3D低模建模技术研究

胡明 黄明亮 江门职业技术学院

3D建模在游戏、影视动画等行业中，都是非常重要的工作环节。在当今视觉为主导的时代，次时代数码产品日益追求更精细的建模与纹理，推崇“爆炸式”视觉体验的提升，数字产品的最终视觉效果决定了这个产品的质量与市场占有率。在这样的一个大环境下，3D建模对于产品的最终效果表现和艺术概念的准确表达都有极其重要的作用。但无论是主机平台还是PC和手机端游，游戏平台的硬件配置和网络带宽等瓶颈始终限制着数码产品的容量。因此在数码产品的开发阶段就必须在产品的模型精度和开发运行效率之间寻找平衡。数码产品开发过程中高模与低模的制作标准就是为了合理的利用制作资源以达到视觉效果和运行效率最大化的一种建模技术。

三维模型制作的高模（High mode topology）与低模(Low mode topology)是一个相对的概念，其中衡量的标准就是3D模型贴图面的数量。

三维游戏场景的制作由大量的3D模型组成，其中包括角色、地形、岩石、植物和各种人造物体。这些模型的每一帧动画的渲染运算都需要占用游戏产品终端平台的系统资源，因此三维游戏中的3D模型制作要求限制几千个贴图面以下，通过限制贴图面的方式减少计算系统的运算负担，提高游戏产品在终端平台的运行流畅度。

3D影视动画的制作是通过预渲染生成3D动画影片，帧动画通过大型的图形工作站运算生成，所有的3D模型的渲染运算都在制作平台上完成，生成的影视动画占用运行端的计算资源很少，因此3D影视动画里的模型可以有上万个贴图面。3D影视动画中的3D模型建模为了追求逼真的视觉画面，在预渲染的制作中可以不考虑平台的硬件限制而使用高精度模型进行制作，以达到美轮美奂的视觉效果。而游戏产品制作考虑到运行平台的硬件限制，为了能让产品在客户端流畅的运行，在制作过程中必须限制模型的贴图面而普遍采用低模建模技术。

（一）精简贴图面与高分辨率贴图结合实现高精度模型效果。

（二）由于在产品运行平台中尤其是手机端游里，所有的3D模型都是实时渲染运算的，模型的贴图面与系统的计算资源占用成正比，游戏产品中的模型贴图面越少调用的系统资源就越少，而计算效率越高，3D模型在产品中主要的功能是构建环境结构和运行角色动画，产品的最终视觉效果依靠高精度的贴图渲染来实现。因此在3D低模模型制作过程中经常使用高模导出法线贴图，再将高分辨率法线贴图应用到低模模型上以实现低模高精度贴图效果。

（三）合理有序的布线与精确的结构表现。

（四）3D低模模型制作要求限制贴图面的数量，因此对3D模型的结构制作有非常高的要求。制作过程中首先要使用精简的结构线去表现设计对象，每个贴图面都是合理和有效的，其次制作过程中合理的布线有助于模型渲染计算时的正确表现。在3D低模模型的制作过程中必须反复的检查从而减少多余的三角面，避免出现超过四条边线的面。在三维软件中多余的面和线会产生冗余的计算而导致模型的结构形状失真。3D低模模型制作中合理有序的布线与精确的结构表现是视觉效果和艺术设计概念准确表达的前提和基础。

（一）Polygon低模建模技术

目前3D模型建模行业中广泛使用的软件有AOTUDESK的3DMAX、MAYA，次时代雕刻软件ZBUSH，工业模型制作软件RIONER等软件。游戏制作行业中常用3DMAX、MAYA软件的Polygon建模技术进行3D模型制作，Polygon建模技术可以从绘制基本形体面的方式开始，用拓扑的方式直接描绘基本形体，再通过软件中的挤压（Extrude）、切割（Cut）等命令构建基本的模型结构。

模型的附属物，衣物，装饰物等物体使用局部结构面复制再编辑制作的方法。从模型主体结构上选取与服装、盔甲、装饰物形状相似的结构面，使用复制（Duplicate）命令将结构面复制出来，再进行挤压、切割和焊接等命令加以修改得到设计目标的形体结构。

（二）3D低模模型贴图UV展开

3D模型在制作完成之后是一个没有纹理的模型结构，在后续的制作中需要附着纹理贴图来实现最终的视觉效果。在附着贴图之前将模型进行UV展开，通过UV的展开形成UV坐标来匹配定位贴图的位置。3Dmax和Maya等三维制作软件都有专门的UV展开的菜单命令来执行UV展开的工作，能快速有效的将模型的边、面展开，形成合理的UV布局。针对人物脸部模型使用松弛（Relax Tool）命令可以快速的得到脸部的UV展开贴图，而针对几何形体面可以使用缝合（Weld）和打断（Break）命令来编辑。在UV展开的过程中模型需要重点表现的贴图面占更大的面积比例，而次要的贴图面适当的减少面积比例。

（三）3D低模模型纹理贴图绘制

3D低模模型的制作过程中贴图面被精简到极致，每一个贴图面都要起到支撑模型的结构和形体的作用。在计算机渲染3D低模模型的过程中贴图面不足以表现模型所有的结构细节，因此需要使用高精度贴图和凹凸贴图来增强模型的视觉表现。在三维制作软件中通常使用3D高模模型使用烘焙命令导出高精度模型贴图和凹凸贴图之后应用到3D低模模型UV展开贴图坐标上，然后在POTOSHOP等图像制作软件里绘制模型贴图。通过法线贴图和凹凸贴图两种方式的配合制作出具有质感和精美纹理的贴图。法线贴图的作用于模型的表面，主要用于表现模型的颜色、光泽、质感、纹理等贴图属性。凹凸贴图表现物体表面的凹凸质感，低模模型的细节使用凹凸贴图来表现。

继续以武器剑为例：在正确的UV展开之后，另存UV棋盘格文件导入在POTOSHOP软件中绘制材质贴图。在这个案例中，材质贴图要制作三种：漫反射贴图、凹凸贴图、自发光贴图。

漫反射贴图影响模型的颜色和花纹，整体的外观和基本的视觉效果由漫反射贴图表现。模型的视觉形象主要是由漫反射贴图表现，贴图的细节表现决定了模型渲染时的精美程度。

凹凸贴图弥补低边模型的贴图面不足的缺陷，增加模型表面材质和纹理的凹凸细节。计算机通过凹凸贴图的灰度值来运算凹凸程度，实现材质表面的凹凸质感，越接近黑色在材质上表现就越凹陷，越接近白色在材质上表现越突出。

自发光贴图影响模型的发光特效，使模型更生动。计算机通过贴图的白色值和颜色色相值决定发光效果，与漫反射贴图混合运算得到模型的发光特效。

在数码时代，数字娱乐产品越来越多样化和大型化。3D游戏、影视动画等行业发展迅速，3D模型低模建模技术应用越来越广泛。在网络游戏、手机端游、VR游戏、影视动画等领域具有不可替代的作用。随着硬件技术的发展，3D低模建模发展出更多的技术规范和更高的技术要求来满足数码游戏、影视动画等产品的行业需求。

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