全息3D投影技術(shù)三維素材制作方法創(chuàng)新研究

譚文玲+謝巍

摘 要：本文提出“未來教室”是“智慧校園”中關(guān)鍵的組成部分，而裸眼全息3D投影技術(shù)將成為“未來教室”智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的有力教學(xué)工具，可是素材的不足制約它的普及與推廣，作者運(yùn)用當(dāng)下最流行的三維軟件創(chuàng)新全息3D投影技術(shù)三維素材制作，從模型的創(chuàng)建、材質(zhì)貼圖的制作、模型烘焙三個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新研究。

關(guān)鍵詞：全息3D投影、 三維素材、建模、材質(zhì)貼圖、燈光烘焙

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.153

1 前言

隨著AR、VR技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、智能仿真、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的迅速普及，讓我們深刻感受到科技進(jìn)步時(shí)刻在影響我們的生活與學(xué)習(xí)，同時(shí)教育信息化需求的不斷增加，在此基礎(chǔ)上提出了建設(shè)“智慧校園”的設(shè)想。《湖南高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2016-2018年）實(shí)施方案》明確提出全面推進(jìn)職業(yè)院校智慧校園標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。 “未來教室”是“智慧校園”中關(guān)鍵的組成部分，它是學(xué)校教學(xué)活動(dòng)的主要場(chǎng)所。全息3D投影技術(shù)它將取代傳統(tǒng)的投影儀，因?yàn)樗梢詾閷W(xué)習(xí)者提供360度無死角觀看，還能讓學(xué)生成為虛擬環(huán)境中的角色，操作各種虛擬對(duì)象，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，從而獲得直觀準(zhǔn)確的認(rèn)知。

裸眼全息3D投影技術(shù)在硬件上已經(jīng)日趨成熟，但在素材制作上卻沒跟上步伐，反而制約著它的普及。以往的素材制作一方面不是真正的三維素材，并且還存在制作時(shí)間長(zhǎng)、成本高的問題。如果想要全息3D投影取代傳統(tǒng)的投影儀則必須降低素材的制作難度和周期，所以筆者選擇如今最流行的三維制作軟件3DSMAX、Unity3D等軟件設(shè)計(jì)制作符合全息3D投影技術(shù)要求的三維素材，尋求解決上述問題。

2 裸眼全息3D投影技術(shù)三維素材實(shí)際制作

2.1 三維模型制作

首先在3ds max 中沒有特殊要求的情況下，單位為米（Meters），創(chuàng)建模型我們一般有多邊形建模型和網(wǎng)格建模兩種常用方法。筆者認(rèn)為前者更適合全息3D投影技術(shù)三維素材的制作，因?yàn)榫W(wǎng)格模型創(chuàng)建后是以三邊面為基本面，相當(dāng)于一個(gè)四邊面中要連接一個(gè)對(duì)角線，而現(xiàn)在的全息3D投影的硬件對(duì)于過多三角面的顯示容易出現(xiàn)混亂。在搭建模型時(shí)，要將看不見的面要?jiǎng)h除，還要注意面的法線的方向。邊形建模，在制作過程中使用“插入”多邊形、“擠出”等操作，這種建模方式制作的模型在布線上干凈、利落，不會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的圖形，使之在全息3D投影顯示時(shí)不會(huì)有亂線的現(xiàn)象和重疊交叉。

2.2 材質(zhì)貼圖制作

Unity3D軟件作為最常用的仿真開發(fā)平臺(tái)，當(dāng)我們將3ds max中制作好的模型和設(shè)計(jì)的材質(zhì)導(dǎo)入到Unity3D時(shí)同，并不是3ds max中所有的材質(zhì)在Unity3D中通用的。但3ds max中的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)幾乎被當(dāng)前所有的引擎所支持。在調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)的參數(shù)時(shí)，我們一般在漫反射貼圖通道上使用貼圖或調(diào)節(jié)顏色。制作貼圖時(shí)，最好在PS中將貼圖制作成無縫貼圖，同時(shí)貼圖的大小不能過大同，貼圖大小必須是2的N次方，視模型在整個(gè)畫面的比例，主要模型的貼圖我們一般也不能超過1024×1024。如果需要帶通道的貼圖，則將貼圖的格式改為帶通道的為32位TGA。另外貼圖光感要鮮艷統(tǒng)一，同時(shí)貼圖中的顏色不能過于豐富，目前從硬件上來說要考慮成本。如果是給模型上單色，那么顏色一定要是亮色調(diào)，這樣在是日常環(huán)境下，觀眾才能360度無障礙觀看。

當(dāng)模型本身需要多種材質(zhì)才能體現(xiàn)時(shí)，則可以選用多維/子物體材質(zhì)。它作為一種復(fù)合材質(zhì)可以根據(jù)不同的材質(zhì)ID號(hào)賦予不同的材質(zhì)，但我們要注意，它的子材質(zhì)也必須是標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，否則不能被其它平臺(tái)支持。另外，我們還可以在自發(fā)光貼圖通道中使用貼圖或可將自發(fā)光的參數(shù)調(diào)大，特別要提出的是模型UV在折分時(shí)要展平，各部分的UV大小要合理。在研究過程中發(fā)現(xiàn)不透明貼圖通道在烘焙LightingMap（光電圖）（光電圖）后，需要將此貼圖通道額channel設(shè)置為烘焙后的新channel，同時(shí)將生成的LightingMap（光電圖）（光電圖）指向到自發(fā)光通道。

3 模型烘焙

為了實(shí)現(xiàn)真實(shí)的光影效果，同時(shí)考慮到目前的全息3D投影技術(shù)的現(xiàn)狀，采用烘焙燈光的技術(shù)，使用烘焙貼圖來減少渲染時(shí)間，實(shí)現(xiàn)即時(shí)顯示。我們可以采用LightingMap（光電圖）烘焙貼圖方式來顯示整個(gè)場(chǎng)景或畫面的陰影細(xì)節(jié)，增強(qiáng)三維立體效果。這種貼圖只含有陰影數(shù)據(jù)（也就是只有黑、灰、白三種顏色），不包含基本紋理。它的不足是只支持標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)民，不帶有高光信息，并且光感較弱，優(yōu)點(diǎn)是模型紋理相對(duì)清晰，而且可以重復(fù)使用紋理貼圖，節(jié)約貼圖資源，同時(shí)烘焙后的模型可以直接導(dǎo)出，不用重新進(jìn)行貼圖。最終把模型的原始紋理貼圖和LightingMap（光電圖）（光電圖）陰影貼圖兩者進(jìn)行疊加實(shí)現(xiàn)理想效果。

也還可以使用CompleteMap（完全貼圖）烘焙方式。它不僅包含陰影數(shù)據(jù)同時(shí)帶有原始紋理數(shù)據(jù)。但缺點(diǎn)是有細(xì)節(jié)表現(xiàn)受貼圖大小影響，當(dāng)貼圖比較小時(shí)紋理會(huì)比較模糊。CompleteMap（完全貼圖）在進(jìn)行烘焙參數(shù)設(shè)置時(shí)，應(yīng)將貼圖通道和模型UV坐標(biāo)通道設(shè)置為1。而在進(jìn)行LightingMap烘焙時(shí)，材質(zhì)中的貼圖通道和模型物體的UV坐標(biāo)通道設(shè)為3。烘焙時(shí)燈光的陰影類型設(shè)為光線跟蹤陰影。用LightingMap（光電圖）烘焙時(shí)，背景色要改為白色，可避免有黑邊的情況；而用CompleteMap烘培時(shí)，背景色要改為與貼圖近似的顏色。在使用LightingMap（光電圖）烘焙后，需要將材質(zhì)改回標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，然后將新生成的貼圖復(fù)制到標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)的自發(fā)光通道內(nèi)，并設(shè)置正確的貼圖通道。比較而言，前者更適合全息3D投影技術(shù)三維素材的制作。

4 總結(jié)

全息3D投影技術(shù)三維素材制作過程中一定要注意模型制作的段數(shù)、比例、布線、UV的拆分、材質(zhì)與貼圖的制作、模型的導(dǎo)出符合硬件的要求和觀眾的視覺習(xí)慣，才可能將視覺效果和立體顯示完美結(jié)合。