曹芳 嚴增鑌 曹彬才 孫翊

摘要：為了改善虛擬環(huán)境交互項目中的畫面視覺效果，本文提出一種改進畫面效果的可行方案。通過分解次時代游戲關(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，法線貼圖實時生成新的、有光影變化的貼圖，可使用精度較低的模型實時運算來盡可能逼真地模擬高精度模型的細節(jié)，用數(shù)萬面呈現(xiàn)出接近數(shù)百萬面的效果。

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

中圖分類號：TS952.83；TP311 文獻標識碼：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)實是人們通過計算機對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行可視化、操作以及實時交互的環(huán)境[1]。著名研究學(xué)者Grigore Burdea和Philippe Coiffet在著作“Virtual Reality-Technology”一書中指出，虛擬現(xiàn)實具有三個最突出的特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Illusion of Immersion）和構(gòu)想性（Imagination）。要滿足沉浸感，就需要生成一個逼真的足以“迷惑”人類感知的虛擬世界，因此虛擬現(xiàn)實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，國內(nèi)有十個重點虛擬現(xiàn)實研究機構(gòu)，其中中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所虛擬現(xiàn)實技術(shù)實驗室研究重點集中于“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、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物，使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復(fù)雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場感。國內(nèi)許多著名景點都建成虛擬環(huán)境項目，如：陜西乾陵復(fù)原、大覺寺虛擬仿真、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)計中模型規(guī)范

在虛擬環(huán)境交互設(shè)計項目開發(fā)中，受到Internet的帶寬及傳輸速率的限制，過大的文件可能會延長從服務(wù)器到客服端的傳輸時間并且會增加客戶機端的負擔(dān)，很難得到平滑的運行效果，所以，一般使用三維軟件制作低摸，貼圖也不能太復(fù)雜，場景盡量簡單。滿足交互性的同時，降級了沉浸感，畫面質(zhì)量不高，較難實現(xiàn)預(yù)期的“像真的一樣”的目標。

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，模型拓撲結(jié)構(gòu)合理。交互引擎中，按照模型的三邊面進行計算，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)字城市項目和虛擬環(huán)境交互項目，主要依照國家測繪地理信息局頒發(fā)的《三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范》CH/9016-2012進行[3]，如：低摸（簡單模型）達到Ⅳ級建模標準，能夠通過典型特征辨認出是真實的哪一棟建筑，平房區(qū)建筑要求一組為一個模型單位，每組模型面數(shù)不宜超過3000面；中模（標準模型）達到Ⅲ級建模標準，建筑模型需要單獨為一個模型單位，每個模型面數(shù)不宜超過1500面；高模（精細模型）達到II級建模標準（重點地區(qū)和建筑物按I級要求，其他地區(qū)按II級要求）建筑模型需要單獨為一個模型單位，每個模型面數(shù)不宜超過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實的三維環(huán)境，使得許多項目視覺效果不佳，畫面的吸引力不足。

2.2 貼圖紋理要求

對于貼圖與紋理也有相應(yīng)的規(guī)范，如尺寸最大不超過512×512像素，模型的所有面必須全部賦予貼圖，貼圖需采用無縫拼接可重復(fù)形式。使用Standard標準材質(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)也無需調(diào)節(jié)。規(guī)范性強，操作方便，但渲染效果缺乏光影、凹凸、明暗的變化，無法表現(xiàn)更多細節(jié)，當(dāng)使用者近距離觀察對象時，無法看到細節(jié)和質(zhì)感。

3 次時代游戲的技術(shù)特征

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

次世代游戲中動作系統(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》開場時湯姆·克魯斯爬上一座懸崖那樣……樹木可以攀爬，也可以像猴子那樣在樹木之間上竄下跳，如此一來主角可以利用高度優(yōu)勢狩獵動物和敵人。允許在人流較大的地區(qū)做出靈活的躲避動作，還可以越過低矮的障礙物。有一個場景還可以看到康納從一個路燈的頂端跳進一戶人家的窗戶中來躲避追捕，這種內(nèi)外場景的無縫連接技術(shù)難度很大。

除了動作系統(tǒng)和特效之外，次時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，次時代游戲中對于低、中、精模有著自己的限定，擁有較大的自由度，幾百萬至上千萬的模型稱為高模。

3.2 法線貼圖（Normal貼圖）

采用法線貼圖來描繪物體表面細節(jié)的凸凹變化；顏色貼圖來表現(xiàn)物體的顏色和紋理；高光貼圖來表現(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、流動性等。

4 提高虛擬環(huán)境交互設(shè)計視覺效果的解決方案

占用更少的資源來達到更好的視覺效果，根據(jù)項目需求，道具、角色和場景按照重要程度進行制作，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，增強物體表面細節(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鼠標和鍵盤來控制角色的運動，而且屏幕的刷新速度是非?？斓?，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)，多采用標準幾何體中的球體、圓柱、立方體、圓環(huán)等進行，根據(jù)經(jīng)驗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)高模時會進行光滑，模型分段數(shù)會成倍的增加。

4.2 制作中摸

在低多邊形模型基礎(chǔ)之上，進行更多的細節(jié)表現(xiàn)，如門板上整排的釘子（圖1）；根據(jù)原畫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）；通過添加線段與調(diào)形，表現(xiàn)出模型上面的破損（圖3）；運用動態(tài)的、連貫的、符合邏輯的動畫思維[5]去分析模型上看不清或被遮擋的結(jié)構(gòu)，滿足視覺邏輯（圖4）；考慮門的閉合，坐標軸對應(yīng)位置，軸心位置，樞紐的旋轉(zhuǎn)與動作范圍，為模型制作出適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)（圖5）。

4.3 制作高摸

在道具與場景模型制作中，細節(jié)表現(xiàn)完成后，需要進行鎖邊（卡邊），鎖邊是為了卡住結(jié)構(gòu)，否則模型經(jīng)過圓滑后，之前轉(zhuǎn)折處的明顯結(jié)構(gòu)就會消失，鎖邊使用的方法主要是選擇相應(yīng)線段進行Connect（連接），調(diào)節(jié)鎖邊線與結(jié)構(gòu)線的距離，得到豐富的細節(jié)，形成細致的高光（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，提升操作準確度和速度。此外，在絕對的平面上，可以允許多條線集中在一點，針對這種情況，可以選擇面Inset（插入）進行卡邊。面對復(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（目標焊接）命令，將鎖邊用的點與旁邊的點進行粘接（圖7）。

經(jīng)過鎖邊之后的模型，需要進行圓滑，根據(jù)模型的需要設(shè)置細節(jié)級別，然后相同材質(zhì)的部分進行塌陷。

4.4 制作法線貼圖

在主要角色或者重點場景制作中，將使用三維軟件制作的低模導(dǎo)入到Zbrush軟件中進行細節(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。法線貼圖實時生成新的、有光影變化的貼圖，可使用精度較低的模型實時運算來盡可能逼真地模擬高精度模型的細節(jié)，用數(shù)萬面呈現(xiàn)出接近數(shù)百萬面的效果。

參考文獻：

[1]曾芬芳.虛擬現(xiàn)實技術(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)實可視化[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，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.游戲開發(fā)核心技術(shù)[M].北京：機械工[1]業(yè)出版社，2007.

[5]賈否.動畫概論[M].北京：中國傳媒大學(xué)出版社，2011.