三维建模技术在虚拟现实中的实践研究

沈杨

关键词：多边形建模；PBR建模；贴图；场景；跨界

突如其来的疫情加速了全球数字化转型的步伐，成了虚拟世界背后的推手，元宇宙的诞生加速推动了互联网进入3.0时代。从互联网的发展过程看，早期的PC互联网到现在的移动互联网，出现了各种各样的应用，但是从内容的形态上来看，PC互联网基本是文本+图像，到了移動互联网，视频逐渐成了主流的形态，未来互联网3.0时代是与"元宇宙"的概念相联系，它的内容会呈现出文本+图像+视频+3D的混合形态，因此3D会成为元宇宙阶段一个核心要素。近年来3D建模也不断在艺术和技术方向飞速发展。

1 三维建模类型

三维建模本身是一个很庞大和复杂的体系，概括来说有五种建模类型：多边形建模、雕刻建模、CAD工业建模、扫描建模以及程序建模。不同的类型适合不同的行业需求，以MESH组成的模型适合在虚拟的屏幕上显示，CAD实体模型能够进行工业生产，仿真的高模、风格化的低模等不同风格的模型，都会采取不一样的建模方式。

1.1 多边形建模

大多数的设计方案表现以及虚拟现实建模采用的是多边形建模方式，它的本质是由一组点组成的各种信息，点有位置，连接起来称之为边，三个点就会组成一个面，四个点也会组成一个面片，超过四条边就称为多边面，三边面和四边面都是可以描述模型上的信息的，便于创作主体去观察，面组合在一起的时候就形成体。从一个最基本的形体开始，增加分段，再通过编辑不断的处理，得到想要的形状，简单地说，通过思考每根线布线的方式，找到一个精准的控制，缺点是需要大量精力管理，所以多边形建模需要借助细分将布线做一个平均。细分前的模型叫基本形，然后通过计算转换为高面数模型，这个转换是可逆的。

1.2 CAD 工业建模

需要生产的工业模型是不能用网格（MESH） 来描述的，顶点并不能解决所有问题。MESH是为虚拟世界服务的，任何不需要实际生产打印的模型可以用MESH，基本元素是由点线面组成的，对于现有的硬件或代码是很擅长处理这类模型的，作为仿真交互都是可以，但是它的缺点是它只能无限接近一个形状，所以不能完全替代真实的东西，所以真实的模型需要用CAD的方式，它的好处是可以做精准的描述，然后去定义形状和大小，这种定义是非常精准，因为给的是参数，而不是顶点位置描述，一旦确定好图纸传给机器，机器就把这些识别成它的工作路径，然后在材料上去加工。

由上所述，两者的区别在于——一种是点坐标方式建模，一种是精准建模。

1.3 雕刻建模

雕刻是建模中制作细节的一个步骤，有些是要先做粗模，然后再去雕刻，有些是可以直接雕刻。一般的普通模型用不到雕刻，但对于模型真实度要求比较高的，比如次世代模型，影视模型等，则需要用到Zbrush 数字雕刻工具来制作细节部分，比如皮肤纹理、肌肉走势等，以增强真实感。

1.4 扫描建模

前面的建模都是在软件中创建数字模型，扫描建模则是一种逆向建模，把现实的东西变成虚拟的，这种建模现在主要有两种方式：一种是通过激光扫描，一种是通过摄影测量。前一种是一种非常精准的构建方式，需要专业的设备，会像切片一样在每一层上面去扫描每一个点所在空间的位置，当这个点足够多时，便足以让创作者去描述这个模型，而且特别的精准。第二种是摄影测量，在不同的角度拍摄照片，然后电脑通过算法去合成模型，这需要一些程序的帮助，摄影测量适合用在大型的具有历史特征的建筑群中。

1.5 程序建模

程序建模是把程序、建模概念合二为一。前面的建模包含大量手动的操作，程序建模则借助于程序，设定一系列规则，通过算法，实现模型精准、快速的构建，比如智慧城市数字孪生、自然景观等。

2 虚拟现实三维建模技术分析

计算机要想表达一个真实的物体，需要两方面的信息，描述表面形状的几何信息，由带有坐标信息的点组成，点云构成网格曲面。不过只有几何信息不足以去描述这个物体，还需要描述表面光的属性，称为高维外观材质，它决定了物体看上去的材料。高维外观材质是一个随空间位置、光照、视角变化的六维函数，这个函数就刻画了三维对象表面的流光溢彩。因此要构建一个物体的数字化表达，本质上就要把几何和外观材质重构出来。

虽然效果图表现和虚拟现实道具场景都是采用多边形来建模，但是两者之间还有着很大的差异。虚拟引擎渲染与图像渲染不一样，它是一种实时渲染的方式，如果采用图像渲染方式对三维模型与光照系统之间的关系进行实时计算，那么对设备的计算能力要求相当高，以至于大部分电脑都难以驾驭。在虚拟世界中要想顺畅运行不卡顿，让画面看起来更精致，则需要运用PBR建模流程[1]。

PBR （Physically Based Rendering）基于物理的渲染，是近几年出现制作模型贴图的流程标准，事先将光照信息与贴图材质之间的关系计算出来，并将光照效果转换为贴图，再赋予模型。在引擎调用模型时，通过贴图信息计算材质和光照信息。使用PBR方法不仅在效果上更接近真实效果，极大地提升了三维模型的渲染速度和运行流畅度[2]。

2.1 PBR 模型制作

建模是基础，首先要有个基础的形状，才能为后面的步骤做准备，不需要纠结哪个软件最厉害，它们本质上是一样的，选择软件的标准主要是看是否有很多现成的资源和教程，是否对其他的软件兼容性更好，3dsmax软件是一个经典的游戏建模软件，具备了上述的优点。虚拟现实建模有三个关键点：法线、布线和面数。

软件通过法线信息给模型面片标记正向和反向，模型如果面数少，形状变化大，那就显得棱角很多，如果增加面，那么计算机压力就大了，所以借助法线，在这些顶点的位置都不变的情况下，通过修改法线信息，让面看起来过渡比较平滑。

多边形建模要描述一个形状，是通过布线实现的，同样的形状布线会有不一样的方案，有经验的模型师会让布线排布舒服和优雅，好的布线可以让以后的工序尽少出错，比较节省资源。

模型面数多少合适，做之前就要考虑清楚。同样的模型可以有不同的面数，面数越多越可以描述更多的细节，但不是越多越好，比如说要做仿真，面数越多表现越真实，但是如果要实时渲染，面数就不能太多。

PBR建模需要有一个高模和一个低模，将基本形通过卡线、平滑增加细分，再运用雕刻建模技术生成更为精细的高模，最后高模拓扑低模，使面数明显减少，但是该有的结构一个都不会少。

下一步要对低模进行展UV的处理，展UV就是将模型压扁，把它铺平到2D的界面上来，这种二维的坐标信息称作UV，将三维模型表面展平到二维界面的工序叫UV展开，之后通过贴图处理软件制作贴图，最后把2D贴图精准地贴回3D模型去。

最后还要检查破面、重面等情况，如果在正式烘焙后才发现这些问题，则需要再次进行检查修改、烘焙、导入等操作，导致工作量成倍增加、工作效率大幅降低。

2.2 PBR 材质制作

2.2.1 贴图的类型

在游戏设计的初期，一个模型材质赋予一张体现纹理和颜色的贴图就够了，但是技术和人的需求总是在不断提高。如果想让物体显示更真实，需要更多的信息才能更好地描述材质。真实靠细节的处理，一般情况下一个物体表面会不那么完美，凸出的地方更容易磨损，凹的地方更容易有灰尘，还有受光的一面会更容易褪色等。创作者可以根据这些信息生成更多的贴图，方法是通过软件内置的算法来计算，常见的有曲线贴图、AO贴图、法线贴图、世界坐标贴图、高度贴图等，生产这些贴图的过程叫作烘焙。

曲线贴图会根据模型表面的方向，表面突出来的部分存储为黑色，凸出越多就越黑，凹进去的地方存储为白色，对应的Shader能够读取这些灰度信息，在凸起的地方就能自动添加一些磨损的效果。

对于一个表面有凹凸的模型来说必然会有一些转折面，还有凹陷进去不容易被光照到的部分，电脑就利用单通道灰度图存储阴影信息，模拟物体比较狭窄的夹缝、凹坑等部位的阴影，增加纵深感，体积感，使模型的纹理看起来更加的逼真。这个贴图称为环境光遮蔽贴图。

法线贴图能够让低模看起来更加逼真，基本原理是：准备两个一样的模型，一个面数低，一个面数高，把它们重合到一起，通过对比每个面表面切线坐标的值，对比两者的差异，然后把这个差异信息存储为法线贴图。使用法线贴图，低模就会呈现出更多的细节，做仿真应用时，法线贴图是经常用的。

在人眼中能够分辨物体的上下左右，但是电脑未必能知道这些信息，模型每个顶点都是有坐标的，只要把这些坐标存储到世界坐标贴图中，这样电脑就能知道这些点的相对位置，比如可以利用它来做山体的高度图，高处坐标用红色表示，低处的坐标用蓝绿色表示。

高度贴图也称为视差贴图，往往与法线贴图组合使用，它将近处的纹理通过膨胀产生明显的凸起，远处的纹理缩小看起来像被遮挡，实现一种表面级遮挡效果，但这种效果不会修改模型的轮廓。

2.2.2 贴图烘焙

创建贴图和建模一样也是充满创意的过程，可以在模型表面绘制各种各样的纹理。如何制作模型表面的纹理呢？有两种方式，一种是利用UVWMap将现成的纹理贴图制作重复的图案平铺纹理，像砖墙用的就是这类平铺贴图，但其使用是有局限的，几何形体多采用这种贴图方式；另一种是利用UV展开制作独立的纹理，将UV展好后绘制贴图。绘制贴图有几种方式：一种是借助Substance Painter直接在3D模型上绘画，这也是行业中最常用的贴图制作工具；第二种是根据模型的信息自动计算，做一些细节叠加上去，Substance Designer很擅长；第三种是利用带有高度计算的专业材质扫描仪去扫描自然的纹理，它可以将比较简单的几何形状的物体材质扫描构建出来，得到数码材质，节省大量时间。这三种方式在具体的项目中可以混着用[3]。

利用PBR建模技术使低面数的模型表现出更多的细节，保证在实时渲染的场景中流畅运行，是虚拟现实模型技术发展的必然[4]。

3 虚拟现实建模中的新理论和新方法

著名的物理学家爱因斯坦曾说过：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”当越来越多的专家学者投身到元宇宙模型建设中时，无疑是对想象力的实践和探索[5]。

随着虚拟现实应用越来越广泛，虚拟现实建模需要具备多学科知识的融合与交叉，按照新兴技术创新模式，虚拟现实场景建模通过跨界搜索、吸收存储、融合重构三种行为，将展示设计、装置艺术、人机工程学、心理学等专业知识的跨界融合。

虚拟现实场景模型创作中，跨界融合实现了空间布局、空间风格、色彩配饰、空间尺度等知识群间的聚集。在知识跨界搜索行为中，由于知识存在多样性，为了寻找融合高质量资源，创作者应在知识聚集度高、设计专业性强的区域进行跨界搜索，通过感知、识别、评估、筛选，确定最优目标，同时完成信息采集工作。

当跨界融合对象和新兴技术知识被确定之后，创作者就要致力于空间设计的创新。通过对设计元素和相关知识的链接、融合、重构创造出新的空间形态。

4 结束语

3D场景作为虚拟现实应用中最直接的体验感受要素，它的质量直接影响虚拟现实作品的水平。早期的3D建模技术已经逐渐落伍，最明显的变化是随着设备性能的提高，模型面数和贴图精度提升，从只有一张用“Body Paint”工具手繪的固有色贴图，发展到今天使用“Substance”系列工具将固有色、法线、金属度、粗糙度、高光贴图等贴图组合表现的材质效果，自动拓扑也越来越好。软硬件的提升使创作者不断追求用更快、更高精度的方式来完成3D作品。虚拟现实是艺术、技术、数字媒体等多学科的融合，3D场景多样性的表现，同时涉及多学科门类的知识，需要创作者具备跨界思维能力和学习能力。

综上，三维制作的主要任务就是在满足目前硬件显示能力的同时创造优美逼真的虚拟环境，三维建模技术必然在虚拟现实技术中发挥着重要的作用，成为虚拟现实的核心技术。