可编辑多边形在三维游戏场景建模中的应用——以歇山建筑为例

葛田

（芜湖职业技术学院，安徽 芜湖 241006）

自20世纪90年代起，《完美世界》《第四世界》等系列游戏开启了中国自己的三维游戏时代。随着我国经济的不断发展，中式风格的游戏（如著名的《仙剑奇侠传》系列游戏）逐渐进入大众市场。一款三维游戏的诞生包含了从原画设计、关卡设计、游戏角色与模型构造、烘焙材质、灯光渲染、线下线上测试到正式运营等环节。模型设计主要包含角色设计、室内外场景建模。其中，场景设计决定了一款游戏整体的风格走向，出色的场景设计可以突出游戏的美感和角色的情感，提升对新老用户的吸引力和重玩率，总之可以提升整个游戏的价值。场景模型中精准的面数控制能够增强游戏的流畅度，降低游戏在不同设备上的卡顿风险。不合适的场景建模会在第一时间降低用户的体验感，影响游戏整体的销售和口碑。游戏场景设计在一款游戏中的重要地位可见一斑。

目前，市场上的三维建模软件种类繁多，有C4D、3DS Max、CAD软件，等等。有的软件偏重于机械类工业建模如CAD，有的软件偏向于3D动画广告制作如C4D，而3DS Max软件对建筑模型和室内设计更加得心应手，同时它在游戏广告、VR虚拟场景建设方面都有不俗的表现。3ds Max软件有种类丰富的修改器和插件,其中的可编辑多边形和可编辑网格工具都是游戏场景建模中不可或缺的工具。可编辑网格是早期比较成熟的三边建模工具，它将模型最小的面定义为“三角形”，包含顶点、边、面、元素和编辑几何体工具。网格建模的优点在于所建立的模型消耗内存小，非常适合网络游戏的内存要求，但网格算法在性能上逊色于可编辑多边形，也没有那么多灵活的附加工具。可编辑多边形的基础参数除了顶点、边、多边形元素外，还包括边界参数。顶点层级包含移除和断开点、将点切成面的切角和消除无用顶点的目标焊接等命令。边层级比较重要的工具是连接、切片平面和切割，可以帮助设计师快速得到想要的边面形状。边界层级多用来修补建模时的漏洞，可编辑多边形层级的轮廓、倒角等工具都是对面的细化处理命令。除此之外，附加命令还包含细分曲面、细分置换和绘制变形等工具。可编辑多边形最小面是“四边形”，基本面可以是任意多边形，所以能灵活地处理模型的各种细节。同时还内嵌了NURES曲面，可以在可控点数不变的基础上对对象进行网格平滑处理。从理论上来说，任何实体或幻想物都可以使用可编辑多边形创建。所以目前最常见的建模方式是先用可编辑多边形完成游戏模型，导出时再转化为可编辑的三角网格文件。

游戏场景建模对象包含建筑模型和其他所有非建筑模型，包括山川、河流、岩壁、室内室外物品等。一个三维场景的建模遵循以下流程与规范：首先确定该款游戏的大体风格，收集类似场景建筑的资料。资料包括但不限于建筑物的年代背景、尺寸、建筑材料、建筑装饰等内容。其次确定游戏场景的尺寸与相对比例，整个流程从使用手绘原画或CAD软件完成模型的图纸设计开始，其中建模必须以软件世界坐标“0”为中心点。然后使用可编辑多边形构建低模并按照需求细化为高模。模型完成后进行贴图的制作、烘焙。最后完成场景模型的整合塌陷，即删除一切对该模型无用的功能性操作，以此减少内存的消耗。最终完成场景建模并导出为三角网格文件。后期还要进行平台修改测试，完成游戏上线。特别需要注意的是，建模时对模型布线的计算应该尽量控制面的数量。根据游戏场景的复杂程度和游戏引擎的技术特点，一个屏幕内的面应该控制在500到8 000个，同时尽量减少无用三角面和无用顶点的产生。这样既方便了后期UV的调节又能减少引擎渲染的时间，提高玩家的游戏体验感。

人类的文明史总要提及中国的长城、埃及的金字塔、印度的泰姬陵，可以说一个国家的古建筑最能显现这个国家的文明和智慧。古代建筑的发展往往也体现了当时的生产力发展水平，中国古代建筑历史悠久，具有其独特的造型和布局，虚实相生，动静结合，反映了我国古代劳动人民极高的建筑技巧和艺术水平，是民族的文化瑰宝，是历史研究的实例物证。哪一个时代出现什么样的建筑结构和建筑材料都会在历史上留下痕迹。例如建筑工匠们早在三千年前就能基于框架结构制作如飞翼一样的屋顶，远在汉朝时期，悬山、硬山、歇山、庑殿、攒尖五种中式屋檐结构就已经基本成熟。北宋颁发的《营造法式》就是研究土木工程的早期法典文本。清朝雍正十二年官方颁布的《工程做法则例》详细介绍了悬山、歇山、庑殿等大木做法。其中悬山顶与歇山顶建筑是最为常见的古建筑屋顶构造方式，如图1所示。

图1 悬山与歇山建筑

悬山顶又名挑山顶，是典型的民间建筑，也是清朝时最常见的民间建筑，规格上低于歇山，主要的特点是仅有一道正檐，屋檐超出墙体，以防止雨水淋湿山墙，两头山尖还可以做出镂空的形状，用来交换室内空气。歇山建筑等级高于悬山，歇山建筑会用在建筑体量比较大、比较重要的场合。与悬山屋顶的直上直下相比，歇山顶有九条屋脊，最明显的特征是正脊到四角屋檐处拆断一次，好像歇息了一下，故名“歇山”。歇山建筑庄重中又带有独特的俏丽，大到楼阁殿宇、小到水榭廊坊都可以使用，所以在游戏场景中多用于亭台楼阁的建模，是中式游戏中最实用的模型。歇山建筑建模时将建筑整体分为上中下三个部分。上部为歇山屋顶，中部为屋体，下部为基座露台，地面到屋体台面有台阶。歇山的屋顶是区别于其他中式建筑模型最显著的部分，正脊两端常伴有龙吻、鸱尾或花饰、雌毛纹头，在游戏场景建模中常会简化出现。屋顶是整个歇山建模环节中最关键的部分。

游戏场景模型的创建首先是要确定游戏的模型与正常建筑的比例，建模时比例必须保持一致。单位统一为米。3DS MAX中单位设置有两个，一个是系统单位，一个是显示单位，两者应该统一。模型制作过程一般从大到小，从整体到细节。歇山建筑建模可以从最重要的屋顶部分着手，在3DS MAX软件中选择标准体平面建模，顶视图创建一个长度1.5 m，宽度0.8 m的plane，plane长度分段2，宽度分段3，这样划分的目的是为了方便后面顶点的移动。转化为可编辑多边形后选择可编辑多边形的点元素，移动顶点，将顶点排列焊接成一道屋脊、四个角的形状。用移动工具将中心顶点沿着Y轴升高0.15 m，这时我们可以得到一个悬山的山顶。接下来为了将屋顶设计为歇山制式，需要在可编辑多边形工具中选择屋顶四角边元素，利用附件编辑几何体的切片平面，将屋脊从上至下一分为二，调整顶点位置完成屋脊前后大坡檐、两侧小坡檐的设计。屋檐有屋顶四边沿线的制作，选择边线，新建图形后打开渲染视口设置，将原本的二维样条线编辑成厚度为0.2 m、边数为3、角度为90°的3D屋檐，如图2所示。

图2 歇山屋顶制作

选择屋顶最下面的一圈边线，通过连接复制命令制作出向内倾斜类似斗拱的几何体，继续沿边线向下挤出长方形屋体，如图3所示。屋体最下面的面属于不可视的部分，应该予以删除。之后根据图纸完成屋体的细节部分，如廊柱、大门、窗户等元素，其中所有不可视的面都应该删除，以减少不必要的面数。

图3 屋体制作

基座由露台和台阶两个部分组成。其中露台的制作使用屋体的下边沿线，利用shift连接复制命令拖拽出露台的平面。沿着y轴继续向下复制，制作露台的高度。选择露台正面上下两条线，添加连接两次，留出台阶的面积，并删除多余的面。在露台中间加入的台阶可以由二维样条线制作而成，在左视图制作台阶横截面，添加挤出修改器制作出台阶模型。图4为完成后模型。

图4 歇山模型完成图

场景的面数一般是以三角面来计算的，我们在三维软件中制作的可编辑多边形为四边面。所以在导出前需要将模型塌陷为可编辑网格。通常网络类游戏对面数的限制比较高，所以多用简模，单机类游戏会更偏向高精模型。精简模型的面数一般采用以下几种方法：（1）删除不可视的面。（2）减少模型的数量。（3）降低模型的密度。（4）用贴图代替精模。以文章中的建筑为例，从歇山顶到露台底部应该中空。廊柱靠墙的面、台阶背面和底面都应该删除。如果面数还是超出要求，可以直接用简模代替精模，建筑体上细节部分由贴图代替模型，如图5所示。对于简模来说，模型的好坏取决于贴图的质量。

图5 简模

利用可编辑多边形及其附加的工具制作既有真实性，又有艺术性的场景模型，是游戏创作中不可或缺的重要部分。而游戏场景的面数也并不是越少越好，它的数量最终取决于游戏的性质和引擎的技术。游戏设计师只有控制好模型数量、场景面数和场景贴图的质量，后期游戏运行中的卡顿现象才会少出现或不出现，从而更好地利用场景为游戏服务。中国古建筑是中华民族文化的象征，是世界建筑史中无可比拟的珍宝，是仿古模型的主要对象。众多游戏设计师之所以选择仿古中式模型是因为它在游戏场景中具有很重要的表现力：用建筑交代游戏的时间与空间，用场景和材质烘托游戏角色的情绪氛围。中式风格的三维游戏场景创造了一个中国风的虚拟世界，使更多热爱中国历史的玩家产生共鸣。随着我国游戏市场的不断壮大，中式风格的三维游戏市场前景会更加广阔。