次时代游戏技术在虚拟环境交互设计中的应用研究

曹芳 严增镔 曹彬才 孙翊

摘要：为了改善虚拟环境交互项目中的画面视觉效果，本文提出一种改进画面效果的可行方案。通过分解次时代游戏关键技术，首先，制作高精度模型，然后输出高模信息，制成一张法线贴图。最后将该贴图指定给精度较低的模型。研究表明，法线贴图实时生成新的、有光影变化的贴图，可使用精度较低的模型实时运算来尽可能逼真地模拟高精度模型的细节，用数万面呈现出接近数百万面的效果。

关键词：次时代游戏的技术特征；虚拟环境交互设计；法线贴图

中图分类号：TS952.83；TP311 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1001-0270.2017.05.31

Abstract： In order to improve the picture effect of virtual environment interaction project， we proposed a feasible program to improve the picture effect. We decomposed key technologies of the next era game. First of all， we built high-precision model， then output the high modulus information to make a normal map， and finally the normal map is given to the low precision model. Experimental results show that the normal map can generate real time and new light change texture. Thus we can use the real time low accuracy model to simulate the high accuracy detail model， reaching the effect of millions of photos with just tens of thousands of pictures.

Key Words： The Technical Characteristics of the Next Era Games；Virtual Environment Interaction Design；Normal Map

1 引言

虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实时交互的环境[1]。著名研究学者Grigore Burdea和Philippe Coiffet在著作“Virtual Reality-Technology”一书中指出，虚拟现实具有三个最突出的特征：交互性（Interactivity）、沉浸感（Illusion of Immersion）和构想性（Imagination）。要满足沉浸感，就需要生成一个逼真的足以“迷惑”人类感知的虚拟世界，因此虚拟现实首先是一种可视化界面技术，可以有效的建立虚拟环境，这主要集中在2个方面：一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型；二是环境的可视化和渲染[2]。

目前，国内有十个重点虚拟现实研究机构，其中中国科学院计算技术研究所虚拟现实技术实验室研究重点集中于“虚拟人合成”和“虚拟环境交互”。虚拟环境交互设计侧重于研究虚拟环境建模、呈现和交互技术，目的是让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物，使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。国内许多著名景点都建成虚拟环境项目，如：陕西乾陵复原、大觉寺虚拟仿真、江南庭院仿真。其中，比较典型的是清明节黄帝陵三维虚拟祭祖和延安枣园三维红色旅游基地。

2 虚拟环境交互设计中模型规范

在虚拟环境交互设计项目开发中，受到Internet的带宽及传输速率的限制，过大的文件可能会延长从服务器到客服端的传输时间并且会增加客户机端的负担，很难得到平滑的运行效果，所以，一般使用三维软件制作低摸，贴图也不能太复杂，场景尽量简单。满足交互性的同时，降级了沉浸感，画面质量不高，较难实现预期的“像真的一样”的目标。

2.1 模型数据要求

三维建模要求尽量保证四边面，这样方便多种命令的操作，模型拓扑结构合理。交互引擎中，按照模型的三边面进行计算，模型的面数在四边面基础上增加了一倍。目前行业里制作数字城市项目和虚拟环境交互项目，主要依照国家测绘地理信息局颁发的《三维地理信息模型生产规范》CH/9016-2012进行[3]，如：低摸（简单模型）达到Ⅳ级建模标准，能够通过典型特征辨认出是真实的哪一棟建筑，平房区建筑要求一组为一个模型单位，每组模型面数不宜超过3000面；中模（标准模型）达到Ⅲ级建模标准，建筑模型需要单独为一个模型单位，每个模型面数不宜超过1500面；高模（精细模型）达到II级建模标准（重点地区和建筑物按I级要求，其他地区按II级要求）建筑模型需要单独为一个模型单位，每个模型面数不宜超过2500面（复杂结构建筑除外如苏州园林等古建筑）。这样的数据量限定，就不可能制作出非常逼真和写实的三维环境，使得许多项目视觉效果不佳，画面的吸引力不足。

2.2 贴图纹理要求

对于贴图与纹理也有相应的规范，如尺寸最大不超过512×512像素，模型的所有面必须全部赋予贴图，贴图需采用无缝拼接可重复形式。使用Standard标准材质。除Diffuse通道后可加贴图外其他通道不能加贴图（透明通道贴图除外），其他参数也无需调节。规范性强，操作方便，但渲染效果缺乏光影、凹凸、明暗的变化，无法表现更多细节，当使用者近距离观察对象时，无法看到细节和质感。

3 次时代游戏的技术特征

次时代游戏是目前行业内顶级游戏的代名词，代表着高科技技术含量和高水准的艺术内涵，国内外各大游戏制作公司，都先后把次时代游戏的开发作为他们今后的主要发展方向。次时代游戏不断追求画面更出色和极高的自由度。

次世代游戏中动作系统非常完善，包括角色的攀爬、酷跑，《刺客信条3》中康纳可以利用天然的裂缝和小抓手爬上平坦的岩石，就好像《碟中谍2》开场时汤姆·克鲁斯爬上一座悬崖那样……树木可以攀爬，也可以像猴子那样在树木之间上窜下跳，如此一来主角可以利用高度优势狩猎动物和敌人。允许在人流较大的地区做出灵活的躲避动作，还可以越过低矮的障碍物。有一个场景还可以看到康纳从一个路灯的顶端跳进一户人家的窗户中来躲避追捕，这种内外场景的无缝连接技术难度很大。

除了动作系统和特效之外，次时代游戏的三维模型制作方面，具有以下特征：

3.1 模型面数增加

与虚拟环境交互相比，次时代游戏中对于低、中、精模有着自己的限定，拥有较大的自由度，几百万至上千万的模型称为高模。

3.2 法线贴图（Normal贴图）

采用法线贴图来描绘物体表面细节的凸凹变化；颜色贴图来表现物体的颜色和纹理；高光贴图来表现物体在光线照射条件下体现出的质感，增加贴图的大小。

3.3 游戏引擎

采用次世代游戏引擎创造特殊效果如发光、半透明、流动性等。

4 提高虚拟环境交互设计视觉效果的解决方案

占用更少的资源来达到更好的视觉效果，根据项目需求，道具、角色和场景按照重要程度进行制作，将次世代游戏技术引入，增加模型的数据量，用高模生成法线贴图（Normal贴图），再赋予低精度模型，增强物体表面细节的凸凹变化，使得精度不高的模型产生出高精度模型的效果。

4.1 制作低摸

我们都知道在游戏中可以通过鼠标和键盘来控制角色的运动，而且屏幕的刷新速度是非常快的，如大型网游魔兽世界等[4]。最终出现在交互引擎里的模型，数据量不能太大，这样才能保证屏幕的刷新速度，良好的交互性。低模的制作主要考虑物体大的形态、比例与结构，多采用标准几何体中的球体、圆柱、立方体、圆环等进行，根据经验或自己操作中的方便，合理的降低分段数，以便于造型的调节，后期转高模时会进行光滑，模型分段数会成倍的增加。

4.2 制作中摸

在低多边形模型基础之上，进行更多的细节表现，如门板上整排的钉子（图1）；根据原画中局部的高光光泽与分布，分析结构的倒角、转折，多次使用Inset（插入）与Extrude（挤压），制作圆边结构（图2）；通过添加线段与调形，表现出模型上面的破损（图3）；运用动态的、连贯的、符合逻辑的动画思维[5]去分析模型上看不清或被遮挡的结构，满足视觉逻辑（图4）；考虑门的闭合，坐标轴对应位置，轴心位置，枢纽的旋转与动作范围，为模型制作出适当的结构（图5）。

4.3 制作高摸

在道具与场景模型制作中，细节表现完成后，需要进行锁边（卡边），锁边是为了卡住结构，否则模型经过圆滑后，之前转折处的明显结构就会消失，锁边使用的方法主要是选择相应线段进行Connect（连接），调节锁边线与结构线的距离，得到丰富的细节，形成细致的高光（图6），因此，要求模型尽量为四边面，这样方便后面使用多种命令，提升操作准确度和速度。此外，在绝对的平面上，可以允许多条线集中在一点，针对这种情况，可以选择面Inset（插入）进行卡边。面对复杂结构，如有软有硬的物体，需要先添加隔断线，再调节质地柔软部分锁边的线，用Target Weld（目标焊接）命令，将锁边用的点与旁边的点进行粘接（图7）。

经过锁边之后的模型，需要进行圆滑，根据模型的需要设置细节级别，然后相同材质的部分进行塌陷。

4.4 制作法线贴图

在主要角色或者重点场景制作中，将使用三维软件制作的低模导入到Zbrush软件中进行细节雕刻，制作高精度模型，然后輸出高模信息，制成一张法线贴图。法线贴图实时生成新的、有光影变化的贴图，可使用精度较低的模型实时运算来尽可能逼真地模拟高精度模型的细节，用数万面呈现出接近数百万面的效果。

参考文献：

[1]曾芬芳.虚拟现实技术[M].上海：上海交通大学出版社，[1]1997.

[2]徐卫亚，孟永东，田斌等.复杂岩质高边坡三维地质建模及[1]虚拟现实可视化[J].岩石力学与工程学报，2010，29（12）：[1]2385-2397.

[3]《三维地理信息模型生产规范》CH/9016-2012.

[4]Marianne Krawczyk.游戏开发核心技术[M].北京：机械工[1]业出版社，2007.

[5]贾否.动画概论[M].北京：中国传媒大学出版社，2011.