概要

過(guò)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備硬件的升級，更是因為攝影測量等數字化過(guò)程的應用。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(cháng)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)能高效采集目標物周?chē)母鞣N圖像，并將其整理轉化為紋理質(zhì)量高的3D模型。但這項技術(shù)究竟是如何應用于游戲行業(yè)的呢？我們將在本文深入探討這一問(wèn)題，內容涉及工作流程步驟以及三維掃描代替現有技術(shù)的可行性。

所介紹的掃描儀

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

攝影測量的應用場(chǎng)景

電子游戲的道具和環(huán)境數字化、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(jiǎn)介

正在智能手機上玩的電子游戲

在我們探討應用場(chǎng)景前，先回答一個(gè)問(wèn)題：什么是攝影測量？

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

在電子游戲中，攝影測量正被越來(lái)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(kāi)發(fā)者不僅可以通過(guò)逼真的畫(huà)面來(lái)構建世界，還能節省大量時(shí)間，避免繁瑣冗長(cháng)的手動(dòng)操作。

在采用攝影測量法之前，平面設計師往往需要從零開(kāi)始創(chuàng )建3D資產(chǎn)。在這個(gè)過(guò)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(shí)間的平衡點(diǎn)。

傳統的“白盒”設計方式需要隨著(zhù)游戲進(jìn)展不斷測試編碼，而且，在整個(gè)項目開(kāi)始前，無(wú)法對系統進(jìn)行完全評估，這樣一來(lái)，也會(huì )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(gè)世界“套件”。這有助于開(kāi)發(fā)人員做好準備，按時(shí)交付。

接下來(lái)，我們將根據開(kāi)發(fā)人員采取的步驟進(jìn)行一一解讀。我們還將深入介紹每個(gè)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。

攝影測量法如何應用于電子游戲？

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

正如其他攝影測量的應用一樣，首先，需要從不同角度、按線(xiàn)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(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以選擇從360度廣角拍攝開(kāi)始，然后再近距離捕捉精密細節。但一般來(lái)說(shuō)，使用遠距設備會(huì )更容易，它們更適合這類(lèi)應用。

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

即便如此，這個(gè)過(guò)程還是說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，許多游戲工作室必須避免一些潛在問(wèn)題，才能做出形狀和比例恰當的完整模型。首先，開(kāi)發(fā)人員需要考慮他們計劃使用的設備。如果使用高分辨率相機，他們就必須確保相片畫(huà)面重疊。

但是，如果使用光探測和測距（LiDAR）設備，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(xiàn)反射至掃描儀接收器，將信號損失降低。反之，如果目標物表面光滑或不透明，那么操作起來(lái)就會(huì )麻煩一些。

要點(diǎn)

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

一旦開(kāi)發(fā)人員解決了這些問(wèn)題，獲得了重疊部分的數據，隨后就要進(jìn)行處理，首先使用的是Adobe Photoshop這類(lèi)程序。在此過(guò)程中，他們會(huì )調整光線(xiàn)和陰影，讓模型的色調符合游戲整體色調。色彩校正后，將數據導出至RealityCapture等程序，將圖片對齊成點(diǎn)云，再轉換成帶紋理的3D網(wǎng)格。

模型之后會(huì )“再次拓撲”，這一過(guò)程中，模型的多邊形數量減少，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(jìn)行多種方式的微調，使其更逼真。

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

電子游戲中的攝影測量實(shí)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(cháng)期以來(lái)被應用于質(zhì)控、測繪等領(lǐng)域，直到最近，才開(kāi)始在電游領(lǐng)域嶄露頭角。位于瑞典的游戲開(kāi)發(fā)者DICE是首個(gè)真正擁抱攝影測量技術(shù)的大型工作室之一，負責在2015年重啟大受歡迎的《星球大戰：前線(xiàn)》系列。

當時(shí)，游戲發(fā)布時(shí)間緊，游戲幀數要求達到60 FPS，此外，DICE還需掌握新一代游戲控制臺，因此，這段開(kāi)發(fā)經(jīng)歷充滿(mǎn)挑戰。但是，工作室仍然需要創(chuàng )造一個(gè)忠于原型的真實(shí)世界。為實(shí)現這一目標，開(kāi)發(fā)人員深入研究檔案，從最初的《星球大戰》電影中尋找道具，隨后再用攝影測量法進(jìn)行3D建模。

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

使用這種方式，與前作《戰地4》相比，DICE能夠將每個(gè)資產(chǎn)數字化的時(shí)間降低一半以上。此外，工作室還能開(kāi)發(fā)由星球大戰的道具、角色模型、場(chǎng)景組成的“關(guān)卡建筑套件”，這將成為游戲的基礎。DICE還發(fā)現，新技術(shù)建立的一套工作流程，能幫助他們在內部交付日期前提前完成。

DICE開(kāi)發(fā)人員技術(shù)創(chuàng )新后的成果首次曝光以來(lái)，其他知名電游也開(kāi)始采用了類(lèi)似方式。2019年，Infinity Ward重新推出了《使命召喚：現代戰爭》系列，他們發(fā)現可以使用攝影測量法收集數據，進(jìn)行“平鋪”處理，以提高表面細節的分辨度。

要點(diǎn)

攝影測量不僅可以用來(lái)構建廣闊的3D環(huán)境，還能用來(lái)構建環(huán)境中的各個(gè)部分，如道具、樹(shù)葉、角色模型。

隨著(zhù)新游戲的不斷開(kāi)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，開(kāi)發(fā)人員還使用無(wú)人機掃描儀捕獲大環(huán)境。攝影測量技術(shù)加快了道具、場(chǎng)景、槍支、車(chē)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)內領(lǐng)先的電游開(kāi)發(fā)商Electronic Arts使用PhotoModeler。軟件中的“Idealize”（理想化）功能，可以在處理過(guò)程中解決鏡頭扭曲問(wèn)題。據了解，該操作可輕松創(chuàng )建清晰的游戲和動(dòng)畫(huà)背景，和原型更接近。

該程序還具有自動(dòng)點(diǎn)云生成算法，能生成帶有精準紋理的模型，還能以常用的CAD格式導出。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(méi)有照片至實(shí)體的自動(dòng)工作流程。

RealityCapture中的汽車(chē)攝影測量技術(shù)

對于想制作高質(zhì)量數字化場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)，Unity推出了SpeedTree。這款軟件通過(guò)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(kāi)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雜圖像數據。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(dòng)標定和多鏡頭配置，對數字化復雜物體、創(chuàng )造大型三維環(huán)境來(lái)說(shuō)，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(diǎn)。許多產(chǎn)品采用分層營(yíng)銷(xiāo)，也就是說(shuō)，在某些情況下，用戶(hù)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(hù)的準入門(mén)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據，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(dòng)模式能根據用戶(hù)在復選框輸入的信息，挑選有效的數據處理算法，對新手而言無(wú)比簡(jiǎn)單。Artec Studio的相片配準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(diǎn)

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的方式。

更重要的是，利用平臺的比例算法完成對齊，用戶(hù)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物體對應。在為沒(méi)有參照的攝影測量模型貼圖時(shí)，此功能就顯得十分方便，因為這類(lèi)模型通常不合比例，表面也沒(méi)有太多細節。

總之，配合埃太科掃描儀后，這些功能簡(jiǎn)化了數據采集到轉化生成模型的過(guò)程，無(wú)論是用于檢驗、逆向工程，還是電游、動(dòng)畫(huà)、CGI開(kāi)發(fā)。

替代之選——三維掃描

盡管攝影測量已被認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)的準確度取決于捕獲目標物的相機分辨率。多變的天氣加上標定、角度、重疊等問(wèn)題，都有可能導致模型缺乏細節。此外，重疊圖像的捕獲和合并常常需要消耗大量時(shí)間。這些問(wèn)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》：Artec Studio和Space Spider掃描完成的后期角色開(kāi)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(kāi)發(fā)者，不妨考慮采用三維掃描技術(shù)。像Artec Leo一類(lèi)的前沿設備掃描速度高達40幀/秒（無(wú)配準模式），十分驚艷，為攝影測量用戶(hù)提供了一項提速方案。

過(guò)去，The Farm 51工作室早已實(shí)現了提速。開(kāi)發(fā)人員同時(shí)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》游戲模型。事實(shí)上，和過(guò)去采用的攝影測量法相比，他們現在可以在短短幾小時(shí)內為在線(xiàn)射擊游戲生成每個(gè)角色、車(chē)輛、武器的模型。

《第三次世界大戰》游戲設置和Artec Leo顯示的早期角色開(kāi)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(dòng)作捕獲技術(shù)，制作的主角Melina Juergens副本讓人眼前一亮。得益于A(yíng)rtec Eva出色的靈活度和準確度，開(kāi)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(dòng)與真人別無(wú)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字模型，細節捕獲分辨率高達0.029毫米，隨后即可將這些細節加入游戲。反之，遠距掃描儀Artec Ray曾被用來(lái)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用領(lǐng)域，我們?yōu)楹尾挥盟鼮樘摂M世界制作汽車(chē)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(méi)問(wèn)題。在某些情況下，攝影測量結合三維掃描剛好可以滿(mǎn)足您的需求。Artec Studio 17方便用戶(hù)將高端相機拍攝的相片與三維掃描合并。用戶(hù)可以利用軟件的相機紋理功能，為模型添加更加真實(shí)的色彩數據。

結論

從上述描述的實(shí)際應用來(lái)看，攝影測量和三維掃描都能明顯推進(jìn)游戲行業(yè)的設計邊界。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(méi)有萬(wàn)能的解決方案適用于任何電游模型的制作。

相反，每個(gè)工作室都有很多軟硬件包的選擇，有些是專(zhuān)為游戲開(kāi)發(fā)而設計，而有些則適用于其他領(lǐng)域。在做取舍時(shí)，游戲開(kāi)發(fā)者需要考慮游戲創(chuàng )建的環(huán)境類(lèi)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(kāi)發(fā)人員而言，攝影測量和三維掃描在游戲行業(yè)的應用越來(lái)越普及，這促成更多產(chǎn)品的涌現，能滿(mǎn)足不同需求。實(shí)踐告訴我們，這項技術(shù)能如實(shí)復制各類(lèi)形狀和尺寸的物體，數據可上傳、可調整，還能整合至虛擬世界，加快全新頂級游戲的開(kāi)發(fā)，頗具吸引力。

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