可編輯多邊形在三維游戲場(chǎng)景建模中的應(yīng)用
——以歇山建筑為例

葛田

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241006）

0 引 言

自20世紀(jì)90年代起，《完美世界》《第四世界》等系列游戲開(kāi)啟了中國(guó)自己的三維游戲時(shí)代。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中式風(fēng)格的游戲（如著名的《仙劍奇?zhèn)b傳》系列游戲）逐漸進(jìn)入大眾市場(chǎng)。一款三維游戲的誕生包含了從原畫(huà)設(shè)計(jì)、關(guān)卡設(shè)計(jì)、游戲角色與模型構(gòu)造、烘焙材質(zhì)、燈光渲染、線下線上測(cè)試到正式運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)。模型設(shè)計(jì)主要包含角色設(shè)計(jì)、室內(nèi)外場(chǎng)景建模。其中，場(chǎng)景設(shè)計(jì)決定了一款游戲整體的風(fēng)格走向，出色的場(chǎng)景設(shè)計(jì)可以突出游戲的美感和角色的情感，提升對(duì)新老用戶(hù)的吸引力和重玩率，總之可以提升整個(gè)游戲的價(jià)值。場(chǎng)景模型中精準(zhǔn)的面數(shù)控制能夠增強(qiáng)游戲的流暢度，降低游戲在不同設(shè)備上的卡頓風(fēng)險(xiǎn)。不合適的場(chǎng)景建模會(huì)在第一時(shí)間降低用戶(hù)的體驗(yàn)感，影響游戲整體的銷(xiāo)售和口碑。游戲場(chǎng)景設(shè)計(jì)在一款游戲中的重要地位可見(jiàn)一斑。

目前，市場(chǎng)上的三維建模軟件種類(lèi)繁多，有C4D、3DS Max、CAD軟件，等等。有的軟件偏重于機(jī)械類(lèi)工業(yè)建模如CAD，有的軟件偏向于3D動(dòng)畫(huà)廣告制作如C4D，而3DS Max軟件對(duì)建筑模型和室內(nèi)設(shè)計(jì)更加得心應(yīng)手，同時(shí)它在游戲廣告、VR虛擬場(chǎng)景建設(shè)方面都有不俗的表現(xiàn)。3ds Max軟件有種類(lèi)豐富的修改器和插件,其中的可編輯多邊形和可編輯網(wǎng)格工具都是游戲場(chǎng)景建模中不可或缺的工具。可編輯網(wǎng)格是早期比較成熟的三邊建模工具，它將模型最小的面定義為“三角形”，包含頂點(diǎn)、邊、面、元素和編輯幾何體工具。網(wǎng)格建模的優(yōu)點(diǎn)在于所建立的模型消耗內(nèi)存小，非常適合網(wǎng)絡(luò)游戲的內(nèi)存要求，但網(wǎng)格算法在性能上遜色于可編輯多邊形，也沒(méi)有那么多靈活的附加工具。可編輯多邊形的基礎(chǔ)參數(shù)除了頂點(diǎn)、邊、多邊形元素外，還包括邊界參數(shù)。頂點(diǎn)層級(jí)包含移除和斷開(kāi)點(diǎn)、將點(diǎn)切成面的切角和消除無(wú)用頂點(diǎn)的目標(biāo)焊接等命令。邊層級(jí)比較重要的工具是連接、切片平面和切割，可以幫助設(shè)計(jì)師快速得到想要的邊面形狀。邊界層級(jí)多用來(lái)修補(bǔ)建模時(shí)的漏洞，可編輯多邊形層級(jí)的輪廓、倒角等工具都是對(duì)面的細(xì)化處理命令。除此之外，附加命令還包含細(xì)分曲面、細(xì)分置換和繪制變形等工具。可編輯多邊形最小面是“四邊形”，基本面可以是任意多邊形，所以能靈活地處理模型的各種細(xì)節(jié)。同時(shí)還內(nèi)嵌了NURES曲面，可以在可控點(diǎn)數(shù)不變的基礎(chǔ)上對(duì)對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格平滑處理。從理論上來(lái)說(shuō)，任何實(shí)體或幻想物都可以使用可編輯多邊形創(chuàng)建。所以目前最常見(jiàn)的建模方式是先用可編輯多邊形完成游戲模型，導(dǎo)出時(shí)再轉(zhuǎn)化為可編輯的三角網(wǎng)格文件。

1 游戲場(chǎng)景建模的流程與規(guī)范

游戲場(chǎng)景建模對(duì)象包含建筑模型和其他所有非建筑模型，包括山川、河流、巖壁、室內(nèi)室外物品等。一個(gè)三維場(chǎng)景的建模遵循以下流程與規(guī)范：首先確定該款游戲的大體風(fēng)格，收集類(lèi)似場(chǎng)景建筑的資料。資料包括但不限于建筑物的年代背景、尺寸、建筑材料、建筑裝飾等內(nèi)容。其次確定游戲場(chǎng)景的尺寸與相對(duì)比例，整個(gè)流程從使用手繪原畫(huà)或CAD軟件完成模型的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)開(kāi)始，其中建模必須以軟件世界坐標(biāo)“0”為中心點(diǎn)。然后使用可編輯多邊形構(gòu)建低模并按照需求細(xì)化為高模。模型完成后進(jìn)行貼圖的制作、烘焙。最后完成場(chǎng)景模型的整合塌陷，即刪除一切對(duì)該模型無(wú)用的功能性操作，以此減少內(nèi)存的消耗。最終完成場(chǎng)景建模并導(dǎo)出為三角網(wǎng)格文件。后期還要進(jìn)行平臺(tái)修改測(cè)試，完成游戲上線。特別需要注意的是，建模時(shí)對(duì)模型布線的計(jì)算應(yīng)該盡量控制面的數(shù)量。根據(jù)游戲場(chǎng)景的復(fù)雜程度和游戲引擎的技術(shù)特點(diǎn)，一個(gè)屏幕內(nèi)的面應(yīng)該控制在500到8 000個(gè)，同時(shí)盡量減少無(wú)用三角面和無(wú)用頂點(diǎn)的產(chǎn)生。這樣既方便了后期UV的調(diào)節(jié)又能減少引擎渲染的時(shí)間，提高玩家的游戲體驗(yàn)感。

2 歇山建筑模型建模的主要流程

人類(lèi)的文明史總要提及中國(guó)的長(zhǎng)城、埃及的金字塔、印度的泰姬陵，可以說(shuō)一個(gè)國(guó)家的古建筑最能顯現(xiàn)這個(gè)國(guó)家的文明和智慧。古代建筑的發(fā)展往往也體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)力發(fā)展水平，中國(guó)古代建筑歷史悠久，具有其獨(dú)特的造型和布局，虛實(shí)相生，動(dòng)靜結(jié)合，反映了我國(guó)古代勞動(dòng)人民極高的建筑技巧和藝術(shù)水平，是民族的文化瑰寶，是歷史研究的實(shí)例物證。哪一個(gè)時(shí)代出現(xiàn)什么樣的建筑結(jié)構(gòu)和建筑材料都會(huì)在歷史上留下痕跡。例如建筑工匠們?cè)缭谌昵熬湍芑诳蚣芙Y(jié)構(gòu)制作如飛翼一樣的屋頂，遠(yuǎn)在漢朝時(shí)期，懸山、硬山、歇山、廡殿、攢尖五種中式屋檐結(jié)構(gòu)就已經(jīng)基本成熟。北宋頒發(fā)的《營(yíng)造法式》就是研究土木工程的早期法典文本。清朝雍正十二年官方頒布的《工程做法則例》詳細(xì)介紹了懸山、歇山、廡殿等大木做法。其中懸山頂與歇山頂建筑是最為常見(jiàn)的古建筑屋頂構(gòu)造方式，如圖1所示。

圖1 懸山與歇山建筑

懸山頂又名挑山頂，是典型的民間建筑，也是清朝時(shí)最常見(jiàn)的民間建筑，規(guī)格上低于歇山，主要的特點(diǎn)是僅有一道正檐，屋檐超出墻體，以防止雨水淋濕山墻，兩頭山尖還可以做出鏤空的形狀，用來(lái)交換室內(nèi)空氣。歇山建筑等級(jí)高于懸山，歇山建筑會(huì)用在建筑體量比較大、比較重要的場(chǎng)合。與懸山屋頂?shù)闹鄙现毕孪啾龋巾斢芯艞l屋脊，最明顯的特征是正脊到四角屋檐處拆斷一次，好像歇息了一下，故名“歇山”。歇山建筑莊重中又帶有獨(dú)特的俏麗，大到樓閣殿宇、小到水榭廊坊都可以使用，所以在游戲場(chǎng)景中多用于亭臺(tái)樓閣的建模，是中式游戲中最實(shí)用的模型。歇山建筑建模時(shí)將建筑整體分為上中下三個(gè)部分。上部為歇山屋頂，中部為屋體，下部為基座露臺(tái)，地面到屋體臺(tái)面有臺(tái)階。歇山的屋頂是區(qū)別于其他中式建筑模型最顯著的部分，正脊兩端常伴有龍吻、鴟尾或花飾、雌毛紋頭，在游戲場(chǎng)景建模中常會(huì)簡(jiǎn)化出現(xiàn)。屋頂是整個(gè)歇山建模環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的部分。

2.1 歇山建筑制作步驟

游戲場(chǎng)景模型的創(chuàng)建首先是要確定游戲的模型與正常建筑的比例，建模時(shí)比例必須保持一致。單位統(tǒng)一為米。3DS MAX中單位設(shè)置有兩個(gè)，一個(gè)是系統(tǒng)單位，一個(gè)是顯示單位，兩者應(yīng)該統(tǒng)一。模型制作過(guò)程一般從大到小，從整體到細(xì)節(jié)。歇山建筑建模可以從最重要的屋頂部分著手，在3DS MAX軟件中選擇標(biāo)準(zhǔn)體平面建模，頂視圖創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)度1.5 m，寬度0.8 m的plane，plane長(zhǎng)度分段2，寬度分段3，這樣劃分的目的是為了方便后面頂點(diǎn)的移動(dòng)。轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形后選擇可編輯多邊形的點(diǎn)元素，移動(dòng)頂點(diǎn)，將頂點(diǎn)排列焊接成一道屋脊、四個(gè)角的形狀。用移動(dòng)工具將中心頂點(diǎn)沿著Y軸升高0.15 m，這時(shí)我們可以得到一個(gè)懸山的山頂。接下來(lái)為了將屋頂設(shè)計(jì)為歇山制式，需要在可編輯多邊形工具中選擇屋頂四角邊元素，利用附件編輯幾何體的切片平面，將屋脊從上至下一分為二，調(diào)整頂點(diǎn)位置完成屋脊前后大坡檐、兩側(cè)小坡檐的設(shè)計(jì)。屋檐有屋頂四邊沿線的制作，選擇邊線，新建圖形后打開(kāi)渲染視口設(shè)置，將原本的二維樣條線編輯成厚度為0.2 m、邊數(shù)為3、角度為90°的3D屋檐，如圖2所示。

圖2 歇山屋頂制作

2.2 歇山屋體的制作步驟

選擇屋頂最下面的一圈邊線，通過(guò)連接復(fù)制命令制作出向內(nèi)傾斜類(lèi)似斗拱的幾何體，繼續(xù)沿邊線向下擠出長(zhǎng)方形屋體，如圖3所示。屋體最下面的面屬于不可視的部分，應(yīng)該予以刪除。之后根據(jù)圖紙完成屋體的細(xì)節(jié)部分，如廊柱、大門(mén)、窗戶(hù)等元素，其中所有不可視的面都應(yīng)該刪除，以減少不必要的面數(shù)。

圖3 屋體制作

2.3 基座制作步驟

基座由露臺(tái)和臺(tái)階兩個(gè)部分組成。其中露臺(tái)的制作使用屋體的下邊沿線，利用shift連接復(fù)制命令拖拽出露臺(tái)的平面。沿著y軸繼續(xù)向下復(fù)制，制作露臺(tái)的高度。選擇露臺(tái)正面上下兩條線，添加連接兩次，留出臺(tái)階的面積，并刪除多余的面。在露臺(tái)中間加入的臺(tái)階可以由二維樣條線制作而成，在左視圖制作臺(tái)階橫截面，添加擠出修改器制作出臺(tái)階模型。圖4為完成后模型。

圖4 歇山模型完成圖

3 模型中面數(shù)的控制

場(chǎng)景的面數(shù)一般是以三角面來(lái)計(jì)算的，我們?cè)谌S軟件中制作的可編輯多邊形為四邊面。所以在導(dǎo)出前需要將模型塌陷為可編輯網(wǎng)格。通常網(wǎng)絡(luò)類(lèi)游戲?qū)γ鏀?shù)的限制比較高，所以多用簡(jiǎn)模，單機(jī)類(lèi)游戲會(huì)更偏向高精模型。精簡(jiǎn)模型的面數(shù)一般采用以下幾種方法：（1）刪除不可視的面。（2）減少模型的數(shù)量。（3）降低模型的密度。（4）用貼圖代替精模。以文章中的建筑為例，從歇山頂?shù)铰杜_(tái)底部應(yīng)該中空。廊柱靠墻的面、臺(tái)階背面和底面都應(yīng)該刪除。如果面數(shù)還是超出要求，可以直接用簡(jiǎn)模代替精模，建筑體上細(xì)節(jié)部分由貼圖代替模型，如圖5所示。對(duì)于簡(jiǎn)模來(lái)說(shuō)，模型的好壞取決于貼圖的質(zhì)量。

圖5 簡(jiǎn)模

4 結(jié) 論

利用可編輯多邊形及其附加的工具制作既有真實(shí)性，又有藝術(shù)性的場(chǎng)景模型，是游戲創(chuàng)作中不可或缺的重要部分。而游戲場(chǎng)景的面數(shù)也并不是越少越好，它的數(shù)量最終取決于游戲的性質(zhì)和引擎的技術(shù)。游戲設(shè)計(jì)師只有控制好模型數(shù)量、場(chǎng)景面數(shù)和場(chǎng)景貼圖的質(zhì)量，后期游戲運(yùn)行中的卡頓現(xiàn)象才會(huì)少出現(xiàn)或不出現(xiàn)，從而更好地利用場(chǎng)景為游戲服務(wù)。中國(guó)古建筑是中華民族文化的象征，是世界建筑史中無(wú)可比擬的珍寶，是仿古模型的主要對(duì)象。眾多游戲設(shè)計(jì)師之所以選擇仿古中式模型是因?yàn)樗谟螒驁?chǎng)景中具有很重要的表現(xiàn)力：用建筑交代游戲的時(shí)間與空間，用場(chǎng)景和材質(zhì)烘托游戲角色的情緒氛圍。中式風(fēng)格的三維游戲場(chǎng)景創(chuàng)造了一個(gè)中國(guó)風(fēng)的虛擬世界，使更多熱愛(ài)中國(guó)歷史的玩家產(chǎn)生共鳴。隨著我國(guó)游戲市場(chǎng)的不斷壯大，中式風(fēng)格的三維游戲市場(chǎng)前景會(huì)更加廣闊。