三維建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實中的實踐研究

沈楊

關(guān)鍵詞：多邊形建模；PBR建模；貼圖；場景；跨界

突如其來的疫情加速了全球數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐，成了虛擬世界背后的推手，元宇宙的誕生加速推動了互聯(lián)網(wǎng)進入3.0時代。從互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程看，早期的PC互聯(lián)網(wǎng)到現(xiàn)在的移動互聯(lián)網(wǎng)，出現(xiàn)了各種各樣的應用，但是從內(nèi)容的形態(tài)上來看，PC互聯(lián)網(wǎng)基本是文本+圖像，到了移動互聯(lián)網(wǎng)，視頻逐漸成了主流的形態(tài)，未來互聯(lián)網(wǎng)3.0時代是與"元宇宙"的概念相聯(lián)系，它的內(nèi)容會呈現(xiàn)出文本+圖像+視頻+3D的混合形態(tài)，因此3D會成為元宇宙階段一個核心要素。近年來3D建模也不斷在藝術(shù)和技術(shù)方向飛速發(fā)展。

1 三維建模類型

三維建模本身是一個很龐大和復雜的體系，概括來說有五種建模類型：多邊形建模、雕刻建模、CAD工業(yè)建模、掃描建模以及程序建模。不同的類型適合不同的行業(yè)需求，以MESH組成的模型適合在虛擬的屏幕上顯示，CAD實體模型能夠進行工業(yè)生產(chǎn)，仿真的高模、風格化的低模等不同風格的模型，都會采取不一樣的建模方式。

1.1 多邊形建模

大多數(shù)的設(shè)計方案表現(xiàn)以及虛擬現(xiàn)實建模采用的是多邊形建模方式，它的本質(zhì)是由一組點組成的各種信息，點有位置，連接起來稱之為邊，三個點就會組成一個面，四個點也會組成一個面片，超過四條邊就稱為多邊面，三邊面和四邊面都是可以描述模型上的信息的，便于創(chuàng)作主體去觀察，面組合在一起的時候就形成體。從一個最基本的形體開始，增加分段，再通過編輯不斷的處理，得到想要的形狀，簡單地說，通過思考每根線布線的方式，找到一個精準的控制，缺點是需要大量精力管理，所以多邊形建模需要借助細分將布線做一個平均。細分前的模型叫基本形，然后通過計算轉(zhuǎn)換為高面數(shù)模型，這個轉(zhuǎn)換是可逆的。

1.2 CAD 工業(yè)建模

需要生產(chǎn)的工業(yè)模型是不能用網(wǎng)格（MESH） 來描述的，頂點并不能解決所有問題。MESH是為虛擬世界服務的，任何不需要實際生產(chǎn)打印的模型可以用MESH，基本元素是由點線面組成的，對于現(xiàn)有的硬件或代碼是很擅長處理這類模型的，作為仿真交互都是可以，但是它的缺點是它只能無限接近一個形狀，所以不能完全替代真實的東西，所以真實的模型需要用CAD的方式，它的好處是可以做精準的描述，然后去定義形狀和大小，這種定義是非常精準，因為給的是參數(shù)，而不是頂點位置描述，一旦確定好圖紙傳給機器，機器就把這些識別成它的工作路徑，然后在材料上去加工。

由上所述，兩者的區(qū)別在于——一種是點坐標方式建模，一種是精準建模。

1.3 雕刻建模

雕刻是建模中制作細節(jié)的一個步驟，有些是要先做粗模，然后再去雕刻，有些是可以直接雕刻。一般的普通模型用不到雕刻，但對于模型真實度要求比較高的，比如次世代模型，影視模型等，則需要用到Zbrush 數(shù)字雕刻工具來制作細節(jié)部分，比如皮膚紋理、肌肉走勢等，以增強真實感。

1.4 掃描建模

前面的建模都是在軟件中創(chuàng)建數(shù)字模型，掃描建模則是一種逆向建模，把現(xiàn)實的東西變成虛擬的，這種建?，F(xiàn)在主要有兩種方式：一種是通過激光掃描，一種是通過攝影測量。前一種是一種非常精準的構(gòu)建方式，需要專業(yè)的設(shè)備，會像切片一樣在每一層上面去掃描每一個點所在空間的位置，當這個點足夠多時，便足以讓創(chuàng)作者去描述這個模型，而且特別的精準。第二種是攝影測量，在不同的角度拍攝照片，然后電腦通過算法去合成模型，這需要一些程序的幫助，攝影測量適合用在大型的具有歷史特征的建筑群中。

1.5 程序建模

程序建模是把程序、建模概念合二為一。前面的建模包含大量手動的操作，程序建模則借助于程序，設(shè)定一系列規(guī)則，通過算法，實現(xiàn)模型精準、快速的構(gòu)建，比如智慧城市數(shù)字孿生、自然景觀等。

2 虛擬現(xiàn)實三維建模技術(shù)分析

計算機要想表達一個真實的物體，需要兩方面的信息，描述表面形狀的幾何信息，由帶有坐標信息的點組成，點云構(gòu)成網(wǎng)格曲面。不過只有幾何信息不足以去描述這個物體，還需要描述表面光的屬性，稱為高維外觀材質(zhì)，它決定了物體看上去的材料。高維外觀材質(zhì)是一個隨空間位置、光照、視角變化的六維函數(shù)，這個函數(shù)就刻畫了三維對象表面的流光溢彩。因此要構(gòu)建一個物體的數(shù)字化表達，本質(zhì)上就要把幾何和外觀材質(zhì)重構(gòu)出來。

雖然效果圖表現(xiàn)和虛擬現(xiàn)實道具場景都是采用多邊形來建模，但是兩者之間還有著很大的差異。虛擬引擎渲染與圖像渲染不一樣，它是一種實時渲染的方式，如果采用圖像渲染方式對三維模型與光照系統(tǒng)之間的關(guān)系進行實時計算，那么對設(shè)備的計算能力要求相當高，以至于大部分電腦都難以駕馭。在虛擬世界中要想順暢運行不卡頓，讓畫面看起來更精致，則需要運用PBR建模流程[1]。

PBR （Physically Based Rendering）基于物理的渲染，是近幾年出現(xiàn)制作模型貼圖的流程標準，事先將光照信息與貼圖材質(zhì)之間的關(guān)系計算出來，并將光照效果轉(zhuǎn)換為貼圖，再賦予模型。在引擎調(diào)用模型時，通過貼圖信息計算材質(zhì)和光照信息。使用PBR方法不僅在效果上更接近真實效果，極大地提升了三維模型的渲染速度和運行流暢度[2]。

2.1 PBR 模型制作

建模是基礎(chǔ)，首先要有個基礎(chǔ)的形狀，才能為后面的步驟做準備，不需要糾結(jié)哪個軟件最厲害，它們本質(zhì)上是一樣的，選擇軟件的標準主要是看是否有很多現(xiàn)成的資源和教程，是否對其他的軟件兼容性更好，3dsmax軟件是一個經(jīng)典的游戲建模軟件，具備了上述的優(yōu)點。虛擬現(xiàn)實建模有三個關(guān)鍵點：法線、布線和面數(shù)。

軟件通過法線信息給模型面片標記正向和反向，模型如果面數(shù)少，形狀變化大，那就顯得棱角很多，如果增加面，那么計算機壓力就大了，所以借助法線，在這些頂點的位置都不變的情況下，通過修改法線信息，讓面看起來過渡比較平滑。

多邊形建模要描述一個形狀，是通過布線實現(xiàn)的，同樣的形狀布線會有不一樣的方案，有經(jīng)驗的模型師會讓布線排布舒服和優(yōu)雅，好的布線可以讓以后的工序盡少出錯，比較節(jié)省資源。

模型面數(shù)多少合適，做之前就要考慮清楚。同樣的模型可以有不同的面數(shù)，面數(shù)越多越可以描述更多的細節(jié)，但不是越多越好，比如說要做仿真，面數(shù)越多表現(xiàn)越真實，但是如果要實時渲染，面數(shù)就不能太多。

PBR建模需要有一個高模和一個低模，將基本形通過卡線、平滑增加細分，再運用雕刻建模技術(shù)生成更為精細的高模，最后高模拓撲低模，使面數(shù)明顯減少，但是該有的結(jié)構(gòu)一個都不會少。

下一步要對低模進行展UV的處理，展UV就是將模型壓扁，把它鋪平到2D的界面上來，這種二維的坐標信息稱作UV，將三維模型表面展平到二維界面的工序叫UV展開，之后通過貼圖處理軟件制作貼圖，最后把2D貼圖精準地貼回3D模型去。

最后還要檢查破面、重面等情況，如果在正式烘焙后才發(fā)現(xiàn)這些問題，則需要再次進行檢查修改、烘焙、導入等操作，導致工作量成倍增加、工作效率大幅降低。

2.2 PBR 材質(zhì)制作

2.2.1 貼圖的類型

在游戲設(shè)計的初期，一個模型材質(zhì)賦予一張體現(xiàn)紋理和顏色的貼圖就夠了，但是技術(shù)和人的需求總是在不斷提高。如果想讓物體顯示更真實，需要更多的信息才能更好地描述材質(zhì)。真實靠細節(jié)的處理，一般情況下一個物體表面會不那么完美，凸出的地方更容易磨損，凹的地方更容易有灰塵，還有受光的一面會更容易褪色等。創(chuàng)作者可以根據(jù)這些信息生成更多的貼圖，方法是通過軟件內(nèi)置的算法來計算，常見的有曲線貼圖、AO貼圖、法線貼圖、世界坐標貼圖、高度貼圖等，生產(chǎn)這些貼圖的過程叫作烘焙。

曲線貼圖會根據(jù)模型表面的方向，表面突出來的部分存儲為黑色，凸出越多就越黑，凹進去的地方存儲為白色，對應的Shader能夠讀取這些灰度信息，在凸起的地方就能自動添加一些磨損的效果。

對于一個表面有凹凸的模型來說必然會有一些轉(zhuǎn)折面，還有凹陷進去不容易被光照到的部分，電腦就利用單通道灰度圖存儲陰影信息，模擬物體比較狹窄的夾縫、凹坑等部位的陰影，增加縱深感，體積感，使模型的紋理看起來更加的逼真。這個貼圖稱為環(huán)境光遮蔽貼圖。

法線貼圖能夠讓低?？雌饋砀颖普?，基本原理是：準備兩個一樣的模型，一個面數(shù)低，一個面數(shù)高，把它們重合到一起，通過對比每個面表面切線坐標的值，對比兩者的差異，然后把這個差異信息存儲為法線貼圖。使用法線貼圖，低模就會呈現(xiàn)出更多的細節(jié)，做仿真應用時，法線貼圖是經(jīng)常用的。

在人眼中能夠分辨物體的上下左右，但是電腦未必能知道這些信息，模型每個頂點都是有坐標的，只要把這些坐標存儲到世界坐標貼圖中，這樣電腦就能知道這些點的相對位置，比如可以利用它來做山體的高度圖，高處坐標用紅色表示，低處的坐標用藍綠色表示。

高度貼圖也稱為視差貼圖，往往與法線貼圖組合使用，它將近處的紋理通過膨脹產(chǎn)生明顯的凸起，遠處的紋理縮小看起來像被遮擋，實現(xiàn)一種表面級遮擋效果，但這種效果不會修改模型的輪廓。

2.2.2 貼圖烘焙

創(chuàng)建貼圖和建模一樣也是充滿創(chuàng)意的過程，可以在模型表面繪制各種各樣的紋理。如何制作模型表面的紋理呢？有兩種方式，一種是利用UVWMap將現(xiàn)成的紋理貼圖制作重復的圖案平鋪紋理，像磚墻用的就是這類平鋪貼圖，但其使用是有局限的，幾何形體多采用這種貼圖方式；另一種是利用UV展開制作獨立的紋理，將UV展好后繪制貼圖。繪制貼圖有幾種方式：一種是借助Substance Painter直接在3D模型上繪畫，這也是行業(yè)中最常用的貼圖制作工具；第二種是根據(jù)模型的信息自動計算，做一些細節(jié)疊加上去，Substance Designer很擅長；第三種是利用帶有高度計算的專業(yè)材質(zhì)掃描儀去掃描自然的紋理，它可以將比較簡單的幾何形狀的物體材質(zhì)掃描構(gòu)建出來，得到數(shù)碼材質(zhì)，節(jié)省大量時間。這三種方式在具體的項目中可以混著用[3]。

利用PBR建模技術(shù)使低面數(shù)的模型表現(xiàn)出更多的細節(jié)，保證在實時渲染的場景中流暢運行，是虛擬現(xiàn)實模型技術(shù)發(fā)展的必然[4]。

3 虛擬現(xiàn)實建模中的新理論和新方法

著名的物理學家愛因斯坦曾說過：“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉?！碑斣絹碓蕉嗟膶＜覍W者投身到元宇宙模型建設(shè)中時，無疑是對想象力的實踐和探索[5]。

隨著虛擬現(xiàn)實應用越來越廣泛，虛擬現(xiàn)實建模需要具備多學科知識的融合與交叉，按照新興技術(shù)創(chuàng)新模式，虛擬現(xiàn)實場景建模通過跨界搜索、吸收存儲、融合重構(gòu)三種行為，將展示設(shè)計、裝置藝術(shù)、人機工程學、心理學等專業(yè)知識的跨界融合。

虛擬現(xiàn)實場景模型創(chuàng)作中，跨界融合實現(xiàn)了空間布局、空間風格、色彩配飾、空間尺度等知識群間的聚集。在知識跨界搜索行為中，由于知識存在多樣性，為了尋找融合高質(zhì)量資源，創(chuàng)作者應在知識聚集度高、設(shè)計專業(yè)性強的區(qū)域進行跨界搜索，通過感知、識別、評估、篩選，確定最優(yōu)目標，同時完成信息采集工作。

當跨界融合對象和新興技術(shù)知識被確定之后，創(chuàng)作者就要致力于空間設(shè)計的創(chuàng)新。通過對設(shè)計元素和相關(guān)知識的鏈接、融合、重構(gòu)創(chuàng)造出新的空間形態(tài)。

4 結(jié)束語

3D場景作為虛擬現(xiàn)實應用中最直接的體驗感受要素，它的質(zhì)量直接影響虛擬現(xiàn)實作品的水平。早期的3D建模技術(shù)已經(jīng)逐漸落伍，最明顯的變化是隨著設(shè)備性能的提高，模型面數(shù)和貼圖精度提升，從只有一張用“Body Paint”工具手繪的固有色貼圖，發(fā)展到今天使用“Substance”系列工具將固有色、法線、金屬度、粗糙度、高光貼圖等貼圖組合表現(xiàn)的材質(zhì)效果，自動拓撲也越來越好。軟硬件的提升使創(chuàng)作者不斷追求用更快、更高精度的方式來完成3D作品。虛擬現(xiàn)實是藝術(shù)、技術(shù)、數(shù)字媒體等多學科的融合，3D場景多樣性的表現(xiàn)，同時涉及多學科門類的知識，需要創(chuàng)作者具備跨界思維能力和學習能力。

綜上，三維制作的主要任務就是在滿足目前硬件顯示能力的同時創(chuàng)造優(yōu)美逼真的虛擬環(huán)境，三維建模技術(shù)必然在虛擬現(xiàn)實技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用，成為虛擬現(xiàn)實的核心技術(shù)。