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概要

過去十年，電子游戲中的角色模型和環(huán)境質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，這不僅是因為游戲設(shè)備硬件的升級，更是因為攝影測量等數(shù)字化過程的應(yīng)用。利用這一技術(shù)，我們可以創(chuàng)建出逼真的世界，為全球不斷增長的玩家隊伍提供前所未有的沉浸體驗。熟悉攝影測量的人都知道，這項技術(shù)能高效采集目標(biāo)物周圍的各種圖像，并將其整理轉(zhuǎn)化為紋理質(zhì)量高的3D模型。但這項技術(shù)究竟是如何應(yīng)用于游戲行業(yè)的呢？我們將在本文深入探討這一問題，內(nèi)容涉及工作流程步驟以及三維掃描代替現(xiàn)有技術(shù)的可行性。

所介紹的掃描儀

Artec Leo、Artec Eva、Artec Space Spider、Artec Ray、Artec Micro

攝影測量的應(yīng)用場景

電子游戲的道具和環(huán)境數(shù)字化、制作紋理和損壞模型、制作逼真圖像

推薦軟件

Artec Studio、PhotoModeler、SpeedTree、RealityCapture、Agisoft Metashape

簡介

正在智能手機上玩的電子游戲

在我們探討應(yīng)用場景前，先回答一個問題：什么是攝影測量？

簡單來說，攝影測量就是指從不同角度拍攝目標(biāo)物的重疊圖像。通過識別圖片中的相同點位，確保相機定位、焦距、失真度一致的前提下，就能得到目標(biāo)物的坐標(biāo)，通過三角測量法定位物體在三維空間中的位置，并復(fù)制成3D模型。

在電子游戲中，攝影測量正被越來越多地用于道具、位置、人物人臉的采集，以融入游戲。有了這項技術(shù)，開發(fā)者不僅可以通過逼真的畫面來構(gòu)建世界，還能節(jié)省大量時間，避免繁瑣冗長的手動操作。

在采用攝影測量法之前，平面設(shè)計師往往需要從零開始創(chuàng)建3D資產(chǎn)。在這個過程中，他們不得不做出妥協(xié)，尋找美學(xué)與游戲效果、交付時間的平衡點。

傳統(tǒng)的“白盒”設(shè)計方式需要隨著游戲進展不斷測試編碼，而且，在整個項目開始前，無法對系統(tǒng)進行完全評估，這樣一來，也會造成疑慮。相反，若使用攝影測量法，工作室就能捕獲并上傳模型，提前創(chuàng)建一個世界“套件”。這有助于開發(fā)人員做好準(zhǔn)備，按時交付。

接下來，我們將根據(jù)開發(fā)人員采取的步驟進行一一解讀。我們還將深入介紹每個步驟可以采用的不同技術(shù)，并評估各項技術(shù)的潛在優(yōu)勢。

攝影測量法如何應(yīng)用于電子游戲？

圖形保真度和開發(fā)周期是把握當(dāng)今游戲行業(yè)成功的關(guān)鍵要素，采用攝影測量的優(yōu)勢顯而易見。因此，這項技術(shù)正快速成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但整個流程又是如何進行的呢？

正如其他攝影測量的應(yīng)用一樣，首先，需要從不同角度、按線性或矩陣模式采集物體，每張圖片需要和下一張部分重合。采集物體時，開發(fā)人員可以選擇從360度廣角拍攝開始，然后再近距離捕捉精密細節(jié)。但一般來說，使用遠距設(shè)備會更容易，它們更適合這類應(yīng)用。

應(yīng)用于電子游戲行業(yè)的攝影測量技術(shù)。圖源：smns-games.com

即便如此，這個過程還是說起來容易做起來難，許多游戲工作室必須避免一些潛在問題，才能做出形狀和比例恰當(dāng)?shù)耐暾Ｐ?。首先，開發(fā)人員需要考慮他們計劃使用的設(shè)備。如果使用高分辨率相機，他們就必須確保相片畫面重疊。

但是，如果使用光探測和測距（LiDAR）設(shè)備，則還需考慮物體基材。如果是逆反射材料，物體表面就能把光線反射至掃描儀接收器，將信號損失降低。反之，如果目標(biāo)物表面光滑或不透明，那么操作起來就會麻煩一些。

要點

攝影測量長期用于測繪，以繪制地形圖，現(xiàn)在也能作為電游開發(fā)者的得力工具，用于創(chuàng)建三維環(huán)境。

一旦開發(fā)人員解決了這些問題，獲得了重疊部分的數(shù)據(jù)，隨后就要進行處理，首先使用的是Adobe Photoshop這類程序。在此過程中，他們會調(diào)整光線和陰影，讓模型的色調(diào)符合游戲整體色調(diào)。色彩校正后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至RealityCapture等程序，將圖片對齊成點云，再轉(zhuǎn)換成帶紋理的3D網(wǎng)格。

模型之后會“再次拓?fù)洹?，這一過程中，模型的多邊形數(shù)量減少，便于在游戲中渲染。待存儲于3D網(wǎng)格的信息被烘焙成紋理文件后，就能對表面進行多種方式的微調(diào)，使其更逼真。

您可以結(jié)合“遮蔽”功能，增加諸如陰影、磨損等視覺效果，甚至還能使用應(yīng)用或紋理貼圖，更好地模擬物體幾何，隨后再導(dǎo)出至虛幻引擎等熱門游戲引擎。

電子游戲中的攝影測量實例

攝影測量本身也是一項不斷發(fā)展的技術(shù)，它并非橫空出世。這項技術(shù)長期以來被應(yīng)用于質(zhì)控、測繪等領(lǐng)域，直到最近，才開始在電游領(lǐng)域嶄露頭角。位于瑞典的游戲開發(fā)者DICE是首個真正擁抱攝影測量技術(shù)的大型工作室之一，負(fù)責(zé)在2015年重啟大受歡迎的《星球大戰(zhàn)：前線》系列。

當(dāng)時，游戲發(fā)布時間緊，游戲幀數(shù)要求達到60 FPS，此外，DICE還需掌握新一代游戲控制臺，因此，這段開發(fā)經(jīng)歷充滿挑戰(zhàn)。但是，工作室仍然需要創(chuàng)造一個忠于原型的真實世界。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，開發(fā)人員深入研究檔案，從最初的《星球大戰(zhàn)》電影中尋找道具，隨后再用攝影測量法進行3D建模。

DICE《星球大戰(zhàn)：前線》電子游戲中的人物。圖源：battlefront.fandom.com

使用這種方式，與前作《戰(zhàn)地4》相比，DICE能夠?qū)⒚總€資產(chǎn)數(shù)字化的時間降低一半以上。此外，工作室還能開發(fā)由星球大戰(zhàn)的道具、角色模型、場景組成的“關(guān)卡建筑套件”，這將成為游戲的基礎(chǔ)。DICE還發(fā)現(xiàn)，新技術(shù)建立的一套工作流程，能幫助他們在內(nèi)部交付日期前提前完成。

DICE開發(fā)人員技術(shù)創(chuàng)新后的成果首次曝光以來，其他知名電游也開始采用了類似方式。2019年，Infinity Ward重新推出了《使命召喚：現(xiàn)代戰(zhàn)爭》系列，他們發(fā)現(xiàn)可以使用攝影測量法收集數(shù)據(jù)，進行“平鋪”處理，以提高表面細節(jié)的分辨度。

要點

攝影測量不僅可以用來構(gòu)建廣闊的3D環(huán)境，還能用來構(gòu)建環(huán)境中的各個部分，如道具、樹葉、角色模型。

隨著新游戲的不斷開發(fā)，工作室不斷嘗試探索。在某些案例中，工作人員甚至掃描了團隊成員，作為尸體模型的基礎(chǔ)，開發(fā)人員還使用無人機掃描儀捕獲大環(huán)境。攝影測量技術(shù)加快了道具、場景、槍支、車輛、角色模型的制作速度，讓我們看到這項技術(shù)在電游領(lǐng)域所發(fā)揮的作用。

適合電游的攝影測量軟件

我們在上文提到了RealityCapture，但除此之外，還有其他合適的攝影測量軟件，也能幫您制作用于電游的高精度3D模型。例如，業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的電游開發(fā)商Electronic Arts使用PhotoModeler。軟件中的“Idealize”（理想化）功能，可以在處理過程中解決鏡頭扭曲問題。據(jù)了解，該操作可輕松創(chuàng)建清晰的游戲和動畫背景，和原型更接近。

該程序還具有自動點云生成算法，能生成帶有精準(zhǔn)紋理的模型，還能以常用的CAD格式導(dǎo)出。盡管如此，這款程序并非為攝影測量量身打造。因此，和競品不同，這款產(chǎn)品沒有照片至實體的自動工作流程。

RealityCapture中的汽車攝影測量技術(shù)

對于想制作高質(zhì)量數(shù)字化場景的開發(fā)商來說，Unity推出了SpeedTree。這款軟件通過3D藝術(shù)工具和程序生成算法，能制作出栩栩如生的植物效果。因此，被Bungie和Ubisof兩家老牌游戲開發(fā)公司看上，也不足為奇。

同樣，Agisoft推出了Metashape，這是一款3D模型編輯軟件，能處理近距和遠距捕獲的復(fù)雜圖像數(shù)據(jù)。雖然相較于游戲領(lǐng)域，這款軟件被更多地用于研究、測繪、國防領(lǐng)域，但其中的自動標(biāo)定和多鏡頭配置，對數(shù)字化復(fù)雜物體、創(chuàng)造大型三維環(huán)境來說，頗具吸引力。

然而，使用目前這些攝影測量軟件包也有一些缺點。許多產(chǎn)品采用分層營銷，也就是說，在某些情況下，用戶必須要升級軟件才能使用某些功能。而有些產(chǎn)品缺乏某項功能。這就提高了新用戶的準(zhǔn)入門檻，他們需要了解自己的項目需要哪些補充軟件包。

經(jīng)典電游《毀滅戰(zhàn)士》系列中攝影測量制作的怪物馬庫巴斯

如果您需要功能更廣泛、更易獲得的軟件，不妨試試埃太科三維推出的Artec Studio。這款軟件通常用于處理三維掃描儀采集的數(shù)據(jù)，其新版本Artec Studio 17加入了一系列給力的功能，可優(yōu)化3D模型的效果。

該軟件的自動模式能根據(jù)用戶在復(fù)選框輸入的信息，挑選有效的數(shù)據(jù)處理算法，對新手而言無比簡單。Artec Studio的相片配準(zhǔn)算法使用高分辨率相片制作紋理，可提升模型色彩清晰度。

要點

軟件對3D環(huán)境的打造至關(guān)重要，選擇的軟件往往決定了游戲中圖像整合與呈現(xiàn)的方式。

更重要的是，利用平臺的比例算法完成對齊，用戶可以基于幾項關(guān)鍵幾何特征，將任意比例的三維模型與目標(biāo)物體對應(yīng)。在為沒有參照的攝影測量模型貼圖時，此功能就顯得十分方便，因為這類模型通常不合比例，表面也沒有太多細節(jié)。

總之，配合埃太科掃描儀后，這些功能簡化了數(shù)據(jù)采集到轉(zhuǎn)化生成模型的過程，無論是用于檢驗、逆向工程，還是電游、動畫、CGI開發(fā)。

替代之選——三維掃描

盡管攝影測量已被認(rèn)為是一款得力的電游建模工具，但該技術(shù)仍存在一定局限。3D資產(chǎn)的準(zhǔn)確度取決于捕獲目標(biāo)物的相機分辨率。多變的天氣加上標(biāo)定、角度、重疊等問題，都有可能導(dǎo)致模型缺乏細節(jié)。此外，重疊圖像的捕獲和合并常常需要消耗大量時間。這些問題不禁讓我們思考：是否還有更高效的3D建模法？

《第三次世界大戰(zhàn)》：Artec Studio和Space Spider掃描完成的后期角色開發(fā)，Glock 17手槍由Artec Space Spider掃描，臉部由Artec Leo掃描

那些希望提升電游3D模型創(chuàng)建速度的開發(fā)者，不妨考慮采用三維掃描技術(shù)。像Artec Leo一類的前沿設(shè)備掃描速度高達40幀/秒（無配準(zhǔn)模式），十分驚艷，為攝影測量用戶提供了一項提速方案。

過去，The Farm 51工作室早已實現(xiàn)了提速。開發(fā)人員同時使用Leo和另一款三維掃描儀Artec Space Spider，創(chuàng)建了逼真的《第三次世界大戰(zhàn)》游戲模型。事實上，和過去采用的攝影測量法相比，他們現(xiàn)在可以在短短幾小時內(nèi)為在線射擊游戲生成每個角色、車輛、武器的模型。

《第三次世界大戰(zhàn)》游戲設(shè)置和Artec Leo顯示的早期角色開發(fā)形象

大名鼎鼎的Xbox電游《地獄之刃》也采用埃太科三維掃描制作全身3D模型。這款游戲借助微軟旗下工作室Ninja Theory的動作捕獲技術(shù)，制作的主角Melina Juergens副本讓人眼前一亮。得益于Artec Eva出色的靈活度和準(zhǔn)確度，開發(fā)者不僅可以讓人物角色更為逼真，還能讓角色的皮膚和肌肉運動與真人別無二致。

如今，物體大小也不再是3D建模的難題。有了Artec Micro，您可以為小微物體制作數(shù)字模型，細節(jié)捕獲分辨率高達0.029毫米，隨后即可將這些細節(jié)加入游戲。反之，遠距掃描儀Artec Ray曾被用來三維掃描整架救援直升機。這項技術(shù)正不斷擴大自己的應(yīng)用領(lǐng)域，我們?yōu)楹尾挥盟鼮樘摂M世界制作汽車模型呢？

正在接受Artec Leo三維掃描的MD-902直升機及部分3D模型

還不想徹底放棄攝影測量法？沒問題。在某些情況下，攝影測量結(jié)合三維掃描剛好可以滿足您的需求。Artec Studio 17方便用戶將高端相機拍攝的相片與三維掃描合并。用戶可以利用軟件的相機紋理功能，為模型添加更加真實的色彩數(shù)據(jù)。

結(jié)論

從上述描述的實際應(yīng)用來看，攝影測量和三維掃描都能明顯推進游戲行業(yè)的設(shè)計邊界。目前，掃描技術(shù)制作的大片采用的3D平臺略有不同，所以還沒有萬能的解決方案適用于任何電游模型的制作。

相反，每個工作室都有很多軟硬件包的選擇，有些是專為游戲開發(fā)而設(shè)計，而有些則適用于其他領(lǐng)域。在做取舍時，游戲開發(fā)者需要考慮游戲創(chuàng)建的環(huán)境類型、虛擬世界中物體的圖形保真度等因素。

幸運的是，對這些開發(fā)人員而言，攝影測量和三維掃描在游戲行業(yè)的應(yīng)用越來越普及，這促成更多產(chǎn)品的涌現(xiàn)，能滿足不同需求。實踐告訴我們，這項技術(shù)能如實復(fù)制各類形狀和尺寸的物體，數(shù)據(jù)可上傳、可調(diào)整，還能整合至虛擬世界，加快全新頂級游戲的開發(fā)，頗具吸引力。

所以，攝影測量和三維掃描在游戲行業(yè)的應(yīng)用遇到了令人振奮的契機。我們很期待不久的將來，這些技術(shù)能持續(xù)推動該行業(yè)實現(xiàn)突破創(chuàng)新。