论文部分内容阅读
摘要：本论文是杭州市哲学社会科学规划课题《建筑动画和游戏动画的场景表现研究》（C11WH20）成果论文。建筑预演和游戏场景是三维动画的主体构成——三维动画场景的最典型应用，两者有各自特点与共同点；本文主要从两者的动画运用、模型生成、材质贴图方面进行研究探讨。
关键词：三维动画场景；建筑预演；游戏场景；优化构建建筑
预演和游戏场景是三维动画场景的典型应用。建筑預演主要是在建筑项目宣传展示的时候提供预演动画，分为建筑动画和建筑虚拟现实两种，前者是播放、停止的简单流程，后者具备互动功能，即观众可以在仿真的虚拟场景中左右移动、转换视角等。动漫游戏注重互动功能。游戏场景的三维模型可以通过渲染成为动画，用以宣传、游戏展示等用途。如果要制作精美的建筑预演或游戏动画，需要精美的三维模型，需要场景造型表现出较高的真实性，但会极大地降低渲染效率，影响最终表现效果。建筑预演与游戏场景的场景，表现的对象主要都是建筑和与之相关的一些三维动画场景（以下简称场景）。场景是动画的主体，场景的构建是整个动画构建过程的关键一步；场景的模型质量决定了最终生成动画的表现效果。如何优化模型、优化贴图来达到最佳的动画表现效果，这是本研究的重点。本研究从两者的场景构建要求、模型特点、贴图表现等方面展开，研究采用的软件是目前广泛运用于三维建模的3Dsmax2011，以及功能强大的虚拟现实开发工具Unreal Development Kit（以下简称UDK），辅以Uvlayout贴图软件等。
在建立三维动画场景模型的时候，建筑动画与建筑虚拟现实可以共用大多数模型。由于建筑动画的输出是为追求真实感的精细渲染动画而准备，就需要较高精度的模型（Hige-model，高模）；而虚拟现实则需要精度较低的低块面模型（Low-model，低模）支持。无论是建筑预演还是游戏动画，在场景构建的初期，建立起高级模型都是很有必要的。主要原因有两点：第一，高模向低模的精简较为便捷高效，反之则较为繁琐复杂。例如，使用3Dsmax2011的Pro Optimizer优化功能，可以方便快捷地将高模转化为低模供虚拟现实使用。第二，高模可以在3Dsmax2011中渲染出贴图，以供后面的低模使用，达到模拟精细模型的视觉表现效果。研究发现，在3Dsmax2011的Pro Optimizer优化功能可以对所选的模型进行个别精简设置，也可以对多个场景模型进行精简设置，这需要设计师考虑场景中主要表现的部分和次要部分，有所取舍；场景中的非主体设施应予以较高的精简级，而建筑主体的正立面就需要保留较多的块面，以免影响最终渲染效果。另外，经研究发现，在建立高模的时候，应该有意识地精简一些模型的块面。例如，建筑的背面以及场景中摄像机所不能观测到的一些角度等，也可以极大地提高模型渲染动画的速度，同时为后来的精简模型提供更高的效率。由于精简后的低模将导入UDK中使用，而UDK的特点是对四边形块面进行优化，所以在前期制作模型的时候，应尽量减少三角形块面的生成，在每完成一组相似模型之后应该及时地把模型进行塌陷合并为单个物体（Collapse Boolean）。
如果是作为建筑预演动画和游戏生成用途，那么可以在模型制作完成后用3Dsmax2011的渲染器进行渲染，或者使用第三方为3Dsmax2011提供的插件进行渲染，生成AVI格式的视频动画文件。如果是作为建筑虚拟现实用途的话，则需要用精简后的模型导入UDK的编辑器中进行设定，最后通过Unreal3自带的Unreal Front模块对场景进行打包输出用户可以直接使用的EXE执行文件。由于虚拟现实是即时渲染画面，所以计算能力小，场景模型的多边形数量须大量精简，同时不能降低游戏场景的美观，必须对模型的贴图进行精细制作。游戏场景的模型在构建完成后，将模型导入UDK编辑器中进行设定，除了以上提到的一些设定外，还要增加更多的互动功能和视觉特效，例如各种趣味性的互动操作方式，例如武器、交通工具等，以及火焰、烟雾、波浪等离子特效，娱乐需求更强，同时，由于这些附加特效的加入，运算量也会更大，所以对模型的构建提出更高的要求，需要大量精简场景中模型的多边形数量，并对模型的贴图进行优化。
建筑预演和游戏动画的场景中，模型的贴图分两种，一种是模型自带坐标贴图，适用于场景中的单一材质物体，例如灯具、器皿等，由于场景中物体的数量巨大，这样做就会极大硬件运算量，甚至无法表现一些需要的效果；另一种是UVW坐标贴图，可以人为详细设定模型的贴图坐标和块面，可以使一个复杂模型仅使用一张整合贴图。在3Dsmax2011建立的模型，一些块面较为复杂的模型会造成贴图坐标混乱失真，而且高模在精简后都会失去自带的贴图坐标，此时需要重新设定。如果是建筑预演动画，高模使用在3Dsmax2011自带的UVW贴图编辑器重新设定模型的贴图坐标并进行贴图。若需要在UDK中生成虚拟现实场景或者游戏场景，那么就需要在精简过的低模上进行贴图，以最小的计算量渲染出最真实可信的场景。在某市的古建筑项目预演动画的三维模型构建工程中，我大量使用了3Dsmax2011与Uvlayout软件相结合的方式，把生成的模型经由OBJ格式导入进Uvlayout软件中，对物体的多边形进行拆分，并根据实际需要重新设定UV贴图坐标，以最少的多边形块面数，达到最好的表现效果。在制作某游戏场景场景项目的过程中，我也使用了此方法，对场景中的模型有有意识地做出选择，使用重新生成UV贴图坐标的方式进行优化设定。在一些建筑预演和游戏的场景模型设定中发现，低模的块面应以四边形为主，尽量减少三角形块面，以免造成后期UV难以分割的问题。其次，UV坐标的人为设定也决定了最终表现效果，特别是对于一些块面较复杂的物体，例如场景中的雕塑、异形建筑设施等，由于需要一定的感性认识，所以须要设计师的经验积累。
建筑预演和游戏场景中的天空与云彩，使用半球模型和相关贴图进行模拟，可以极大提高生成画面的速度；贴图制作精美完整，还能达到优于程序生成云雾天空的场景画面效果。在建筑预演和游戏场景设定中，如果是作为动画渲染的特定场景，可以使用软件设定生成的天空云彩；如果是导入虚拟现实的低模，则采用半球贴图。在3Dsmax2011中构建半球模型，设定完成后导出为FBX模型，进入UDK进行贴图，模拟天空效果。半球模型的贴图可设置产生光照效应，这样能够更好地烘托出场景光线的氛围；以场景中主体建筑为主的慢速旋转的运动方式，模拟出云彩的飘动，达到非常逼真的表现效果。
综上所述，使用以上方式优化了三维模型，结合UV贴图，在美化场景的同时提高了动画的生成速度；结合Unreal3引擎，极大地提高了虚拟现实场景的美观性、仿真度和渲染速度，一举两得。建筑预演与游戏场景的构建具有诸多相似之处又有一定区别，从业人员可以完成者两者的角色互换，拓宽就业渠道；同时，二者之间可以取长补短，优化工作效率、提高成果质量。
参考文献：
［1］ 葛莹莹．UDK虚幻3游戏引擎火星课堂［M］.人民邮电出版社，2012．
［2］ 周炜．三维游戏引擎设计技术及其应用［M］.水利水电出版社，2009．
［3］ Thorn.UDK Game Development［M］.De Stuido express，2008．
［4］ Stanislav Poritskiy.Texturing Techniques UVLayout and MaxwellRender［J］.Digital Tutors inc，2012（6）．
关键词：三维动画场景；建筑预演；游戏场景；优化构建建筑
预演和游戏场景是三维动画场景的典型应用。建筑預演主要是在建筑项目宣传展示的时候提供预演动画，分为建筑动画和建筑虚拟现实两种，前者是播放、停止的简单流程，后者具备互动功能，即观众可以在仿真的虚拟场景中左右移动、转换视角等。动漫游戏注重互动功能。游戏场景的三维模型可以通过渲染成为动画，用以宣传、游戏展示等用途。如果要制作精美的建筑预演或游戏动画，需要精美的三维模型，需要场景造型表现出较高的真实性，但会极大地降低渲染效率，影响最终表现效果。建筑预演与游戏场景的场景，表现的对象主要都是建筑和与之相关的一些三维动画场景（以下简称场景）。场景是动画的主体，场景的构建是整个动画构建过程的关键一步；场景的模型质量决定了最终生成动画的表现效果。如何优化模型、优化贴图来达到最佳的动画表现效果，这是本研究的重点。本研究从两者的场景构建要求、模型特点、贴图表现等方面展开，研究采用的软件是目前广泛运用于三维建模的3Dsmax2011，以及功能强大的虚拟现实开发工具Unreal Development Kit（以下简称UDK），辅以Uvlayout贴图软件等。
在建立三维动画场景模型的时候，建筑动画与建筑虚拟现实可以共用大多数模型。由于建筑动画的输出是为追求真实感的精细渲染动画而准备，就需要较高精度的模型（Hige-model，高模）；而虚拟现实则需要精度较低的低块面模型（Low-model，低模）支持。无论是建筑预演还是游戏动画，在场景构建的初期，建立起高级模型都是很有必要的。主要原因有两点：第一，高模向低模的精简较为便捷高效，反之则较为繁琐复杂。例如，使用3Dsmax2011的Pro Optimizer优化功能，可以方便快捷地将高模转化为低模供虚拟现实使用。第二，高模可以在3Dsmax2011中渲染出贴图，以供后面的低模使用，达到模拟精细模型的视觉表现效果。研究发现，在3Dsmax2011的Pro Optimizer优化功能可以对所选的模型进行个别精简设置，也可以对多个场景模型进行精简设置，这需要设计师考虑场景中主要表现的部分和次要部分，有所取舍；场景中的非主体设施应予以较高的精简级，而建筑主体的正立面就需要保留较多的块面，以免影响最终渲染效果。另外，经研究发现，在建立高模的时候，应该有意识地精简一些模型的块面。例如，建筑的背面以及场景中摄像机所不能观测到的一些角度等，也可以极大地提高模型渲染动画的速度，同时为后来的精简模型提供更高的效率。由于精简后的低模将导入UDK中使用，而UDK的特点是对四边形块面进行优化，所以在前期制作模型的时候，应尽量减少三角形块面的生成，在每完成一组相似模型之后应该及时地把模型进行塌陷合并为单个物体（Collapse Boolean）。
如果是作为建筑预演动画和游戏生成用途，那么可以在模型制作完成后用3Dsmax2011的渲染器进行渲染，或者使用第三方为3Dsmax2011提供的插件进行渲染，生成AVI格式的视频动画文件。如果是作为建筑虚拟现实用途的话，则需要用精简后的模型导入UDK的编辑器中进行设定，最后通过Unreal3自带的Unreal Front模块对场景进行打包输出用户可以直接使用的EXE执行文件。由于虚拟现实是即时渲染画面，所以计算能力小，场景模型的多边形数量须大量精简，同时不能降低游戏场景的美观，必须对模型的贴图进行精细制作。游戏场景的模型在构建完成后，将模型导入UDK编辑器中进行设定，除了以上提到的一些设定外，还要增加更多的互动功能和视觉特效，例如各种趣味性的互动操作方式，例如武器、交通工具等，以及火焰、烟雾、波浪等离子特效，娱乐需求更强，同时，由于这些附加特效的加入，运算量也会更大，所以对模型的构建提出更高的要求，需要大量精简场景中模型的多边形数量，并对模型的贴图进行优化。
建筑预演和游戏动画的场景中，模型的贴图分两种，一种是模型自带坐标贴图，适用于场景中的单一材质物体，例如灯具、器皿等，由于场景中物体的数量巨大，这样做就会极大硬件运算量，甚至无法表现一些需要的效果；另一种是UVW坐标贴图，可以人为详细设定模型的贴图坐标和块面，可以使一个复杂模型仅使用一张整合贴图。在3Dsmax2011建立的模型，一些块面较为复杂的模型会造成贴图坐标混乱失真，而且高模在精简后都会失去自带的贴图坐标，此时需要重新设定。如果是建筑预演动画，高模使用在3Dsmax2011自带的UVW贴图编辑器重新设定模型的贴图坐标并进行贴图。若需要在UDK中生成虚拟现实场景或者游戏场景，那么就需要在精简过的低模上进行贴图，以最小的计算量渲染出最真实可信的场景。在某市的古建筑项目预演动画的三维模型构建工程中，我大量使用了3Dsmax2011与Uvlayout软件相结合的方式，把生成的模型经由OBJ格式导入进Uvlayout软件中，对物体的多边形进行拆分，并根据实际需要重新设定UV贴图坐标，以最少的多边形块面数，达到最好的表现效果。在制作某游戏场景场景项目的过程中，我也使用了此方法，对场景中的模型有有意识地做出选择，使用重新生成UV贴图坐标的方式进行优化设定。在一些建筑预演和游戏的场景模型设定中发现，低模的块面应以四边形为主，尽量减少三角形块面，以免造成后期UV难以分割的问题。其次，UV坐标的人为设定也决定了最终表现效果，特别是对于一些块面较复杂的物体，例如场景中的雕塑、异形建筑设施等，由于需要一定的感性认识，所以须要设计师的经验积累。
建筑预演和游戏场景中的天空与云彩，使用半球模型和相关贴图进行模拟，可以极大提高生成画面的速度；贴图制作精美完整，还能达到优于程序生成云雾天空的场景画面效果。在建筑预演和游戏场景设定中，如果是作为动画渲染的特定场景，可以使用软件设定生成的天空云彩；如果是导入虚拟现实的低模，则采用半球贴图。在3Dsmax2011中构建半球模型，设定完成后导出为FBX模型，进入UDK进行贴图，模拟天空效果。半球模型的贴图可设置产生光照效应，这样能够更好地烘托出场景光线的氛围；以场景中主体建筑为主的慢速旋转的运动方式，模拟出云彩的飘动，达到非常逼真的表现效果。
综上所述，使用以上方式优化了三维模型，结合UV贴图，在美化场景的同时提高了动画的生成速度；结合Unreal3引擎，极大地提高了虚拟现实场景的美观性、仿真度和渲染速度，一举两得。建筑预演与游戏场景的构建具有诸多相似之处又有一定区别，从业人员可以完成者两者的角色互换，拓宽就业渠道；同时，二者之间可以取长补短，优化工作效率、提高成果质量。
参考文献：
［1］ 葛莹莹．UDK虚幻3游戏引擎火星课堂［M］.人民邮电出版社，2012．
［2］ 周炜．三维游戏引擎设计技术及其应用［M］.水利水电出版社，2009．
［3］ Thorn.UDK Game Development［M］.De Stuido express，2008．
［4］ Stanislav Poritskiy.Texturing Techniques UVLayout and MaxwellRender［J］.Digital Tutors inc，2012（6）．