CN116630486B - 一种基于Unity3D渲染的半自动化动画制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Unity3D渲染的半自动化动画制作方法，属于动画制作技术领域。先将参考模型和制作模型的低细分级别模型在三维软件中进行匹配、包裹运算并完成mesh网格制作，为mesh网格模型进行骨骼和权重信息的半自动化生成和动画资源库的创建，渲染环境的搭建与效果调试，进行光照模型计算，unity渲染管线自定义设计和结果展示。本发明一方面提高unity项目资源制作效率，统一项目资源属性、提高资源利用率、实现动画资源库的创建和适用性扩展；另一方面提高渲染运行效率，取长补短，提升画面品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Unity3D渲染的半自动化动画制作方法，属于动画制作技术领域。
背景技术
Unity3d是一个可以完成实时三维动画互动内容的全面跨平台的游戏引擎，优点在于逼真的实时渲染效果，得力于unity实时渲染管线。但是unity项目开发使用的资源制作流程多样复杂，且数据资源差异性较大，对unity的渲染和项目开发复杂度都有很大的提升。
Mesh（计算机图形学中用于描述物体建模网格结构的一种数据结构，由点和线连接而成）网格制作传统制作流程都是由低模至高模，随着细分级别的提高，模型细节不断的细化，至满意效果后再进行拓扑和展uv（三维空间立体表面展开为二维空间平面后模型顶点位置在二维平面上的映射坐标，用二维向量表示，取值范围0-1），烘焙出相应通道贴图信息进行材质贴图绘制。这个过程是非常漫长繁杂的，每个模型都要重复这个流程，而且差异性非常大，不同模型师有不同的拓扑和uv分布习惯，间接为后期动画数据重复利用造成障碍，材质分配和模型管理间接提升了引擎渲染压力。在动画模块，骨骼绑定和权重信息的差异性使得动画资源利用率降低。这就导致了项目开发难度大、项目包空间复杂度高、项目适用局限性高，在一些平台上不能正常运行或渲染，资源利用率低，造成资源存储空间浪费，降低项目运行和渲染效率。
现有Unity在项目开发过程中提供了一些进行项目资源优化的方法，比如模型的静态和动态合批功能，但是对模型和项目需求有特殊的要求，例有动画的模型或者特殊shader（能被gpu执行的将三维空间对象渲染成二维图像的算法）的模型；unity把项目中的资源分为静态和动态两种，针对静态资源，在项目运行前把光照信息、反射信息提前烘焙至贴图或者是光照探针和反射探针，这样项目运行过程中不再进行复杂的光照模型计算，而是直接进行采样计算光照信息从而提高效率。unity提供了内置的human绑定模式（针对人型对象的骨骼绑定模式），只要合理配置好相应的骨骼，就可以进行动画信息重用，把一个模型动画信息传递给另一个完全不同的模型，但是这些优化可控性和适用性差，效果有限，不能满足我们的需求。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足而提供一种基于Unity3D渲染的半自动化动画制作方法，一方面提高unity项目资源制作效率，统一项目资源属性、提高资源利用率、实现动画资源库的创建和适用性扩展；另一方面提高渲染运行效率，取长补短，提升画面品质，使unity实时渲染管线渲染效果和离线渲染器效果最大程度上保持一致。
本发明采取的技术方案为：
一种基于Unity3D渲染的半自动化动画制作方法，包括步骤如下：
S1. Mesh网格制作与动画资源库建设：
Mesh网格制作先进行造型准确的高模制作，然后选用布线拓扑准确、有uv且布局合理、有细节信息贴图的优质资源作为参考模型，将参考模型和制作模型的低细分级别模型（低模）在三维软件中进行匹配调整后，然后全部导入r3ds wrap软件（或者zbrush的zwrap插件）进行点选择匹配、包裹运算，最后对运算结果的制作模型低模检查和细节修复，修复完后利用参考模型的细节信息贴图（置换贴图）进行模型细节烘焙优化，调整完成后将细节信息塌陷至制作模型网格，这样拓扑结构正确且已展好uv的高精度模型制作完成；因根据面数多少可分为有相同附带信息的高模和低模，这样就有制作好的拓扑结构正确且附带uv信息的高精度模型和低精度模型备用；
为mesh网格模型进行骨骼和权重信息的半自动化生成和动画资源库的创建：
动画资源库建设先进行骨骼自动化绑定和权重自动化生成，通过制作模型、匹配带权重的参考模型、包裹运算形成中介模型、拷贝参考模型的权重信息给中介模型得权重复制中介模型、进行制作模型骨骼位置导入和调整、把权重复制中介模型的权重信息导出至制作模型应用实现，动画信息烘焙，把已有动画的骨骼信息上传至动画资源库；动画资源库的动画信息可实现拷贝至不同的模型，便于调整和修改，最终实现动画信息的重利用；
S2. 渲染环境的搭建与效果调试：利用制作好的拓扑结构正确且附带uv信息的低精度模型，在三维动画软件和unity中同步搭建一致的渲染环境，进行测试渲染和调整，并根据unity交互设计进行模型合批和材质分配设计，目的在于提高在引擎中的渲染效率；
S3.进行光照模型计算：利用制作好的拓扑结构正确且附带uv信息的高精度模型进行高模信息贴图烘焙，将模型信息贴图导入贴图绘制软件（substancepainter）并赋值给相应的通道参与计算，进行贴图绘制，贴图不断更新并在三维动画软件搭建的渲染环境中测试渲染效果并进行材质参数调整，待渲染效果满意后将带光照通道信息的渲染结果烘焙至贴图，用于在unity中通过采样参与合成和计算得最终实时渲染结果；
S4.unity渲染管线自定义设计和结果展示：将制作好的拓扑结构正确且附带uv信息的低精度模型信息和烘焙的光照通道信息导入unity，制作自定义Shader，cpu提交模型顶点信息、法线信息、切线信息、顶点颜色信息、采样坐标信息和我们预计算的光照模型通道信息贴图给gpu进行计算，通过在顶点程序和片段程序中进行坐标变换和光照模型计算输出最终颜色值，通过shader绑定的材质球进行参数调整实现最终的动画渲染效果显示。
上述步骤S1中高模制作在雕刻软件中完成，面数相对较高，造型准确，有一定程度的细化；包裹计算前是用参考模型和制作模型的低细分模型在三维软件中进行匹配，目的是利用包裹计算软件计算得到一个造型一致带有拓扑和uv信息的制作模型低模，省去了我们布线拓扑和展uv的时间。
动画资源库的动画信息的重利用，过程为制作骨骼信息与动画资源库中已有动画的骨骼信息进行匹配，进行动画映射，动画的优化调整，将动画信息烘焙至制作骨骼，导出fbx格式在unity引擎中进行使用。
步骤S2中搭建一致的渲染环境，包括模型参数设置、灯光参数设置、渲染环境设置、渲染参数设置，即设置模型变换属性（即空间坐标信息）、灯光属性、反射环境和渲染质量参数调整。
步骤S3中高模信息贴图烘焙：因为引擎中用的模型通常为低模所以我们需要高模信息，常用模型信息贴图类型有置换贴图、模型空间法线贴图、曲线贴图、厚度贴图、阴影自遮蔽贴图（ao）、世界空间法线信息贴图、透贴等等。这些信息贴图用途：参与贴图绘制辅助；参与某些次级贴图的生成计算（比如通过高度图计算凹图）；提供给shader进行采样参与合成计算。
本发明的有益效果为：
（1）半自动化模型制作流程，提高了模型制作效率，而且使模型拓扑和uv结构统一，导出贴图使资源各通道都有效利用。
（2）在三维软件中渲染效果烘焙至贴图供unity采样使用，避免了在片段着色器中进行复杂的光照模型计算，提高了渲染效率。三维软件中设计材质分配，减少了材质并把相同材质的模型合并为一个mesh网格，减少了cpu渲染任务的提交，提高渲染效率。
（3）自动绑定和权重分配方式，一方面提高了动画资源的制作效率，更重要的，可以将项目的动画资源制作成动画库，也可以unity中进行动画资源的重用。
（4）离线渲染器对比实时渲染器，在画面的渲染效果上更有优势，可以将离线渲染结果信息烘焙至贴图在实时渲染中采样参与像素颜色计算，提高画面效果。
附图说明
图1 本发明方法的主要流程图；
图2为本发明实施例的具体流程图；
图3为本发明权重自动化分配流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明。
实施例1 一种基于Unity3D渲染的半自动化动画制作方法，（主要流程见图1）包括步骤如下：
S1. Mesh网格制作与动画资源库建设：
Mesh网格制作先进行造型准确的高模制作，然后选用布线拓扑准确、有uv且布局合理、有细节信息贴图的优质资源作为参考模型，将参考模型和制作模型的低细分级别模型在三维软件中进行匹配调整后，然后全部导入r3ds wrap软件（或者zbrush的zwrap插件）进行点选择匹配、包裹运算，最后对运算结果的制作模型低模检查和细节修复，修复完后利用参考模型的细节信息贴图（置换贴图）进行模型细节烘焙优化，调整完成后将细节信息塌陷至制作模型网格，这样拓扑结构正确且已展好uv的高精度模型制作完成；因根据面数多少可分为有相同附带信息的高模和低模，这样就有制作好的拓扑结构正确且附带uv信息的高精度模型和低精度模型备用；
为mesh网格模型进行骨骼和权重信息的半自动化生成和动画资源库的创建：
制作底层原理：如果要使骨骼相对匹配两个物体的权重信息相同，条件是两个物体外型一模一样或者两个不同外型物体的拓扑结构一模一样，利用这一点，我们可以将一个已经绑定好的物体的权重赋与我们制作的模型（见图3）。动画资源库建设先进行骨骼自动化绑定和权重自动化生成，通过制作模型、匹配带权重的参考模型、包裹运算形成中介模型、拷贝参考模型的权重信息给中介模型得权重复制中介模型、进行制作模型骨骼位置导入和调整、把权重复制中介模型的权重信息导出至制作模型应用实现，动画信息烘焙，把已有动画的骨骼信息上传至动画资源库；动画资源库的动画信息可实现拷贝至不同的模型，便于调整和修改，最终实现动画信息的重利用，应用过程为制作骨骼信息与动画资源库中已有动画的骨骼信息进行匹配，进行动画映射，动画的优化调整，将动画信息烘焙至骨骼，导出fbx格式在unity引擎中进行使用。
S2. 渲染环境的搭建与效果调试：利用制作好的拓扑结构正确且附带uv信息的低精度模型，在三维动画软件和unity中同步搭建一致的渲染环境（如图2所示），包括模型参数设置、灯光参数设置、渲染环境设置、渲染参数设置， 即设置模型变换属性（即空间坐标信息）、灯光属性、反射环境和渲染质量参数调整；进行测试渲染和调整，并根据unity交互设计进行模型合批和材质分配设计，目的在于提高在引擎中的渲染效率。
S3.进行光照模型计算：利用制作好的拓扑结构正确且附带uv信息的高精度模型进行高模信息贴图烘焙，将模型信息贴图导入贴图绘制软件（substancepainter）并赋值给相应的通道参与计算，进行贴图绘制，贴图不断更新并在三维动画软件搭建的渲染环境中测试渲染效果并进行材质参数调整，待渲染效果满意后将带光照通道信息的渲染结果烘焙至贴图，用于在unity中通过采样参与合成和计算得最终实时渲染结果；因为引擎中用的模型通常为低模所以我们需要高模信息，常用模型信息贴图类型有置换贴图、模型空间法线贴图、曲线贴图、厚度贴图、阴影自遮蔽贴图（ao）、世界空间法线信息贴图、透贴等等。
S4.unity渲染管线自定义设计和结果展示：将制作好的拓扑结构正确且附带uv信息的低精度模型信息和烘焙的光照通道信息导入unity，制作自定义Shader，cpu提交模型顶点信息、法线信息、切线信息、顶点颜色信息、采样坐标信息和我们预计算的光照模型通道信息贴图给gpu进行计算，通过在顶点程序和片段程序中进行坐标变换和光照模型计算输出最终颜色值，通过shader绑定的材质球进行参数调整实现最终的动画渲染效果显示。
以上是结合具体实施例对本发明的详细介绍，本发明的保护范围不限于此。
Claims (4)
1.一种基于Unity3D渲染的半自动化动画制作方法，其特征是，包括步骤如下：
S1.Mesh网格制作与动画资源库建设：
Mesh网格制作先进行造型准确的高模制作，选取参考模型，将参考模型和制作模型的低细分模型在三维软件中进行匹配调整后，然后全部导入包裹运算软件进行点选择匹配，最后对运算结果低模检查和细节修复，修复完后利用参考模型的细节信息贴图进行模型细节烘焙优化，调整完成后将细节信息塌陷至制作模型网格，这样高精度模型制作完成；因根据面数多少可分为有相同附带信息的高模和低模，这样就有制作好的高精度模型和低精度模型备用；
动画资源库建设先进行骨骼自动化绑定和权重自动化生成，通过制作模型、匹配带权重的参考模型、包裹运算形成中介模型、拷贝参考模型的权重信息给中介模型得权重复制中介模型、进行制作模型骨骼位置导入和调整、把权重复制中介模型的权重信息导出至制作模型应用实现；动画信息烘焙，把已有动画的骨骼信息上传至动画资源库；动画资源库的动画信息可实现拷贝至不同的模型，便于调整和修改，最终实现动画资源库的动画信息的应用；
S2. 渲染环境的搭建与效果调试：利用制作好的低精度模型，在三维动画软件和unity中同步搭建一致的渲染环境，进行测试渲染和调整，并根据unity交互设计进行模型合批和材质分配设计；
S3.进行光照模型计算：利用制作好的高精度模型进行高模信息贴图烘焙，将模型信息贴图导入贴图绘制软件并赋值给相应的通道参与计算，进行贴图绘制，贴图不断更新并在三维动画软件搭建的渲染环境中测试渲染效果并进行材质参数调整，待渲染效果满意后将带光照通道信息的渲染结果烘焙至贴图，用于在unity中通过采样参与合成和计算得最终实时渲染结果；
S4.unity渲染管线自定义设计和结果展示：将制作好的低精度模型信息和烘焙的光照通道信息导入unity，制作自定义Shader，cpu提交模型顶点信息、法线信息、切线信息、顶点颜色信息、采样坐标信息和预计算的光照模型通道信息贴图给gpu进行计算，通过在顶点程序和片段程序中进行坐标变换和光照模型计算输出最终颜色值，通过shader绑定的材质球进行参数调整实现最终的动画渲染效果显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D渲染的半自动化动画制作方法，其特征是，步骤S1中动画资源库的动画信息的应用，过程为制作骨骼信息与动画资源库中已有动画的骨骼信息进行匹配，进行动画映射，动画的优化调整，将动画信息烘焙至制作骨骼，导出fbx格式在unity引擎中进行使用。
3.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D渲染的半自动化动画制作方法，其特征是，步骤S2中搭建一致的渲染环境，包括模型参数设置、灯光参数设置、渲染环境设置、渲染参数设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D渲染的半自动化动画制作方法，其特征是，步骤S3中高模信息贴图烘焙，模型信息贴图类型有置换贴图、模型空间法线贴图、曲线贴图、厚度贴图、阴影自遮蔽贴图、世界空间法线信息贴图、透贴。
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