通過(guò)軟件中的擠壓（Extrude）、切割（Cut）等命令構(gòu)建基本的模型結(jié)構(gòu)。

模型的附屬物，衣物，裝飾物等物體使用局部結(jié)構(gòu)面復(fù)制再編輯制作的方法。從模型主體結(jié)構(gòu)上選取與服裝、盔甲、裝飾物形狀相似的結(jié)構(gòu)面，使用復(fù)制（Duplicate）命令將結(jié)構(gòu)面復(fù)制出來(lái)，再進(jìn)行擠壓、切割和焊接等命令加以修改得到設(shè)計(jì)目標(biāo)的形體結(jié)構(gòu)。

（二）3D低模模型貼圖UV展開(kāi)

3D模型在制作完成之后是一個(gè)沒(méi)有紋理的模型結(jié)構(gòu)，在后續(xù)的制作中需要附著紋理貼圖來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的視覺(jué)效果。在附著貼圖之前將模型進(jìn)行UV展開(kāi)，通過(guò)UV的展開(kāi)形成UV坐標(biāo)來(lái)匹配定位貼圖的位置。3Dmax和Maya等三維制作軟件都有專(zhuān)門(mén)的UV展開(kāi)的菜單命令來(lái)執(zhí)行UV展開(kāi)的工作，能快速有效的將模型的邊、面展開(kāi)，形成合理的UV布局。針對(duì)人物臉部模型使用松弛（Relax Tool）命令可以快速的得到臉部的UV展開(kāi)貼圖，而針對(duì)幾何形體面可以使用縫合（Weld）和打斷（Break）命令來(lái)編輯。在UV展開(kāi)的過(guò)程中模型需要重點(diǎn)表現(xiàn)的貼圖面占更大的面積比例，而次要的貼圖面適當(dāng)?shù)臏p少面積比例。

（三）3D低模模型紋理貼圖繪制

3D低模模型的制作過(guò)程中貼圖面被精簡(jiǎn)到極致，每一個(gè)貼圖面都要起到支撐模型的結(jié)構(gòu)和形體的作用。在計(jì)算機(jī)渲染3D低模模型的過(guò)程中貼圖面不足以表現(xiàn)模型所有的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，因此需要使用高精度貼圖和凹凸貼圖來(lái)增強(qiáng)模型的視覺(jué)表現(xiàn)。在三維制作軟件中通常使用3D高模模型使用烘焙命令導(dǎo)出高精度模型貼圖和凹凸貼圖之后應(yīng)用到3D低模模型UV展開(kāi)貼圖坐標(biāo)上，然后在POTOSHOP等圖像制作軟件里繪制模型貼圖。通過(guò)法線貼圖和凹凸貼圖兩種方式的配合制作出具有質(zhì)感和精美紋理的貼圖。法線貼圖的作用于模型的表面，主要用于表現(xiàn)模型的顏色、光澤、質(zhì)感、紋理等貼圖屬性。凹凸貼圖表現(xiàn)物體表面的凹凸質(zhì)感，低模模型的細(xì)節(jié)使用凹凸貼圖來(lái)表現(xiàn)。

繼續(xù)以武器劍為例：在正確的UV展開(kāi)之后，另存UV棋盤(pán)格文件導(dǎo)入在POTOSHOP軟件中繪制材質(zhì)貼圖。在這個(gè)案例中，材質(zhì)貼圖要制作三種：漫反射貼圖、凹凸貼圖、自發(fā)光貼圖。

漫反射貼圖影響模型的顏色和花紋，整體的外觀和基本的視覺(jué)效果由漫反射貼圖表現(xiàn)。模型的視覺(jué)形象主要是由漫反射貼圖表現(xiàn)，貼圖的細(xì)節(jié)表現(xiàn)決定了模型渲染時(shí)的精美程度。

凹凸貼圖彌補(bǔ)低邊模型的貼圖面不足的缺陷，增加模型表面材質(zhì)和紋理的凹凸細(xì)節(jié)。計(jì)算機(jī)通過(guò)凹凸貼圖的灰度值來(lái)運(yùn)算凹凸程度，實(shí)現(xiàn)材質(zhì)表面的凹凸質(zhì)感，越接近黑色在材質(zhì)上表現(xiàn)就越凹陷，越接近白色在材質(zhì)上表現(xiàn)越突出。

自發(fā)光貼圖影響模型的發(fā)光特效，使模型更生動(dòng)。計(jì)算機(jī)通過(guò)貼圖的白色值和顏色色相值決定發(fā)光效果，與漫反射貼圖混合運(yùn)算得到模型的發(fā)光特效。

四、結(jié)語(yǔ)

在數(shù)碼時(shí)代，數(shù)字娛樂(lè)產(chǎn)品越來(lái)越多樣化和大型化。3D游戲、影視動(dòng)畫(huà)等行業(yè)發(fā)展迅速，3D模型低模建模技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在網(wǎng)絡(luò)游戲、手機(jī)端游、VR游戲、影視動(dòng)畫(huà)等領(lǐng)域具有不可替代的作用。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，3D低模建模發(fā)展出更多的技術(shù)規(guī)范和更高的技術(shù)要求來(lái)滿足數(shù)碼游戲、影視動(dòng)畫(huà)等產(chǎn)品的行業(yè)需求。