樹木的低分辨率三維模型資源創建實踐

摘 要：在虛擬現實領域，樹木的低分辨率三維模型資源必不可少。通過樹木模型再設計、兩套樹葉貼圖的設計制作、靜態照明的創建、風動畫、環境光遮擋的計算、碰撞對象的添加等環節，創建的樹木低分辨率三維模型資源完全符合虛擬現實領域的要求。

關鍵詞：低分辨率;樹木;三維模型

采用SpeedTree Modeler UE4創建低分辨率的模型成為動漫和數字媒體藝術領域一種愈來愈普遍的方式。不過，用于虛擬現實領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計與制作技法，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制作樹干貼圖，但還需要把小樹枝與樹葉結合起來設計貼圖。其二，通道數量不同。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計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建

在SpeedTree Modeler UE4中創建樹木模型，過程既可以復雜，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，但結果不一定令人十分滿意。以程序中預設的范例三維樹木模型為基礎，通過編輯獲得創作者滿意的模型，比從主干、樹枝、小樹枝、樹葉一步一步創建模型來得更容易。普通古柏的三維模型是以程序范例樹木模型“Broadleaf_Desktop”為基礎，通過節點模式調整樹枝的位置、長短和角度，編輯屬性欄樹干、樹枝的參數，編輯生成器中樹干、樹枝、樹葉的節點等環節來完成創建的。

小樹枝和樹葉的貼圖設計制作可分為兩個階段，第一階段，選擇合適的古柏樹葉進行圖像采集。采集古柏樹葉、樹枝圖像素材的辦法有無數種，但需要注意的要點只有一個，即為了使采集的圖像在隨后的數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、拍攝角度恰當的圖像素材，否則，辛苦采集來的圖像可能因為圖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、恰當的樹干表現形式制作貼圖。最終，設計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，一個以Broadleaves（闊葉）形式分布在樹枝上，另一個以Cards（卡片）形式主要分布在樹冠頂部的位置。如此設計，一舉三得，既符合柏樹樹葉排列的規律，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。

為了更好地表現古柏樹的造型特點，還需要調整小樹枝和樹葉的網格。在生成器中選擇樹葉節點和材質面板中的樹葉貼圖，單擊Generate Mesh（生成網格）按鈕，此時會彈出對話框，通過對網格的Width steps（寬度步階）、Height steps（高度步階）等控件參數進行編輯，使小樹枝和樹葉的網格與貼圖相適應。

2 樹木模型靜態照明的創建

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

第一步，切換到光照貼圖密度渲染模式。點擊工具欄中的Render（渲染）按鈕，將渲染模式切換為Lightmap density（光照貼圖密度），此時，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的光照貼圖構建時顯示偽像;紅色部分表示光照貼圖分辨率過高，多邊形有浪費。

如果選擇樹木模型的一個節點，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節點。

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

第二步，選擇光照貼圖分辨率。光照貼圖的分辨率取決于項目的需求和三維樹的復雜性。通過選擇生成器中Tree（樹）節點并在屬性欄Lightmap（光照貼圖）組的Target Resolution（目標分辨率）中，選擇目標光照貼圖分辨率的大小。如果模型過于復雜且不適合所選擇的分辨率，那么系統會在輸出時發出警告，并且將把不恰當的分辨率調整到最小分辨率。如此處理，將使模型中的每個節點在光照貼圖中至少有一個紋理元素，同時保留必要的一個紋理邊框以防渲染偽像。

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

第三步，調整光照貼圖。當確定了光照貼圖的分辨率后，下一步就是調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域，需要的光照貼圖密度應該是最高的。如果光照貼圖密度太低，則最容易出現明顯的偽影。

第四步，選擇UE4中的光照貼圖分辨率。在UE4中導入模型時，它具有像所有靜態網格物體一樣的默認光照貼圖分辨率125，此時需要選擇網格資源并輸入在此前確定的光照貼圖分辨率。

3 樹木模型的風動畫

在風動畫方面，SpeedTree Modeler UE4與SpeedTree Cinema幾乎完全一致。從風向導開始，對預設的幾個風的問題進行選擇性回答，是獲得樹木模型風動畫的最佳途徑。另外，選擇Fan（風扇）對象并通過屬性欄Presets（預設）組選擇Style（樣式），將直接影響樹木模型風動畫在UE4的呈現效果。

4 樹木模型細節層次的創建

通過選擇Tree（樹）生成器并勾選Level of Detail（英語縮寫LOD，意為細節級別）組中的Enabled（啟用），設置當前被選擇節點的細節級別。每個生成器，如Trunk、Knots、Leaves等節點，在屬性欄都有一個細節級別控制組，用來控制樹木模型的細節級別。

5 樹木模型的環境光遮擋計算

SpeedTree將為樹木模型的每個頂點計算Ambient occlusion（環境遮擋）值，并可以鏈接到UE4的材質環境遮擋材質著色器中。執行菜單Tools（工具）>Compute ambient occlusion，彈出Ambient occlusion對話框，調整參數至適當。

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，可在屬性欄調整碰撞對象的類型、大小、位置、旋轉等。

7 結語

通過樹木模型再設計、兩套樹葉貼圖的設計制作、靜態照明的創建、樹木模型的風動畫、樹木模型的環境光遮擋計算、樹木模型的碰撞對象添加等環節，創建出的低分辨率模型完全符合虛擬現實領域的要求。

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