虚拟现实引入次世代建模技术的可行性分析

卞妍

（四川信息职业技术学院数字艺术系，四川 广元628017）

虚拟现实这一新兴产业，是20 世纪全新的实用型技术，应用领域非常广泛。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR 技术的需求也日益旺盛，当前在虚拟现实领域的从业人员大多是从程序员转变而来，其作品在交互体验等技术方面已逐步趋于成熟，但视觉效果缺乏真实感，尤其是建模技术与效果的“现实”感不足以使人“沉浸”。当前的次世代技术则是极具真实感的人工智能仿真模拟，以打造产品级高品质模型为主，它的出现打响了高科技产业发展的电子信息革命，是未来建模技术之主流。虚拟现实能否引入次时代技术，以此来提升视觉上的沉浸感呢？

1 虚拟现实建模技术分析

虚拟现实，即虚拟与现实的结合。利用虚拟的仿真系统，生成模拟环境，使用户沉浸该环境中体验到与现实世界难辨真假的真实性，同时它还融入了人类所拥有的听觉、视觉、触觉等感知功能，使其有种身临其境的意境。人机交互的实现，可以让使用者随意操作并得到环境最真实的反馈，它的沉浸性、交互性、感知性、构想性等特征让其受到了更多的关注。

在虚拟现实场景中，环境搭建是整个虚拟现实系统建立的基础。当前，以网络互联网为基础的虚拟现实场景搭建技术，可划分为两个范畴：三维模型为基础的3D 建模技术、图像为基础的三维全景技术。

1.1 三维模型为基础的3D 建模技术

3D 建模技术就是使用三维制作工具通过计算机图形学原理构建出具有虚拟空间的三维数据模型。三维建模技术中又可分为：几何建模、运动建模、物理建模等。

（1）几何建模

几何建模分为形状建模和外观贴图，是静态的三维建模基础。

①形状建模。采用点、线、面来构建三维物体，表现出物体的外表轮廓关系。其中心思想就是用网格关系来模拟曲面关系，这些网格通常由三角形、四边形或者其它的简单的多边形组成。虚拟现实模型对面数有一定的要求，一般不会太高，主要以体现模型轮廓外观及结构关系为主。几何多边形建模是最基本的模型建立方式，也是现在通用的建模方法之一，任何物理自然界存在的东西都可以用几何建模实现。

②外观贴图。在形状之上对外表质地特征的表现，即颜色纹理表现。把物体的颜色、纹理按照特定的方式映射到物体模型网格表面，使其看上去更真实，最终形成模型的图形表面。一般采用真实照片材质、色彩绘画的方式来呈现。

（2）运动建模

几何建模是反映了虚拟对象的静态特性，而运动建模则表现的是虚拟对象在虚拟世界中的动态特性。有关对象位置变化、旋转、碰撞、伸缩、手抓握、表面变形等方面的属性就属于运动建模，此类建模技术多在引擎效果中结合编程的方式呈现。

（3）物理建模

物理建模是根据物理特性，如重力、惯性、表面硬度、柔软度、变形模式等，将其与几何建模相融合，形成更具有真实感的虚拟运动环境。让用户就能够真实地感觉到重量、硬软程度、物体的变形等。粒子系统是典型的物理建模，和运动建模一样，需要在引擎中结合编程方式呈现。

1.2 图像为基础的三维全景技术

三维全景技术是一种桌面虚拟现实技术，并不是真正意义上的3D 图形技术，是利用实景照片建立虚拟环境，按照照片拍摄->数字化->图像拼接->生成场景的模式来完成虚拟现实的创建。全景技术是虚拟现实技术的一个分支，基于静态图像的虚拟现实技术，将相机环360°拍摄的一组照片拼接成全景图像，用专用的播放软件在互联网上显示，让使用者能用鼠标控制环视的方向，可左可右、可近可远观看物体或场景。通过对全景照片或者全景视频添加交互操作，实现全方位互动式观看真实场景的还原展示，自由浏览，以VR 的方式体验全景世界。

2 二游戏次世代建模技术分析

游戏产业历经了由2D 到3D 的跨越，建模技术已从三渲二逐步发展到次世代技术。次世代游戏的到来，掀起了技术和美术的浪潮，使游戏行业向前迈进了一大步，是未来游戏的发展趋势。次世代技术依靠最先进引擎技术和渲染技术，创作出精美逼真的画面、实时的光影运算和震撼的视听感受，带来极佳的沉浸式体验，将艺术与数字技术高度融合，让游戏画面有了堪比电影级别画质的飞跃发展，成为未来技术主流。

次世代建模使用的是几何多边形建模技术，相对于传统的游戏建模技术来说增加了模型和贴图的数据量，并使用次世代游戏引擎来改善网络游戏的画面效果，使网络游戏也能够达到平台级别游戏的电影级画质。其关键技术主要为：

（1）模型技术

采用几何多边形网格方式生成模型数据，制作过程繁琐且严格。首先需要制作出物体的大体轮廓和结构关系，面数多以低或中级模型表现为佳。然后在3dmax/maya 软件中通过卡线或采用ZBrush 软件雕刻的方式来生成模型的高精细度表现（即制作高模），最大承载量的在高级模型上做到逼真性。

（2）贴图技术

随着模型的精度升高，就会导致整体资源的耗费，从而降低运行速度。为了解决此项问题，次世代建模使用了高低模型之间的互转机制，即使用法线烘焙来处理模型的细节保留及优化问题。法线贴图就是用应用到三维模型表面的特殊纹理，通过记录高模物体表面细节的凸凹变化，然后以贴图的方式回贴于低模之上，使其拥有和高模细节一致的效果表现。法线贴图是次世代技术与传统建模相比最为凸出的革新技术，改变了模型的传统制作流程。

除了保留高模细节的法线贴图外，次世代技术中还增加了颜色贴图、金属度贴图、粗糙度贴图来表现该模型的颜色、表面纹理、光照条件下的材质质感等。采用高清真实的素材进行叠加运算处理，运用实时光照烘焙处理材质质感及细节表现，模型与贴图的组合将空间关系中的各种微妙细节都得以高度呈现。

（3）引擎技术

在项目的开发中，整体可分为游戏引擎和游戏资产两大部分。引擎是最为核心的部分，是游戏的心脏。游戏引擎提供了各种编写游戏所需的各种工具，依靠程序代码进行控制，并且它还容纳模型、材质、、灯光、动画、特效、物理系统、运动系统、碰撞检测等一系列内容的集合与最终运行，是游戏开发环节中的最后一环。当前在次世代游戏平台中最常见的引擎主要有虚幻4（简称UE4）和Unity3D。

3 虚拟现实与次世代建模技术异同点

3.1 相似性

虚拟现实虽运用于游戏、教育、医学、房产、军事等众多领域，涉及到模型制作的部分，其建模的方式与游戏建模制作过程有较多的相似性。

（1）模型生成

在对两者之间建模技术的分析中，它们在静态模型的制作表现中，皆采取的是几何多边形的建模方式，使用到的建模软件以Maya 或3Dmax 为主。主要依靠几何体多边形的点线面关系来生成物体的轮廓关系，对模型的结构与细节表现有一定的要求，外观表现都需使用纹理贴图实现。

（2）优化运行

资源优化是项目开发中的重点环节，优化不佳，则会导致项目在网络运行中的环境变差，最直观的表现就是卡机。所以两者在项目研发过程中都会出于对硬件设备支撑性的考虑，在各个环节中进行资源的优化。模型制作过程中资源节省的方式就是依靠减低模型的面数来控制损耗。所以，不论是虚拟现实还是游戏次世代建模，最终所运用的模型都是低面模型。

（3）引擎运用

虚拟现实和游戏开发环节中，它们在引擎的采用上几乎一致，都使用的是当前市场主流引擎开发工具虚幻4（简称UE4）或unity3D。

3.2 差异性

虚拟现实建模和游戏次世代建模的差异性，主要体现在模型的制作流程方面。当前虚拟现实建模的方法与传统的游戏建模方法相类似，以低模+颜色贴图的方式呈现，主要以体现模型外观轮廓为主。这种方式所制作出来的模型在精细度、材质真实度上都严重欠缺，这也是导致市场中虚拟现实产品画面缺乏仿真性，不足以让人沉浸的主要原因。其具体的差异点如下：

图2 虚拟现实与次世代模型差异性

4 结论

通过以上对两者建模技术的梳理及对比得出，虚拟现实引入次世代建模技术是完全可行的，主要有几点：

4.1 不论是虚拟现实还是次世代建模，最终都是以低级模型来进入引擎完成资源优化整合，并不会影响因模型面数过多导致的资源损耗问题。

4.2 两者采用的引擎几乎无太大区别，皆能较好的支撑次世代贴图材质的应用效果，通过实时的光照渲染，让高模细节和材质真实性完美呈现，虚拟现实建模技术升级改造的空间是完全存在的。

当前的虚拟现实产品中，次世代技术未被引入的原因在于行业技术开发者在进行虚拟现实产品的开发时，存在于两种偏向。一种是偏向于人机交互为主的内容开发，注重于传感技术、人工智能的交互体验，市场中的这一类虚拟现实开发公司占据大比例。而另一种是偏向于三维虚拟环境的模拟，主要运用计算机图形学、多媒体技术的视觉效果仿真性的内容开发，但由于客观因素，其仿真性的视觉呈现是明显是不足的。

总的来说，开发者们更偏向于交互沉浸式的技术研究中，而忽略模拟环境的仿真感，但逼真的三维场景是产生沉浸感和真实感的先决条件，模型质量的优劣关系到整个虚拟系统的成败，没有高质量的仿真虚拟环境，又怎能让虚拟现实得以真正含义上的体现呢。