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张程怡
摘 要 计算机图像技术及三维建模技术的不断发展，是三维游戏出现的重要原因之一。三维建模技术可以将现实中的物品和人在二维平面进行三维形态的模拟或再加工，达到将美术设计和计算机技术有机结合的效果，给人立体真实的感受。因此在三维游戏的制造过程中，三维建模技术得到了广泛应用。文章对三维建模技术的发展历程，三维建模技术在游戏中的运用原理进行了介绍，同时对于三维建模技术在三维游戏应用中仍存的问题及其发展趋势进行了研究和展望。
关键词 三维建模；游戏；CAD技术；场景建模
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2018)223-0149-02
随着计算机技术的发展和人们对于精神文化方面需求的增长，游戏逐渐成为人们所喜爱的一种娱乐方式，特别在年轻人中十分受欢迎。我国游戏市场规模也占据了全球超50%的游戏市场规模，游戏研发以及与之相关的游戏直播、电竞等多项行业都处于高速发展的态势之中。而在所有游戏中三维游戏以其自由度高和生动真实的特点脱颖而出，受到大众的喜爱。以绝地求生为例，从2017年3月发售至2018年2月，全球全部玩家总游戏时长已超27亿小时。随着三维游戏的流行，其创作过程中起到主要作用的三维建模技术逐渐受到越来越多的关注。可以说研究三维建模技术在三维游戏中的应用有着极其重要的现实意义。
1 三维建模技术的发展历程
计算机三维建模技术与计算机图形学关系密切，其核心是用计算机生成各种各样的三维图像。因其直观且接近现实的特点，三维建模技术被广泛应用于医学研究、零件设计、多媒体动画及游戏、地质研究等多个方面。回顾三维技术的发展历程，可以发现它起始于20世纪60年代，至今经历了多次改进。
1)初始——线框模型及曲面模型(20世纪60年代—80年代)。三维建模技术是随着CAD技术发展而发展的。在早期，CAD技术仅被运用于计算机平面辅助画图。直到60年代末，才出现了可以构造三维物体的线框模型。这时的模型使用点和线的关系来表示三维物体，没有面和边以及面和面的关系。线框模型被大量应用在工厂零件生产。虽然之后也被尝试应用于游戏，但制作出的游戏画面简陋粗糙，难以使玩家理解。为了改进三维建模技术，改进产生的曲面模型增加了面的数据，运用这种模型制作的三维游戏画面已有了较大的提升，但其中物体仍没有剖面、重心，惯性矩等数据。
2)首次改进——实体模型(20世纪80年代—80年代后期)。为了进一步提升三维建模的立体效果，实体模型技术在美国NASA的支持下被研发了出来。相比于曲面模型，实体模型具有完整性，如果你在实体模型的表面上挖去一块，它就会失去一个外表面，产生一个新的内曲面。而若在曲面模型的表面上挖去一块，模型仅会失去一块外表面。这就说明在设计实体模型时不容易缺少线或面，同时也使物体的实际特性在计算机界面得以表达，避免了不符合实际的设计产生。所以说这种模型在真实性方面比起之前的曲面模型又有了很大的进步。
3)再次改进——特征参数技术及变量化技术(20世纪90年代—至今)。90年代的计算机图形技术已渐趋完善，三维建模技术得以进一步发展。此时研发出来的特征参数技术，达到了高效设计模型的目的，被广泛运用于零件設计。其原理就是事先设置好不同模型的参数关系，运用数学中几何约束的方法来进行建模。特征化参数模型的效率和精确度无疑比之前更高，但留给设计师发挥的余地较小。而之后改进出现的变量化技术则给予了设计师较大的自由。变量化技术以特征参数技术为基础，首先确定必要的设计条件，之后就可以进行自由设计。变量化技术的特点可以概括为先考虑形状，后考虑尺寸，先满足设计需求，后考虑几何细节。
2 三维建模技术运用于三维游戏的原理
在将三维建模技术运用于三维游戏时，为了使得三维游戏拥有精美的画面与角色，人们会将三维建模技术与动作捕捉、物理引擎、渲染程序等结合使用。在制作三维游戏时可以将制作过程分为场景建模、渲染与后期、角色建模以及角色动作这四大部分。
1)场景建模。对于一个游戏来说，场景决定了游戏的大致风格，玩家所操纵的角色就在此活动。创建场景所需的第一步是规划。由于在三维游戏中场景模型和玩家所操纵的角色模型都占有空间，如果没有合理规划，角色模型会很容易被卡住影响游戏体验。接下来就是场景中物体的制作。较为规则的物体可以通过运用物理引擎或其他方式制作，再利用贴图赋予其性质，如纹理，材质等。最后再在其中确定质点、质量、性质等多个数据，物理引擎就可以自行模拟出看起来较为真实的物理效果。而火苗、烟花、云雾等非规则物体则可以用粒子系统来模拟，充分体现这些物体的随机性和动态性。
2)渲染与后期。为了让游戏画面更加接近真实，建模后还有关键的一步就是渲染与后期。在渲染时，首先必须确定多个角度，以确保玩家在游戏中可以调整视角，观看到多个角度画面。三维渲染软件一般会提供默认的4个角度的摄像机，其中透视图的摄像机基本遵循真实摄像机的原理，这样的渲染结果才会具备立体感。接下来还需通过确定物体的遮挡关系营造空间感。光的反射和折射使世间物体有了颜色，所以渲染程序是通过确定光源来观测透视图中的着色效果的。但与真实世界一般只有一个主要光源不同的是，在渲染时需要大量的辅助光源，不同材质物体的反射光和折射光也不同，所以还要输入物体材质以便计算投射出来的阴影的状态。如果场景中有粒子系统，渲染程序也需特别注意。后期的工作也十分的复杂，包括声音与动作的匹配等。
3)角色建模。在一个游戏中，非玩家控制的角色或代表玩家的角色都十分重要。Maya、3D？MAX都是常用的创造角色的三维建模软件。如果想要进行角色建模，首先要掌握基础素描，学习构图技巧等。学习基础透视理论，还需了解人体构造，了解骨骼和肌肉的关系，掌握骨骼与模型结构以及蒙皮技术等。
4)角色动作。在很多三维游戏中，角色需要有真实且丰富的动作，由于人们对自身的了解，对人体动作的模拟是一个复杂且困难的过程。在三维游戏制作中，运用传统的手动调节关键帧来创作角色动作的方式仍然发挥着比较重要的作用。目前动作捕捉技术也会被运用在角色动作创作中，一些较复杂但可反复使用的动作就可以借助动作捕捉技术。
3 三维建模技术的不足及发展趋势
三维建模技术在三维游戏中得到了较为广泛的应用，增强了玩家的游戏体验，然而在应用时三维建模技术仍存在下面两个问题。
1)在创作上，三维建模制作存在着制作耗时长和成本高的问题。造成这一问题的原因首先是建模师们为了使所创模型符合设定及游戏脚本，需要对模型进行多次修改。其次制作游戏角色动作也十分耗时和复杂，每一秒简单的动作都需要十几张关键帧。现在已经逐渐在采用动作捕捉自动化技术结合三维建模技术来弥补手动调节关键帧的繁杂。但是如果要完成怪物角色的动作、动物角色的动作等，就需要请专门的动作捕捉演员，也是十分麻烦的。而最后的渲染与后期会更加复杂。进行渲染时不仅需要很长时间，同时也需要大量的人力物力。
2)还需要注意三维游戏所需内存大，所需配置高的问题。虽然三维游戏给予了玩家相比于二维游戏更高的自由度，但受限于其复杂的模型，三维游戏可达到的最高精细度并不高。同时如果三维游戏想达到画面的精细度和分辨率更高的效果，那么它对所需的内存和运行设备要求也更高。随着在未来手機游戏的主流化，怎样利用有限内存与简单设备配置展现三维游戏的精致画面可能会成为三维建模技术的未来研究方向之一。
相比于现在三维建模技术多用于客户端三维游戏的情况，未来将会出现大量运用三维技术在网页游戏和手机游戏呈现三维画面的局面。目前网页游戏还未广泛使用三维画面，由于三维技术的应用使网页游戏更加具有表现力和吸引力，无疑会成为页游发展的新的突破口。同时页游所具有的简便快捷的特点也会促进三维建模技术在页游上的运用。手机游戏也将会由于其便携，随时可以进行的特点，得以在未来获得不断扩大的市场。与此同时，伴随其市场的扩大，三维建模技术在其中的运用也将更为普遍。
4 结论
本篇文章对于三维建模技术的发展历程进行了简单的介绍，包括线框模型及曲面模型、实体模型和特征参数技术及变量化技术。同时文章还对于三维建模技术在游戏中的运用原理的四个步骤进行了概括性的介绍。最后对于三维建模技术在应用中仍存的问题和未来的发展趋势进行了总结和展望。可以预见，随着计算机图形学的发展以及动作捕捉技术等相关技术的发展，三维建模技术在三维游戏的运用也将更加完善和便利。并且，随着未来游戏市场的不断繁荣，三维游戏也会具有更加广阔的发展前景。
参考文献
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