3D低模建模技術研究

胡明 黃明亮 江門職業技術學院

3D建模在游戲、影視動畫等行業中，都是非常重要的工作環節。在當今視覺為主導的時代，次時代數碼產品日益追求更精細的建模與紋理，推崇“爆炸式”視覺體驗的提升，數字產品的最終視覺效果決定了這個產品的質量與市場占有率。在這樣的一個大環境下，3D建模對于產品的最終效果表現和藝術概念的準確表達都有極其重要的作用。但無論是主機平臺還是PC和手機端游，游戲平臺的硬件配置和網絡帶寬等瓶頸始終限制著數碼產品的容量。因此在數碼產品的開發階段就必須在產品的模型精度和開發運行效率之間尋找平衡。數碼產品開發過程中高模與低模的制作標準就是為了合理的利用制作資源以達到視覺效果和運行效率最大化的一種建模技術。

一、3D低模建模技術概念

三維模型制作的高模（High mode topology）與低模(Low mode topology)是一個相對的概念，其中衡量的標準就是3D模型貼圖面的數量。

三維游戲場景的制作由大量的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畫的渲染運算都需要占用游戲產品終端平臺的系統資源，因此三維游戲中的3D模型制作要求限制幾千個貼圖面以下，通過限制貼圖面的方式減少計算系統的運算負擔，提高游戲產品在終端平臺的運行流暢度。

3D影視動畫的制作是通過預渲染生成3D動畫影片，幀動畫通過大型的圖形工作站運算生成，所有的3D模型的渲染運算都在制作平臺上完成，生成的影視動畫占用運行端的計算資源很少，因此3D影視動畫里的模型可以有上萬個貼圖面。3D影視動畫中的3D模型建模為了追求逼真的視覺畫面，在預渲染的制作中可以不考慮平臺的硬件限制而使用高精度模型進行制作，以達到美輪美奐的視覺效果。而游戲產品制作考慮到運行平臺的硬件限制，為了能讓產品在客戶端流暢的運行，在制作過程中必須限制模型的貼圖面而普遍采用低模建模技術。

二、3D低模建模技術特點

（一）精簡貼圖面與高分辨率貼圖結合實現高精度模型效果。

（二）由于在產品運行平臺中尤其是手機端游里，所有的3D模型都是實時渲染運算的，模型的貼圖面與系統的計算資源占用成正比，游戲產品中的模型貼圖面越少調用的系統資源就越少，而計算效率越高，3D模型在產品中主要的功能是構建環境結構和運行角色動畫，產品的最終視覺效果依靠高精度的貼圖渲染來實現。因此在3D低模模型制作過程中經常使用高模導出法線貼圖，再將高分辨率法線貼圖應用到低模模型上以實現低模高精度貼圖效果。

（三）合理有序的布線與精確的結構表現。

（四）3D低模模型制作要求限制貼圖面的數量，因此對3D模型的結構制作有非常高的要求。制作過程中首先要使用精簡的結構線去表現設計對象，每個貼圖面都是合理和有效的，其次制作過程中合理的布線有助于模型渲染計算時的正確表現。在3D低模模型的制作過程中必須反復的檢查從而減少多余的三角面，避免出現超過四條邊線的面。在三維軟件中多余的面和線會產生冗余的計算而導致模型的結構形狀失真。3D低模模型制作中合理有序的布線與精確的結構表現是視覺效果和藝術設計概念準確表達的前提和基礎。

三、3D低模建模制作技術流程

（一）Polygon低模建模技術

目前3D模型建模行業中廣泛使用的軟件有AOTUDESK的3DMAX、MAYA，次時代雕刻軟件ZBUSH，工業模型制作軟件RIONER等軟件。游戲制作行業中常用3DMAX、MAYA軟件的Polygon建模技術進行3D模型制作，Polygon建模技術可以從繪制基本形體面的方式開始，用拓撲的方式直接描繪基本形體，再通過軟件中的擠壓（Extrude）、切割（Cut）等命令構建基本的模型結構。

模型的附屬物，衣物，裝飾物等物體使用局部結構面復制再編輯制作的方法。從模型主體結構上選取與服裝、盔甲、裝飾物形狀相似的結構面，使用復制（Duplicate）命令將結構面復制出來，再進行擠壓、切割和焊接等命令加以修改得到設計目標的形體結構。

（二）3D低模模型貼圖UV展開

3D模型在制作完成之后是一個沒有紋理的模型結構，在后續的制作中需要附著紋理貼圖來實現最終的視覺效果。在附著貼圖之前將模型進行UV展開，通過UV的展開形成UV坐標來匹配定位貼圖的位置。3Dmax和Maya等三維制作軟件都有專門的UV展開的菜單命令來執行UV展開的工作，能快速有效的將模型的邊、面展開，形成合理的UV布局。針對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展開貼圖，而針對幾何形體面可以使用縫合（Weld）和打斷（Break）命令來編輯。在UV展開的過程中模型需要重點表現的貼圖面占更大的面積比例，而次要的貼圖面適當的減少面積比例。

（三）3D低模模型紋理貼圖繪制

3D低模模型的制作過程中貼圖面被精簡到極致，每一個貼圖面都要起到支撐模型的結構和形體的作用。在計算機渲染3D低模模型的過程中貼圖面不足以表現模型所有的結構細節，因此需要使用高精度貼圖和凹凸貼圖來增強模型的視覺表現。在三維制作軟件中通常使用3D高模模型使用烘焙命令導出高精度模型貼圖和凹凸貼圖之后應用到3D低模模型UV展開貼圖坐標上，然后在POTOSHOP等圖像制作軟件里繪制模型貼圖。通過法線貼圖和凹凸貼圖兩種方式的配合制作出具有質感和精美紋理的貼圖。法線貼圖的作用于模型的表面，主要用于表現模型的顏色、光澤、質感、紋理等貼圖屬性。凹凸貼圖表現物體表面的凹凸質感，低模模型的細節使用凹凸貼圖來表現。

繼續以武器劍為例：在正確的UV展開之后，另存UV棋盤格文件導入在POTOSHOP軟件中繪制材質貼圖。在這個案例中，材質貼圖要制作三種：漫反射貼圖、凹凸貼圖、自發光貼圖。

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效果由漫反射貼圖表現。模型的視覺形象主要是由漫反射貼圖表現，貼圖的細節表現決定了模型渲染時的精美程度。

凹凸貼圖彌補低邊模型的貼圖面不足的缺陷，增加模型表面材質和紋理的凹凸細節。計算機通過凹凸貼圖的灰度值來運算凹凸程度，實現材質表面的凹凸質感，越接近黑色在材質上表現就越凹陷，越接近白色在材質上表現越突出。

自發光貼圖影響模型的發光特效，使模型更生動。計算機通過貼圖的白色值和顏色色相值決定發光效果，與漫反射貼圖混合運算得到模型的發光特效。

四、結語

在數碼時代，數字娛樂產品越來越多樣化和大型化。3D游戲、影視動畫等行業發展迅速，3D模型低模建模技術應用越來越廣泛。在網絡游戲、手機端游、VR游戲、影視動畫等領域具有不可替代的作用。隨著硬件技術的發展，3D低模建模發展出更多的技術規范和更高的技術要求來滿足數碼游戲、影視動畫等產品的行業需求。