高精度游戏数字模型新制作技法研究
张盛
摘要：近两年，随着游戏主机和计算机硬件计算能力的不断提高，以及玩家对游戏视觉要求的不断提升，致使游戏对模型真实度和细节的要求越来越高。游戏制造商纷纷运用一些新技术，以满足市场的需要。通过对目前代表高精度游戏模型最高水准的国外游戏大作的制作技术进行研究和分析，理清其新的制作思路、技法和使用的软件工具，这就是本研究课题的主要目的。
关键词：高精度游戏模型 游戏高模 次时代游戏 3d扫描 照片建模
中图分类号：TB47
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2016）02-0128-02
所谓高精度游戏模型，是指为游戏生产而制作的具有高细节、高真实感和高面数的数字模型。一个高精度游戏人物模型所包含的多边形面的数量在700万-2000万之间。高精度模型可以是游戏中的角色、衣服、建筑、道具或动植物。在国外的次时代主机游戏和PC平台的游戏中比较多见这样的模型，并且这类游戏也往往是高投入、长周期和精良制作的AAA级游戏大作。
一 高精度游戏模型的制作效率困局
近两年的《The Last of Us》、《The Order 1886》、《合金装备V：幻痛》等次时代主机游戏为代表的国外顶级游戏大作，代表了今天高精度游戏模型的最高水准。如图1展示。
使用常规的游戏模型制作技法，即完全依靠建模师手工完成想要达到同样的效果，对建模师的要求会非常高，需要建模师有超高的写实造型美术功底。制作这样的一套角色模型的周期也会非常漫长，并且生产出的模型质量很难控制。
一方面，视觉需求作为游戏重要的体验，要求模型有更高的细节和分辨率，更高的真实感。这就必然导致对建模师技术水平的要求提高，同时也必然导致制作周期的增长。另—方面建模师的美术写实水平是无法无限提高的，或者说提高的速度远远低于要求增长的速度。这之间存在着深刻的矛盾，它制约了写实类游戏大作的研发和生产。解决好这个矛盾是提高游戏生产水平和生产效率的关键。
二 单纯的常规建模按法难以解决矛盾
目前在游戏模型制作方面，常规的建模技法是以Autodesk 3dsmax和Maya为代表的基础建模技法，和以Zbrush和Autodesk Mudbox为代表的雕刻建模技法。在制作过程中，建模师大多只能以一些照片为模型参考，完全依赖建模师自身的美术素养和造型功底来把握准确度。
在过去的一段时间里，要解决前面说的矛盾，—方面依赖于加强美术教育以期待培养出美术天才，另—方面就是在全球寻找这类人才。这两条路中的前者显然是难以适应当今的商业节奏，后者会大量增加制造成本。
三 新技术带来的新方法
如前所述，写实风格游戏日益提高的模型制作要求，和模型师写实水平提高的速度较慢之间的矛盾已经成为一个重要矛盾。这个矛盾制约了写实类游戏大作的研发和生产。然而我们却看到2014-2015年美国和日本出品的一些游戏中近乎完美的解决了这个矛盾。下面分别来分析—下国外优秀游戏公司运用了什么新的建模技法，是如何改进高精度游戏模型的生产流程的。
1 三维扫描技术在模型制作中的应用。
三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形、结构和色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。直白地说，就是可以利用三维扫描仪将实物扫描后，形成计算机里的三维模型。目前三维扫描设备种类多样，Artec Eva 3D扫描仪由于其高分辨率快速扫描、便携式设计和无需坐标标记等优点，非常适合用于写实类游戏的生产。
通过对《The Order 1886》官方网站发布的文字、图片和花絮视频，以及对他们在SIGGRAPH 2015年会上讲演稿的研究分析，发现了Ready atDawn工作室就运用了三维扫描技术建立了一个高效的游戏角色模型生产线。这个生产线各环节的细节如下：首先设计出角色的概念草图，然后找到和所需长相接近的真人模特，用三维扫描仪对模特儿的头部进行扫描，得到造型准确的角色头部模型。这个模型非常重要，因为如果不是用三维扫描仪，而让建模师手工制作这样一个造型准确真实的人物模型是非常难的，这不仅需要建模师有准确的解剖知识，还需要其有非常好的造型功底，凡是美术专业有较深造型经验的人都清楚这一点。一旦得到这个造型准确的模型，那么接下来的细节制作就变得容易了许多，这样就大大降低了对建模师的要求，前面说的矛盾迎刃而解。
接下来由原画师用Photoshop软件在模特照片和扫描模型图片上进行再创作，如图3所示，设计出更具人物个性和游戏感，并符合游戏定位的角色形象。这—次不再是草图，而是完全深入细致的人物面部设定图。
然后就可以依据面部设定图，在zbrush软件中对扫描模型进行深入加工和细节制作，最终完成游戏角色的高精度模型制作。这个新的方法既降低了写实人物的制作难度，同时叉能得到很好的模型效果，可谓一举两得。最后制作出游戏中运行需要的低模、毛发和贴图等，完成游戏模型的最终制作。
这种新技法在运动类的写实游戏中也有大量使用，比如制作一些篮球明星的模型，制作效率非常高，同时模型会做的非常像运动员本人。
2 照片建模技术在模型制作中的应用
照片建模技术，是指利用一系列特殊拍摄的实物的照片，并利用一些特殊软件，半自动化的生成物体数字模型的技术。这种技术也被一些人称是三维扫描的一种，不过我认为它和前面讲到的三维扫描技术还是有很巨大的差异。首先照片建模技术不需要三维扫描仪这种设备，而是通过软件来完成半自动化的建模的。其次照片建模技术需要对象的一套照片，而三维扫描是不需要的。目前主要的照片建模软件有俄罗斯Agisoft公司的PhotoScan软件和美国Autodesk公司的123D Catch，两者在工作原理上类似。
照片建模技术在日本游戏大作《合金装备V：幻痛》就有一些应用。《合金装备V：幻痛》是由日本小岛工作室（现Konami工作室）研发的一款开放世界动作冒险类游戏。已于2015年9月1日在P54、P53、XBOX ONE、XBOX 360和PC平台同期发售。图4展示的是游戏中的一个女性角色-Quiet的照相过程，女模特儿在无影灯光的照明环境下，利用上中下三组数码相机对其头部同时拍照，获取一组360°的高清照片。
接下来，利用Agisoft PhotoScan软件对照片素材进行半自动化的处理。通过对这些照片进行对齐，找到物体表面一些关键点在三维空间中的位置，创建出密集的点云，然后根据点云生产三维模型。图5左侧图展示的就是通过照片生成出的高精度三维人物模型。对这个模型再做进一步的细化加工，就可以得到最终的高精度游戏模型，用于游戏的生产中。图5右侧图展示的就是最终在游戏中的效果。
3 动力学模拟仿真技术在模型制作中的应用
动力学模拟仿真建模技术，是指利用三维软件的动力学模拟功能，对已经做好的模型添加动力学属性，如重力、抗弯曲力、阻力、碰撞物等，然后进行动力学模拟仿真计算，通过力在模型上进行作用来改变模型的形状，以达到建模的目的。这种建模方式对于布料、衣物类型的高精度三维模型制作尤其高效。也可应用于游戏中破碎后的物体模型制作，和大量物体的自然分布和堆积效果的制作。
Ubisoft公司在其2014年11月发行的游戏大作《刺客信条：大革命》中大量使用了动力学模拟仿真技术来制作人物的衣服模型，以及游戏场景中的旗帜、雨棚、窗帘等布料类的三维模型。图6展示的是游戏《刺客信条：大革命》中的高精度人物衣服三维模型。我们可以看到衣物的效果非常自然、逼真，右侧人物的衬衣模型其柔软下垂的质感都被生动地表现出来。与之相比的，左侧的帽子和披肩的皮革的硬度也表现的非常准确。这些逼真且复杂的模型，如果让建模师单纯的以手工方式在3dsmax和Zbrush软件中制作，是无法到达这样的真实度的。
建模师Boyon Raphael是Ubisoft公司（蒙特利尔）的资深角色设计师。过去两年中.直在参与刺客信条游戏的开发，他说在角色衣物的制作中大量使用了Marvelous Designer这个工具。“我认为Marvelous Designer的模拟功能比市场中的其他任何工具都强。……另外对服装某些部分进行固定的功能看起来很简单，但它非常强大和实用：如果你有了一件夹克的样衣，你就已经有了它对称的袖子以及非对称的前后面。Weft和Wrap以及应力图可以极大帮助你调整模拟，导出uv网格也很酷。从OBJ文件导入服装也是很好的功能。……我认为Marvelous Designer强大的功能极大改善了我们的工作流程。”在—次采访中他这样说道。
Marvelous Designer就是一款专业用于衣服设计和制作的动力学模拟仿真软件。在开发之初，它被定位于服装的辅助设计，2013年前后被一些游戏建模师发现，开始用于游戏的高精度的模型制作中。图7展示的是Marvelous Designer软件，以及我使用该工具制作的一套高精度的风衣模型。该工具除了能动力学模拟不同质地的布料下垂和碰撞后产生自然的皱纹以外，还有一个特点，就是它完全以布料剪裁的方式创建不同的布片，然后将布片缝合在一起创建出立体的衣服模型，其建模过程和衣服剪裁的过程几乎完全一致，彻底颠覆了传统建模方式。这让建模师从面对繁重的手工衣物皱纹制作，转变成了建立衣服布片和缝合布片这类技巧性较低的简单工作。正是有了这些特点，Ubisoft的建模师们能使用Marvelous Designer做出非常逼真的衣服和布料模型。
四 结语
目前电子游戏在模型上的要求正在不断提高，高精度游戏模型的制作难度不断增大，这就要求中国的建模师和游戏企业不断的研究，找到提高生产效率的新方法新技术，规划出游戏生产的新流水线。只有这样，才能在全球竞争中建立优势。
