熊安亞 金燕

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）角色資源建設(shè)，要求效率與品質(zhì)并行不悖。其封裝設(shè)計(jì)，一方面對(duì)復(fù)雜建設(shè)流程實(shí)施科學(xué)的模塊劃分，迅速定位問(wèn)題所涉具體環(huán)節(jié)；另一方面將多任務(wù)模塊整合為系統(tǒng)，揭開模塊之間的隱性有機(jī)聯(lián)系。各模塊的“高內(nèi)聚”，利于操作者專注當(dāng)前流程，各司其職；其“低耦合”，利于前瞻和反觀各階段的因果聯(lián)系，及時(shí)鎖定問(wèn)題源頭并予以修正。VR角色資源的封裝設(shè)計(jì)在優(yōu)化方法、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、維護(hù)品質(zhì)、提升效率上起到實(shí)質(zhì)性的作用，是VR游戲產(chǎn)業(yè)實(shí)踐的可行性策略。

關(guān)鍵詞：游戲角色；資源建設(shè)；封裝設(shè)計(jì)；模塊化；模型優(yōu)化

基金項(xiàng)目：重慶郵電大學(xué)校級(jí)社科項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于VR技術(shù)發(fā)展的三維角色動(dòng)態(tài)規(guī)律研究；項(xiàng)目編號(hào)：E010K2018034。

1 VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿?/p>

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)于1993年《大眾科學(xué)》雜志面世以來(lái)，掀起一場(chǎng)視覺(jué)的革命，于2016年迎來(lái)第一次高峰并持續(xù)發(fā)酵至今。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛地存在于娛樂(lè)、社交應(yīng)用、建筑地產(chǎn)、企業(yè)技工實(shí)訓(xùn)、場(chǎng)景再造、文化遺產(chǎn)保護(hù)、遠(yuǎn)程教學(xué)、虛擬仿真、虛擬醫(yī)療等各方面，它未來(lái)的應(yīng)用在廣度與深度上都具有十足潛力。由于各行業(yè)所在領(lǐng)域的差異和需求的不同，作為“載體”的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或深或淺地與之兼容發(fā)展，成效顯示出參差不齊。其中，應(yīng)用最密集且市場(chǎng)最成熟的當(dāng)屬虛擬現(xiàn)實(shí)游戲。

1.1 VR游戲產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模

游戲用戶遷移反映著市場(chǎng)占有率的變化。據(jù)艾媒咨詢，自2015至2019年網(wǎng)游用戶逐漸遷移至移動(dòng)端。到2020年，主機(jī)游戲僅略遜于移動(dòng)端手游市場(chǎng)收入。主機(jī)游戲類別中VR游戲仰仗自身所帶的“智能化”“沉浸體驗(yàn)”等標(biāo)簽，熱度極高、發(fā)展極快。人們除了可以親眼看見各大娛樂(lè)消費(fèi)場(chǎng)所迅速增長(zhǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲體驗(yàn)項(xiàng)目外，通過(guò)數(shù)據(jù)也可以清晰地看到全球消費(fèi)性VR市場(chǎng)的規(guī)模從2016年至2022年將增長(zhǎng)約7倍。在《2017年全球增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）消費(fèi)者期望應(yīng)用領(lǐng)域分布》中游戲排名最末，然而一年后，VR游戲收入占比則位列榜首。

為適應(yīng)中、重度玩家對(duì)主機(jī)游戲不斷提升的要求，游戲硬件快速迭代，視效品質(zhì)水漲船高。支持高級(jí)游戲的主機(jī)設(shè)備反映出玩家在硬件和審美需求上的雙重升級(jí)。如支持接入VR設(shè)備的PS4系列產(chǎn)品，于2016年推出新版PS4 Pro，通過(guò)增強(qiáng)CPU的性能來(lái)支持改進(jìn)的視頻處理能力和4K質(zhì)量的圖像質(zhì)量。隨著游戲畫面和技術(shù)的進(jìn)步，VR游戲的逼真度和沉浸感越來(lái)越強(qiáng)[1]。

1.2 VR相關(guān)產(chǎn)業(yè)的資源獲取

VR產(chǎn)品角逐勝負(fù)的籌碼在不斷新增，維護(hù)產(chǎn)品高質(zhì)量的同時(shí)還要搶占先機(jī)。對(duì)于不同產(chǎn)業(yè)而言，VR資源用途有別，但來(lái)源與平臺(tái)始終類似。改造“已有”資源，遠(yuǎn)比“無(wú)中生有”更高效，促成資源的“現(xiàn)貨”需求，形成以下幾種VR資源獲取途徑。

競(jìng)爭(zhēng)收購(gòu)小型公司，直接占有資源。如社交應(yīng)用Facebook于2014年將VR公司Oculus收購(gòu)，于2020年2月26日又收購(gòu)了Sanzaru Games，并將其加入其虛擬現(xiàn)實(shí)部門的Oculus游戲集團(tuán)。

專業(yè)外包團(tuán)隊(duì)，定制資源。由甲方提出統(tǒng)一的定制需求，采取外包團(tuán)隊(duì)競(jìng)標(biāo)的形式進(jìn)行合作。甲方公司派遣標(biāo)準(zhǔn)審核和協(xié)調(diào)人員，促成雙方專業(yè)鴻溝互補(bǔ)；雙方保持合同期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的供需狀態(tài)，維持可聯(lián)結(jié)亦可脫離的低耦合關(guān)系。

在線購(gòu)買專家驗(yàn)證的資源。在《2017年Steam黃金級(jí)VR游戲銷售收入》所羅列的12款制作精良的VR游戲中，其中11款為RPG游戲，需要大量虛擬角色資源。在玩家沉浸體驗(yàn)的相關(guān)研究中，Steed等[2]所進(jìn)行的虛擬現(xiàn)實(shí)中自我存在感的研究結(jié)果顯示“自我化身”的存在對(duì)玩家存在感的提升；孫略[3]則在電子游戲的敘事與觀看體驗(yàn)研究上得出RPG游戲在向戲劇與電影的方向偏移的結(jié)論，可見虛擬角色、情節(jié)、環(huán)境的逼真對(duì)玩家的重要程度。VR游戲資源的需求量之大、質(zhì)之高可見一斑。

回收重用CG電影資源。CG電影在拍攝結(jié)束后的副產(chǎn)品理論上可以被無(wú)限次地回收重用，如科研成果、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、高質(zhì)量模型、成熟的產(chǎn)業(yè)規(guī)范等，可在動(dòng)畫、游戲、社交軟件等其他媒介或藝術(shù)形式中延續(xù)其價(jià)值與影響力，帶活周邊產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

2 國(guó)內(nèi)VR產(chǎn)業(yè)與科研現(xiàn)狀反映角色資源建設(shè)新需求

以“虛擬現(xiàn)實(shí)”為切入點(diǎn)的科研還在積極廣泛地探索適合生根的領(lǐng)域。以“虛擬現(xiàn)實(shí)”為主題詞在CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中對(duì)自2012年至2021年發(fā)表的中文核心論文進(jìn)行共被引關(guān)鍵詞與主題詞可視化，其結(jié)果在一定程度上表明其相關(guān)的跨學(xué)科研究領(lǐng)域呈現(xiàn)出大范圍均勻分布、小范圍熱點(diǎn)聚集。游戲作為網(wǎng)民最為期待的VR內(nèi)容應(yīng)用，但其產(chǎn)業(yè)與科研的結(jié)合仍存在著一些問(wèn)題。

高等專業(yè)教育的跨學(xué)科趨勢(shì)使得游戲從業(yè)人員職業(yè)能力出現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象。盡管我國(guó)高等教育改革研究強(qiáng)調(diào)要順應(yīng)交叉學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)寬口徑人才，然而高等教育組織管理的傳統(tǒng)學(xué)科分類資源分配的慣性、難以達(dá)成共識(shí)的“跨專業(yè)性”評(píng)估[4]，以及廣而缺乏針對(duì)性的課程內(nèi)容等，都成為專業(yè)教育轉(zhuǎn)產(chǎn)業(yè)實(shí)踐的障礙。游戲?qū)I(yè)的跨學(xué)科教育可促成“全能型”，但數(shù)量極為稀缺。更為普遍的情況是，跨學(xué)科教育帶來(lái)大量“博而不精”的從業(yè)者，需要專業(yè)的模塊化培訓(xùn)。

游戲開發(fā)中由于任務(wù)類別差異形成專業(yè)壁壘。大型游戲公司的成員組成是多元化的，在大規(guī)模游戲開發(fā)中，成員職位劃分細(xì)致，利于專家攻克專門的問(wèn)題。“橋梁式”工種，如游戲策劃、技術(shù)美術(shù)等，在做好自身本職工作外，還要負(fù)責(zé)不同工種之間的解釋。本文中所提出的“封裝式資源建設(shè)”以系統(tǒng)化、全局化認(rèn)知搭建資源建設(shè)合作工種之間的橋梁，縮小專業(yè)鴻溝；各工種帶著宏觀視角在微觀領(lǐng)域解決具體的問(wèn)題，瓦解專業(yè)壁壘。

游戲產(chǎn)業(yè)與科研在頂端融合、在基層割裂。產(chǎn)研協(xié)作是提高自主創(chuàng)新能力的有效辦法，游戲作為極富創(chuàng)新潛質(zhì)的新興行業(yè)，其專屬科研峰會(huì)，如GDC（Game Development Conference）定期在全球范圍內(nèi)集結(jié)頂尖的游戲開發(fā)人員、游戲藝術(shù)家等召開研討會(huì)、設(shè)立與頒布獎(jiǎng)項(xiàng)等，其顧問(wèn)委員均來(lái)自世界知名的游戲集團(tuán)。它讓業(yè)內(nèi)頂尖專家交換意見、解決問(wèn)題、提出前沿的概念、共商未來(lái)游戲產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)圖的平臺(tái)，致力于在產(chǎn)研高度融合。然而基層中小游戲企業(yè)的實(shí)際情況是，忙于產(chǎn)品快速上線盈利，不搞科研；同時(shí)，在高等教育游戲?qū)I(yè)科研普遍存在現(xiàn)行工程教育與行業(yè)實(shí)際脫節(jié)[5]，師生紙上談兵、閉門造車，鮮見優(yōu)化產(chǎn)業(yè)實(shí)踐相關(guān)的科研論題等現(xiàn)象。

3 角色資源創(chuàng)建流程優(yōu)化實(shí)踐研究

3.1 角色資源模塊封裝設(shè)計(jì)的意義

“封裝”是計(jì)算機(jī)學(xué)科術(shù)語(yǔ)，意為隱藏對(duì)象的屬性和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，僅對(duì)外公開接口。封裝設(shè)計(jì)在角色資源建設(shè)中的應(yīng)用目標(biāo)是，讓工作流中的人只需關(guān)注將這個(gè)封裝對(duì)象接入當(dāng)下流程，而無(wú)須考慮該封裝對(duì)象的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和原理，這有助簡(jiǎn)化工作流和多模塊系統(tǒng)性重組。游戲開發(fā)要經(jīng)歷策劃、游戲原型、資源建設(shè)、調(diào)度調(diào)試、公測(cè)發(fā)布5個(gè)階段。資源建設(shè)階段工作量會(huì)驟增；其中，角色資源的創(chuàng)建流程和功能構(gòu)成復(fù)雜，因而適宜按流程邏輯及功能差異進(jìn)行多模塊拆解再獨(dú)立封裝。封裝設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是讓角色建設(shè)流程標(biāo)準(zhǔn)化、模塊責(zé)任劃分明確化：易修改—定位錯(cuò)誤并限制其影響范圍；標(biāo)準(zhǔn)化—在人形角色的創(chuàng)建中通用；前瞻性—規(guī)避后期可能發(fā)生的異常；高效性—提升角色資源配置效率。

3DsMax提供的三種骨骼：CS，Biped，CAT。它們?cè)诮巧ㄔO(shè)中各有其優(yōu)勢(shì)和局限性。Biped與CAT的封裝度更高，CS骨骼則需要依靠手動(dòng)創(chuàng)建，但有助被培訓(xùn)對(duì)象對(duì)骨骼系統(tǒng)進(jìn)行全面掌握，進(jìn)而深入理性地認(rèn)識(shí)Biped以及CAT的封裝設(shè)計(jì)意義。本文在骨骼綁定模塊僅以標(biāo)準(zhǔn)CS骨骼與Skin蒙皮方案展開詳細(xì)闡述。

人形角色資源（見圖1）以3DsMax與Unity之間的工作流程對(duì)接為例，模型根據(jù)Mecanim系統(tǒng)對(duì)人形角色資源的要求以及在游戲中的使用途徑倒推建設(shè)流程所包含的階段、模塊以及環(huán)節(jié)，從3個(gè)維度對(duì)建模流程進(jìn)行分解（見圖2）。

（1）按創(chuàng)建的階段分層，羅列建設(shè)的必要進(jìn)程。（2）按模塊的功能分類，突出每個(gè)模塊的功能獨(dú)立性。（3）按環(huán)節(jié)之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行預(yù)判，找到環(huán)節(jié)處理不當(dāng)可能導(dǎo)致的潛在關(guān)聯(lián)性問(wèn)題。階段、模塊、環(huán)節(jié)之間層層包含且相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成復(fù)雜的角色模型有機(jī)系統(tǒng)。

3.2 避免中后期返工到模型及材質(zhì)模塊

角色建模包含模型和材質(zhì)兩個(gè)模塊，首先將二維的角色造型設(shè)計(jì)通過(guò)如堆砌建模[6]、面片建模、多邊形建模等技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模型，配合材質(zhì)與渲染對(duì)角色進(jìn)行準(zhǔn)確重現(xiàn)。建模師必須具備二維圖像到三維模型的“轉(zhuǎn)譯”能力，即必須兼顧設(shè)計(jì)構(gòu)想和合理拓?fù)涞鼐C合表達(dá)。模型拓?fù)湮挥谛薷钠鞫褩５牡讓?，返工的代價(jià)隨工期推進(jìn)升高。

派生高面網(wǎng)格模型之兩個(gè)用途。其一，將高面模型外觀的凹凸轉(zhuǎn)化為法線貼圖并烘焙至中低模，可兼得運(yùn)算性能與視覺(jué)豐富細(xì)節(jié)。將模型導(dǎo)入Zbrush進(jìn)行細(xì)分、雕刻、重新拓?fù)淇傻玫饺敲鏀?shù)20 000+的高模，導(dǎo)出法線貼圖烘焙至三角面數(shù)控制在5 000至8 000的中模表面；維持相對(duì)較低頂點(diǎn)數(shù)的同時(shí)擁有豐富細(xì)節(jié)。其二，高模在綁定階段使用派生自中低模綁定所使用的相同結(jié)構(gòu)的骨骼進(jìn)行蒙皮，可以通過(guò)Skin Wrap修改器將中低模的蒙皮結(jié)果投射到高模上，可極大節(jié)約對(duì)高模蒙皮的時(shí)間。

兩種標(biāo)準(zhǔn)化角色模型初始姿態(tài)。T型適用于在正交視圖當(dāng)中編輯角色手臂的頂點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)的變換操作更簡(jiǎn)單，并有利于在蒙皮刷權(quán)重時(shí)對(duì)腋窩和鎖骨處網(wǎng)格進(jìn)行快速處理。A型姿態(tài)角色肌肉呈現(xiàn)放松狀態(tài)，利于客觀地重現(xiàn)肩膀及胸部的外觀。在將資源導(dǎo)入U(xiǎn)nity進(jìn)行人形骨骼映射時(shí)，T型更容易被正確識(shí)別。

模型移交下一流程前，重置變換組件。它常用于解決如幾何體三軸非等比縮放問(wèn)題，以及避免將幾何對(duì)象類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換后可能發(fā)生的顯示異常，以確保模型尺寸“所見即所得”。幾何體的三軸，在縮放比例被單獨(dú)編輯后并不易被察覺(jué)。當(dāng)使用附加命令將多個(gè)對(duì)象合并為一個(gè)對(duì)象時(shí)，實(shí)際縮放比例取決于執(zhí)行附加命令的幾何對(duì)象。

結(jié)束建模前清除模型的冗余次對(duì)象。建模過(guò)程可能出現(xiàn)與主體分離的漂浮頂點(diǎn)、面元素等冗余次對(duì)象。因?yàn)槿哂啻螌?duì)象必然會(huì)被納入修改器堆棧產(chǎn)生運(yùn)算量，所以會(huì)對(duì)拓?fù)渚庉?、UV編輯，以及骨骼權(quán)重分配產(chǎn)生負(fù)面影響，應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)并清除。

該模塊之所以密切圍繞對(duì)多邊形模型的內(nèi)部機(jī)制的優(yōu)化而展開，是由于后續(xù)層層復(fù)雜的迭代操作所要求的前期可信賴基礎(chǔ)的建立。模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確是模型細(xì)分級(jí)別增減的基礎(chǔ)；角色模型初始狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)為后一階段的骨骼建設(shè)及在Unity中的骨骼識(shí)別提供了便捷；重置模型變換組件、清除冗余次對(duì)象，保持模型網(wǎng)格的干凈。

3.3 明晰骨骼及綁定模塊中的邏輯細(xì)節(jié)

3.3.1 骨骼模塊

角色的骨骼樹結(jié)構(gòu)參考真人進(jìn)行簡(jiǎn)化。以鉸鏈對(duì)象作為載體，將各個(gè)骨骼模型分別連接到其本身的父骨骼，由關(guān)節(jié)模型將每一組父子骨骼進(jìn)行連接，并由該關(guān)節(jié)對(duì)其父子骨骼的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行定義[7]。以CS骨骼系統(tǒng)為例，根據(jù)真人質(zhì)心設(shè)置髖骨以上的脊椎為根骨骼Root，從該點(diǎn)分別往上、下半身延伸骨骼鏈，創(chuàng)建關(guān)節(jié)系統(tǒng)完整的、命名標(biāo)準(zhǔn)的、父子關(guān)系連續(xù)的、凍結(jié)變換后的骨骼樹鏈。蒙皮則是建立骨骼鏈與網(wǎng)格模型之間的驅(qū)動(dòng)與被驅(qū)動(dòng)關(guān)系。人形角色的蒙皮的工作流程相對(duì)漫長(zhǎng)，尤其在骨骼鏈分岔的部位，網(wǎng)格頂點(diǎn)權(quán)重比例自動(dòng)分配的效果越差，涉及大量的手動(dòng)調(diào)節(jié)。本文以標(biāo)準(zhǔn)的Skin修改器為例，闡述優(yōu)化的蒙皮邏輯。

確保參與權(quán)重分配的骨骼均勻合理地分布于模型內(nèi)部。模型每個(gè)頂點(diǎn)會(huì)根據(jù)頂點(diǎn)權(quán)重圖和相應(yīng)的骨骼關(guān)聯(lián)。根據(jù)骨骼在當(dāng)前位置相對(duì)于靜止位置的變換矩陣以及此頂點(diǎn)相對(duì)于該骨骼的權(quán)重，計(jì)算出該頂點(diǎn)在該骨骼影響下的位置[8]。骨骼連接處的落點(diǎn)應(yīng)在模型網(wǎng)格的圈狀線（Ring）位置，利于蒙皮時(shí)頂點(diǎn)權(quán)重值自動(dòng)均勻分配。規(guī)范骨骼樹名稱，用前、中、后綴區(qū)分主副骨骼、左右方位、角色編號(hào)等，并用與人體對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確骨骼名稱進(jìn)行命名，這樣可以通過(guò)搜索前綴將整個(gè)骨骼樹鏈全部選中。

當(dāng)毗鄰的多根骨骼同時(shí)影響某一區(qū)域的網(wǎng)格頂點(diǎn)時(shí)，要確保該區(qū)域網(wǎng)格頂點(diǎn)都有來(lái)自這些骨骼的權(quán)值分配。蒙皮自動(dòng)分配權(quán)值的結(jié)果通常不理想，一些與骨骼相關(guān)的網(wǎng)格頂點(diǎn)因離得較遠(yuǎn)沒(méi)有獲取權(quán)值；權(quán)重表將其顯示為“-”而非“0.0”，表示“無(wú)值”，因而繪制權(quán)重時(shí)就會(huì)看似“無(wú)效”；通過(guò)在權(quán)重表中將這一部分無(wú)值的頂點(diǎn)暫賦值為0，可以解決權(quán)重繪制無(wú)效的問(wèn)題。

在模型網(wǎng)格分布均勻的單一關(guān)節(jié)處，先規(guī)范頂點(diǎn)權(quán)值分配，再根據(jù)形變結(jié)果具體更改權(quán)值細(xì)節(jié)。模型關(guān)節(jié)處的頂點(diǎn)，通常受到關(guān)節(jié)前后骨骼的共同影響。首先將兩者的影響值規(guī)范為小數(shù)點(diǎn)后一位，先利用等差數(shù)列設(shè)置關(guān)節(jié)前后兩段骨骼影響的網(wǎng)格“圈裝線”所在點(diǎn)的權(quán)重值，頂點(diǎn)權(quán)重在前后骨骼上呈現(xiàn)出“此消彼長(zhǎng)”，并在權(quán)重表中一目了然，同時(shí)關(guān)節(jié)網(wǎng)格形變也可均勻過(guò)渡（見圖3）。

凍結(jié)骨骼樹變換組件，固化骨骼初始姿態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明在編輯骨骼的變換值時(shí)，均以0為初始值進(jìn)行修改，且并隨時(shí)可讓骨骼回到該初始位置，會(huì)使骨骼編輯過(guò)程更直觀、高效。

創(chuàng)建骨骼關(guān)鍵幀動(dòng)畫輔助骨骼權(quán)重編輯。頻繁地從蒙皮修改器中退出再進(jìn)入骨骼樹，必然增加誤操作骨骼的概率。調(diào)節(jié)后為檢測(cè)蒙皮效果，應(yīng)為角色骨骼設(shè)定一個(gè)幅度較大的動(dòng)作，檢測(cè)是否會(huì)產(chǎn)生皮面破損等差錯(cuò)[9]。用關(guān)鍵幀動(dòng)畫輔助骨骼蒙皮，用對(duì)時(shí)間條的移動(dòng)替代對(duì)骨骼的旋轉(zhuǎn)操作，降低失誤概率。當(dāng)輔助蒙皮結(jié)束后，需清除全套骨骼樹在時(shí)間軌道上的關(guān)鍵幀，以免影響后續(xù)的動(dòng)畫模塊。

利用Skin Wrap修改器將低模的Skin蒙皮信息轉(zhuǎn)移給拓?fù)渫?、骨骼同?gòu)的等比例尺寸的高模。模型的頂點(diǎn)數(shù)量越低，蒙效率越高。因而在低模上進(jìn)行Skin蒙皮編輯，在高模上添加Skin Wrap修改器，通過(guò)添加蒙皮投射源將低模的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)信息投射到高模。高模的運(yùn)動(dòng)就受制于低模的運(yùn)動(dòng)，最后再將Skin Wrap修改器的結(jié)果轉(zhuǎn)化為高模的Skin信息，在游戲角色的蒙皮上可極大提升效率。

骨骼模塊的工作流程，呈現(xiàn)為從主干框架推進(jìn)到細(xì)節(jié)。首先建立清晰、正確的骨骼樹狀結(jié)構(gòu)，它決定運(yùn)動(dòng)模擬的真實(shí)合理性；其次確保有效驅(qū)動(dòng)模型網(wǎng)格；再者是細(xì)化網(wǎng)格頂點(diǎn)受到骨骼影響程度。該模塊反映出骨骼均勻分布、規(guī)范命名對(duì)后期模型建設(shè)的重要性，及處理一父多子關(guān)節(jié)所引起的網(wǎng)格權(quán)重消長(zhǎng)對(duì)整體骨骼運(yùn)動(dòng)的微妙影響。

3.3.2 綁定模塊

綁定模塊包含邏輯復(fù)雜的，涉及對(duì)模型、骨骼、樣條線控制器、輔助點(diǎn)、IK、IK目標(biāo)6類對(duì)象之間的多重關(guān)系建立。利用一系列可讀、易選的、易解除的“動(dòng)畫控制器”將骨骼進(jìn)行封裝，約束骨骼的運(yùn)動(dòng)并保護(hù)骨骼避免被誤操作。優(yōu)化該模塊的關(guān)鍵是避免各環(huán)節(jié)失誤。

FK_IK混合器，無(wú)縫切換關(guān)節(jié)處正反向動(dòng)力學(xué)。游戲角色運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多變，與環(huán)境、物體、其他角色等發(fā)生交互，正、反向動(dòng)力學(xué)時(shí)刻在交換。將原始骨骼進(jìn)行復(fù)制，創(chuàng)建出“FK控制骨骼”和“IK控制骨骼”，讓原始骨骼上的IK手柄分別受到二者的雙重位置約束，即Position Constraint Weight0和Position Constraint Weight1，此時(shí)它們各以50%權(quán)值影響原始骨骼的位置。利用取值范圍為0～100的自定義滑動(dòng)參數(shù)控制器，調(diào)用關(guān)聯(lián)參數(shù)工具對(duì)原始骨骼所受到的“FK控制骨骼”的位置約束權(quán)重進(jìn)行賦值，Position Constraint Weight0=Value。此時(shí)滑動(dòng)參數(shù)控制器可以在0～100的取值范圍控制“FK控制骨骼”的位置權(quán)重，從而按比例對(duì)原始骨骼產(chǎn)生影響。隨后將“IK控制骨骼”設(shè)為與“FK控制骨骼”位置權(quán)重的“此消彼長(zhǎng)”，即Position Constraint Weight0=100-Position Constraint Weight1，則可以通過(guò)滑動(dòng)參數(shù)控制器實(shí)現(xiàn)原始骨骼在“FK控制骨骼”與“IK控制骨骼”之間的平滑過(guò)渡（見圖4）。

用符號(hào)化外形樣條線動(dòng)畫控制器對(duì)骨骼的運(yùn)動(dòng)變換進(jìn)行封裝。動(dòng)畫控制器可以有效地保護(hù)骨骼并且“放大”骨骼運(yùn)動(dòng)，避免直接接觸骨骼。骨骼位于模型內(nèi)部不易選擇，外形相似位置相鄰不易區(qū)分，結(jié)構(gòu)呈體系化不易編輯，以及微小運(yùn)動(dòng)不易判斷等諸多因素，導(dǎo)致直接在骨骼上編輯動(dòng)畫效率低下且容易失誤。動(dòng)畫控制器通過(guò)與蒙皮后的骨骼建立位置約束、方向約束、父子關(guān)系等，實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)網(wǎng)格模型的功能。

采用輔助點(diǎn)“清除”控制器對(duì)骨骼實(shí)施方向約束后可能產(chǎn)生的角度偏移。方法一，通過(guò)方向約束中默認(rèn)的選項(xiàng)keep initial offset保持骨骼與控制器之間的角度偏移值，始終保持控制器與骨骼的相對(duì)位置不變。方法二，創(chuàng)建一個(gè)輔助點(diǎn)對(duì)齊骨骼的位置與軸向，讓骨骼受到輔助點(diǎn)的方向約束，輔助點(diǎn)與骨骼之間則沒(méi)有角度偏移；將該輔助點(diǎn)設(shè)為動(dòng)畫控制器的子對(duì)象，控制器同樣可以控制骨骼旋轉(zhuǎn)。輔助點(diǎn)的顯示最后應(yīng)被隱藏起來(lái)，避免誤操作帶動(dòng)骨骼旋轉(zhuǎn)。后者在解決方向約束中的角度偏移問(wèn)題時(shí)具備更佳的可讀性和可編輯性。

更改旋轉(zhuǎn)類動(dòng)畫控制器的三軸層級(jí)關(guān)系，規(guī)避萬(wàn)向節(jié)死鎖。3DsMax中物體旋轉(zhuǎn)采用歐拉角，其局限之處為一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度由三軸共同決定，并且歐拉角度值的表示不具備唯一性，即萬(wàn)向節(jié)死鎖發(fā)生的誘因。由于三軸之間存在父子關(guān)系，當(dāng)動(dòng)畫控制器的最低級(jí)子軸因中級(jí)父軸的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致其與最高級(jí)父軸發(fā)生重合后，就失去了該子軸對(duì)物體旋轉(zhuǎn)控制。因而在該缺失軸向上原本可以簡(jiǎn)單完成的旋轉(zhuǎn)，則只能依靠另兩個(gè)軸綜合完成。因而，控制器旋轉(zhuǎn)軌跡會(huì)發(fā)生意外變形。解決萬(wàn)向節(jié)死鎖問(wèn)題的關(guān)鍵在于，避免中級(jí)軸帶動(dòng)孫級(jí)軸與父級(jí)軸重合，將中間層級(jí)選為旋轉(zhuǎn)幅度最小的軸，可一定程度降低萬(wàn)向節(jié)死鎖發(fā)生的可能性。

凍結(jié)變換動(dòng)畫控制器、輔助點(diǎn)、IK控制器，保持各類控制對(duì)象初始變換值為0，使變換值在編輯前后的對(duì)比更加直觀。創(chuàng)建自定義滑動(dòng)參數(shù)控制器來(lái)控制由輔助點(diǎn)方向約束的腳掌、腳尖、腳后跟的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，形成固定運(yùn)動(dòng)模式對(duì)應(yīng)取整的參數(shù)值；在反應(yīng)管理器Reaction Manager中可見凍結(jié)變換過(guò)的三個(gè)輔助點(diǎn)Pt_Foot＼Toe＼Heel的初始值呈現(xiàn)為0，設(shè)計(jì)復(fù)合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，對(duì)各關(guān)節(jié)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度取整，3個(gè)點(diǎn)的值所反映出的運(yùn)動(dòng)方向和幅度等都非常清晰直觀（見圖5）。

綁定模塊在蒙皮骨骼操縱網(wǎng)格的基礎(chǔ)之上，利用具有可不被渲染且數(shù)據(jù)量較小特點(diǎn)的shape，helper，bone類型對(duì)象對(duì)蒙皮骨骼進(jìn)行位置、方向、父子約束，以達(dá)成對(duì)骨骼的頂層控制。由于骨骼會(huì)被強(qiáng)制關(guān)聯(lián)到綁定的各類控制器上，因而控制器的數(shù)據(jù)干凈尤為重要。在產(chǎn)業(yè)流程中，由于綁定模塊的結(jié)果面對(duì)的是動(dòng)畫師，因而控制器的簡(jiǎn)潔、清晰、易用、靈活、可還原等決定動(dòng)畫階段工作效率與準(zhǔn)確度，需從各方面維護(hù)“動(dòng)畫師友好”的特性。

3.4 確保動(dòng)畫模塊中的動(dòng)作設(shè)計(jì)合理

動(dòng)畫制作模塊是檢測(cè)角色資源質(zhì)量的關(guān)鍵。角色動(dòng)畫通常采用的3種方案：真人動(dòng)作捕捉、虛擬仿真技術(shù)、驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵幀技術(shù)。動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)大小取決于取樣精度的差異；虛擬仿真可以彌補(bǔ)動(dòng)作捕捉難以完成的動(dòng)作，如墜樓等，目前用途較窄；驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵幀動(dòng)畫依靠動(dòng)畫師進(jìn)行角色動(dòng)作調(diào)節(jié)，具有靈活性和假定性，目前廣泛地被應(yīng)用于動(dòng)畫和游戲行業(yè)。動(dòng)畫模塊針對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵幀技術(shù)的優(yōu)化展開闡述。

全選動(dòng)畫控制器同步創(chuàng)建關(guān)鍵幀，全選控制器并在時(shí)間線上同步移動(dòng)這一時(shí)刻的所有關(guān)鍵幀。無(wú)論某局部控制器是否參與某關(guān)鍵動(dòng)作都被記錄關(guān)鍵幀，以便在時(shí)間線上可快速識(shí)別到此刻有統(tǒng)一關(guān)鍵動(dòng)作存在。統(tǒng)一調(diào)整動(dòng)作的節(jié)奏。自然動(dòng)作節(jié)奏并非勻速，step型關(guān)鍵幀可以幫助動(dòng)畫師預(yù)覽和調(diào)整整體動(dòng)作的節(jié)奏；時(shí)間線上的關(guān)鍵動(dòng)作越近，動(dòng)作速度越快，反之動(dòng)作速度越慢。

避免肢體運(yùn)動(dòng)“機(jī)械性同步”。自然角色動(dòng)作具有先發(fā)、跟隨、滯后的特征，選擇局部控制器在時(shí)間線上調(diào)整局部動(dòng)作節(jié)奏，在將角色的關(guān)鍵幀動(dòng)畫的節(jié)奏全局統(tǒng)一后，再設(shè)計(jì)局部節(jié)奏的出入，動(dòng)作則會(huì)因減少一些“機(jī)械感”變得自然。FK骨骼鏈運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)波的傳遞式，常用于創(chuàng)建滯后和跟隨動(dòng)作；IK骨骼鏈運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)為子鏈帶動(dòng)父鏈，常用于創(chuàng)建先發(fā)動(dòng)作。

根據(jù)動(dòng)作細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)需要為動(dòng)畫控制器增加表達(dá)式控制。表達(dá)式通過(guò)控制對(duì)象的某些組件，幫助動(dòng)畫師獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵幀動(dòng)畫去實(shí)現(xiàn)一些有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，豐富動(dòng)作細(xì)節(jié)。例如，對(duì)角色手肘處的IK平面目標(biāo)控制器target打組；利用target的“組”代替該控制器制作驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵幀動(dòng)畫，在target的位移組件的軸上使用Float Expression表達(dá)式控制之noise（）函數(shù)，用幀變量F作為noise（x，y，z）函數(shù)的參數(shù)控制手肘抖動(dòng)。

為游戲開發(fā)提供數(shù)據(jù)干凈、動(dòng)作準(zhǔn)確的帶動(dòng)畫FBX文件。為了避免角色資源文件在軟件之間互導(dǎo)可能導(dǎo)致動(dòng)畫數(shù)據(jù)變形或細(xì)節(jié)丟失，烘焙骨骼動(dòng)畫可維持角色動(dòng)畫的原貌。由于烘焙逐幀動(dòng)畫的文件在數(shù)據(jù)量上大于關(guān)鍵幀插值動(dòng)畫文件，因而根據(jù)游戲中角色動(dòng)作精度需求來(lái)調(diào)試采樣率、優(yōu)化幀數(shù)量后導(dǎo)出。清除所有控制器、輔助點(diǎn)、IK。在將建設(shè)完成后的FBX格式角色資源導(dǎo)入U(xiǎn)nity前，僅保留骨骼、模型、動(dòng)畫片段。

動(dòng)畫模塊的動(dòng)作設(shè)計(jì)要遵循“先框架后細(xì)節(jié)”的調(diào)節(jié)模式。一個(gè)可操控的角色模型控制器數(shù)量在19個(gè)以上；對(duì)于這么多的控制器，如果不對(duì)其進(jìn)行批量、同步動(dòng)作調(diào)節(jié)形成動(dòng)作“框架”而是過(guò)早陷入動(dòng)作細(xì)節(jié)，不僅工作量成倍增加，動(dòng)作也容易出現(xiàn)“滑幀”。

4 結(jié)語(yǔ)

色資源建設(shè)者務(wù)必在具備全局意識(shí)的同時(shí)專注于當(dāng)下流程中的各個(gè)相關(guān)聯(lián)且可優(yōu)化的細(xì)節(jié)，在每個(gè)模塊完成后都務(wù)必進(jìn)行檢測(cè)，方可往下一流程移交。在模塊之中以及之間，雖然一些環(huán)節(jié)的輔助關(guān)系建立并非必須項(xiàng)，卻切實(shí)提升角色資源的質(zhì)量，加強(qiáng)各模塊工種配合的綜合效率、降低返工率，以保證角色資源使用的穩(wěn)定性。

VR角色資源建設(shè)流程合理地封裝設(shè)計(jì)所提出的各項(xiàng)策略，可作為一種產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)投入需要用到虛擬人形角色的VR游戲、應(yīng)用等開發(fā)中。它是在充分考量建設(shè)流程所具備的復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)性和共通性后，根據(jù)組成資源的次級(jí)系統(tǒng)的獨(dú)立功能所提出的一種思想和高可行性執(zhí)行方案。通過(guò)對(duì)角色資源建設(shè)流程進(jìn)行拆解，劃分功能模塊、系統(tǒng)加細(xì)節(jié)認(rèn)知、整合重復(fù)勞動(dòng)、提供優(yōu)化策略，從而使角色資源更加完善、標(biāo)準(zhǔn)。它強(qiáng)化資源開發(fā)者對(duì)資源建設(shè)的系統(tǒng)性理解，建立模塊關(guān)聯(lián)意識(shí)，在前期培訓(xùn)和實(shí)際開發(fā)中對(duì)技術(shù)人員有著現(xiàn)實(shí)的意義；同時(shí)，它簡(jiǎn)化開發(fā)者對(duì)全局的掌握，專注于攻克當(dāng)前責(zé)任模塊，因而是行之有效的資源建設(shè)產(chǎn)業(yè)化流程。

封裝設(shè)計(jì)是VR角色資源建設(shè)工作從手動(dòng)調(diào)試階段過(guò)渡到全軟件人工智能階段的必經(jīng)之路。其現(xiàn)實(shí)目的是，提升游戲開發(fā)的整體效率，壓縮開發(fā)成本；其深遠(yuǎn)目標(biāo)是，模塊化工作流程，為軟件人工智能提供機(jī)器學(xué)習(xí)的參考，為替代人工機(jī)械勞動(dòng)做準(zhǔn)備。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)游戲產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的量化、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸滲透到普通用戶生活、虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和游戲的廣泛鋪開、虛擬角色產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的成熟以及軟件人工智能的發(fā)展，可以大膽預(yù)期未來(lái)無(wú)論是在智能應(yīng)用還是智能游戲的開發(fā)上，虛擬現(xiàn)實(shí)所需的各類數(shù)字資源建設(shè)都會(huì)朝著封裝式、模塊式的趨勢(shì)發(fā)展。如此，一部分人將會(huì)從技術(shù)工種中脫離出來(lái)成為監(jiān)督、創(chuàng)意工種，專門發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題和促進(jìn)創(chuàng)新；他們將從“機(jī)械重復(fù)工作”中逐漸被解放出來(lái)，投入更具有創(chuàng)造力的設(shè)計(jì)與研發(fā)之中。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張婷婷，田豐，呂煒，等.VR在交互影視與游戲領(lǐng)域的應(yīng)用綜述[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（3）：342-352.

[2]STEED A. An “in the wild” experiment on presence and embodiment using consumer virtual reality equipment[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2016（4）：1406-1414.

[3]孫略.VR、AR與電影[J].北京電影學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（3）：13-21.

[4]張煒，魏麗娜，曲辰.全球跨學(xué)科教育研究的特征與趨勢(shì)—基于Citespace的數(shù)據(jù)分析[J].高等工程教育研究，2020（1）：123-130.

[5]洪光榮，龍美云.新工科背景下產(chǎn)教深化融合模式研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019（10）：232-234.

[6]洪陳沖.三維虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)中的角色繪畫與建模[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020（19）：27-30，34.

[7]朱華西，鄒劭芬.基于 ZBrush 角色建模教學(xué)過(guò)程中技巧應(yīng)用的研究[J].價(jià)值工程，2015（23）：246-247.

[8]LE B H， DENG Z G. Smooth skinning decomposition with rigid bones[J].ACM Transactions on Graphics（TOG），2012（6）：1-10.

[9]金文玥.基于虛擬動(dòng)畫設(shè)計(jì)的角色建模與行為控制研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020（17）：110-114.

（編輯 王永超）

Research on optimization of game-character resource construction based on encapsulation logic in VR game

Xiong Anya， Jin Yan

（Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract：The construction of character resources of virtual reality requires efficiency and quality running parallel. The encapsulation design， on the one hand， helps to scientifically divide the complex construction process into modules， and quickly position the specific links which involved in some problems； on the other hand， integrates Multi-Task modules into system， and uncover the hidden organic connection between modules. The High Cohesion of each module is conducive to the operators to focus on the current process and perform their tasks. The low coupling is conducive to foresee and review causal relationship in various stages for uncovering the source of problems and correcting them timely. The encapsulation design of VR character resources construction plays a substantial role in optimizing methods， unifying standards， maintaining quality and improving efficiency， which is a feasible strategy for VR game industry practice.

Key words：game character； resources construction； encapsulation design； model optimizing