《三维游戏场景设计【论文】9500字》

三维游戏场景设计129631绪论 1233591.1研究背景 1260641.2研究目的与意义 1233322游戏场景相关内容概述 155042.1三维游戏的起源与发展 1192182.2游戏场景设计概念与特点 285432.2.1游戏场景设计概念 227202.2.2三维游戏场景设计特点 3222263三维游戏场景设计与构思分析 3135773.1三维游戏场景设计功能 34983.1.1服务于游戏本身 353083.1.2影响游戏剧情发展 479993.2三维游戏场景的设计方法 4268213.2.1紧扣主题，确定场景主调 4317363.2.2发挥想象，勇敢创新 4128603.3游戏场景设计涉及的相关软件 5169663.3.13dsmax 5128843.3.2unity3d 560363.3.3V-Ray 5178624三维游戏场景设计与制作分析 5263134.1前期准备 6288404.2模型制作 6320684.3贴图制作 7179084.3.1三维游戏场景贴图的分类 763454.3.2场景模型的贴图和材质绘制 8287444.4三维游戏场景设计实践 9137614.4.1外墙制作 934964.4.2门窗制作 9103544.4.3道具制作与摆放 10241344.4.4模型内饰添加 1184864.5Unity内部交互设计 1116964.5.1添加模型预制体 11313194.5.2摄像机的添加 12264814.5.3添加空气墙 1326963总结 1625162参考文献 171绪论1.1研究背景对于网络游戏，资深玩家总是会谈论第一代网络游戏的诞生所带来的震撼和情感。《奇迹》和《热血传奇》以其惊人的视觉效果迷住了所有的玩家，这些史诗般的网络游戏将激励中国玩家玩3D游戏。随着网络游戏产业的不断发展，计算机软硬件的研发水平不断提高，网络游戏也呈现出蓬勃发展的前景。《魔兽世界》、《传奇》、《劲舞团》、《英雄联盟》等等，不断创造中国网络游戏的最高记录，给中国网络游戏玩家留下了深刻的记忆，为中国网络游戏的自主发展开拓了道路。随着游戏产业的快速发展，游戏设计师也面临着前所未有的挑战。随着背景故事和核心游戏的发展，游戏的图像和场景设计也必须随之发展。特别是在3D游戏设计中，游戏场景是游戏主题和画面效果的直接表现，也是决定游戏视觉效果的最重要的元素。1.2研究目的与意义一个优秀的场景设计不仅要有丰富的视觉体验，还要能把玩家带入到具有文化内涵的游戏世界里，创造出一个不空洞、不简单、有深度的虚拟世界。因此，游戏场景的设计和制作非常重要。本文根据笔者实际设计经验，结合影视、动漫的艺术表现手法，分析和总结出三维游戏场景设计的艺术特征和设计方法，这将有利于我们在设计游戏场景中有据可依，有理可循。同时也是对游戏艺术设计思维的补充，提升游戏设计的内涵和价值。2游戏场景相关内容概述2.1三维游戏的起源与发展三维游戏如今在游戏市场有着绝对的优势，它占领了游戏市场绝大部分的比重，因而，除了一些新兴的三维游戏公司，很多传统的游戏公司也开始转投入到三维游戏的开发制作中去。早期的三维游戏，不能算是严格意义上的三维游戏，它们大多都只有一个单一的视角，玩家不能随心所欲的旋转画面，只是说游戏在角色和模型上利用二维的技术做出了类似三维的画面来。这样的局面一直持续了很多年，直至上个世纪90年代一个致力于三维游戏的公司做出了一款三维的游戏，名字为《德军总部3D》，这款游戏的出现让广大的玩家耳目一新，但是在这款游戏中玩家也不能尽情的选择视角镜头，只能达到90度的旋转。紧接着，该公司又开发出了一款名叫《DOOM》的游戏，相对于《德军总部3D》这款游戏的三维制作技术又进一步的成熟了一些，游戏的玩家可以在游戏的场景中自由的转换角度，并且画面的三维视觉效果也逐渐的完善了起来。最近十几年里，三维技术可谓是发展的如火如茶，不断地在技术上突破前进，同时与艺术工作者的合作和配合也越来越紧密，如三维动画片《海底总动员》等，画面的效果和风格无不显示着三维制作技术的日臻成熟，在这样的大环境影响之下，三维游戏的发展也在飞快地前进，并且大手笔大制作的游戏也越来越多的出现在人们的视线中，例如《最终幻想》、《鬼泣》，这些游戏都曾是三维游戏中的巅峰之作，至今也有其不可超越、不可比拟的部分，在全球无数的玩家心中留下了不可替代的烙印。随后，大批与三维相关的游戏娱乐和制作公司应运而生，网络游戏的三维化说明了三维在人们的娱乐生活中的重要性，也是未来一段时间内游戏市场的发展朝向。但是从国内的人们游戏来说，目前国产游戏制作明显落后于欧美、日本等其他国家的游戏制作，而且我国民众对于游戏的第三产业的认识度和积极性一直不不能够将其提高到一个相应的档次，从而导致国产游戏的落后。从三维游戏制作的基础出发，是需要身后的艺术修养的，一个艺术修养和工地十分扎实的游戏制作人远远比一个没有艺术修养的人做的要好很多。从目前游戏的发展趋势来看，大多数游戏是需要精美的场景和丰富的动画来加强游戏的视觉感和震撼力，而随着数码技术的革新，人们艺术的修养也在提高，继而人们对于屏幕里所呈现出来的画面的要求也越来越高。所以，三维游戏的设计和制作不能仅限于技术层面上的提升和程序操作上的进步，还要投入大量的人力和时间，学习国外的先进手法，注重与美术工作者和艺术工作者进行合作，将游戏的画面质量和动态效果一并提升到设计艺术品的范畴中来。2.2游戏场景设计概念与特点2.2.1游戏场景设计概念游戏场景设计是指除了角色造型以外，一切游戏里的物体的造型设计，包括建筑物、角色服饰道具等。游戏主体是指游戏中的人物角色以及一切围绕在主题周围，控制着游戏中的剧情发展的所有物体。例如角色们生活的建筑物场所、场所内的桌椅板凳和角色所使用的刀剑等道具、游戏所设定的社会环境、周遭的自然环境以及游戏大背景下的历史环境。场景的设计既要符合一定的逻辑性和历史正确性，又要保证一定的创新性。场景的设计类型一般也分为三种，室内场景和室外场景，室内和室外相结合的场景。一般场景设计有专门的设计师来做，在一款游戏着手制作之前，会有场景设计师来进行概念绘图，包括场景的整体效果图、场景平面图、立面图、鸟瞰图等等，另外，对于重要的细节部分，还会着重的绘制细部图，来细化和规定某一重要的场景。现在越来越多的游戏公司会要求设计师绘制气氛渲染图，旨在将游戏的氛围和整体的风格做一个图面化，以为后来的制作人员指明创作方向。2.2.2三维游戏场景设计特点对比2D游戏来，3D游戏的场景设计有以下几个特点：（1）3D游戏最后是以模型呈现，因此模型的面数会对硬件资源的要求有很大的影响。因此，3D的原画在设计时就需要考虑到后期模型制作的面数问题，需要设计出模型制作面数少，同时又丰富好看的设计图。而2D游戏最后呈现是以图片的方式，因此没有这方面的顾虑和要求。（2）2D游戏最后呈现的就是平面的图片，原画的精细度就决定了游戏最后呈现的精细度。3D游戏还需要模型的制作，模型的精细度将决定了游戏最后效果的品质。因此3D游戏的原画更侧重设计环节，对刻画环节要求不是太高，很多时候原画都比较粗糙。（3）3D游戏所创造的是一个立体的虚拟世界。那么在设计的时候，就要求设计师更需要有空间立体的概念，对游戏整体的空间、景深以及各个视角都要照顾到。比如设计单体建筑时，就需要思考到建筑的各个角度的造型:设计整个城镇的时候，就需要考虑到整个城镇的布局和各个角度的造景。而不像2D游戏一样只需要考虑一个视角的下，整个画面的构图。简单来说，3D游戏在创造一个世界的缩小的模型，而2D游戏则是绘制一幅幅插图。3三维游戏场景设计与构思分析3.1三维游戏场景设计功能三维游戏场景的设计旨在于将一个虚拟的世界用写实的手法给它呈现出来，这手法既包含了艺术的审美，又包含了先进的技术。感染力极强的场景能够给玩家展现出一个生动逼真的画面，包含着许多的文化内涵，帮助玩家理解和进行游戏。所以，游戏场景是一个游戏的最重要组成部分，它既是游戏的载体又是游戏中的主体。3.1.1服务于游戏本身三维游戏中的场景设计，是一个独立的艺术设计，但同时它也服务于游戏本身。它承担着游戏的虚拟世界，为了游戏的矛盾和冲突而服务，为了角色人物的塑造而服务。它要求游戏的设计人员有一定的技术能力，还要有一定的艺术水平。一款游戏的面市，游戏的场景既要有创新性，不同于以往的游戏，让玩家为之心动，又要有艺术性，能让玩家在游戏的同时感受到技术和美的完美融合。游戏的场景制约着游戏的镜头，镜头的每次转向都会给玩家呈现一个不同角度的场景画面。场景的设计一般是根据游戏脚本所给出的创意思想来安排镜头的设定，例如镜头的景别选择，远景和细节的设定以及镜头画面所展现出的画面氛围。3.1.2影响游戏剧情发展三维场景还会影响到游戏剧情的发展，比如，在每个年代，都会有相应的建筑规模和建筑形态，人们的生活方式和建筑也是息息相关的，那么游戏中的人物角色就要选择与其身份相符、生活方式所匹配的场所和建筑物来生活，继而，角色的活动范围和生活状态也会受到影响，所以三维场景的不仅仅是给角色提供了一个场所，这个场所就如同我们真实世界中的场所一样，与生活在其中的人物角色是一体的。三维场景的设计不仅仅是影响着剧情和人物角色的发展和行为，它还影响着游戏玩家在娱乐时的情绪，玩家在游戏中会根据所置身的不同氛围和地形的场所而产生不同的心理情绪，比如，一个山洞的场景，这个山洞被制作成一个幽暗逼仄的狭小空间，幽幽的光线照进洞口，在这样的场景之中，玩家会有一种强烈的代入感，因而会产生恐惧、惊慌、紧张等情绪。这些情绪的产生就源于这个山洞的场景设计，具体说来是通过山洞场景的色彩、构图、光影等元素来共同营造的。3.2三维游戏场景的设计方法3.2.1紧扣主题，确定场景主调从整体到细节是绘画和设计的基本要求。设计游戏场景的首要工作就是熟悉策划，了解游戏故事发生的文化背景和地理特征，从宏观出发，把握整体。另外在设计整个场景时，团队人员的创作意识和手法要一致，同时还要注意和角色风格的协调性，这样才能使得整个游戏美术风格统一起来。3.2.2发挥想象，勇敢创新所谓设计，其实就是思考和创意的过程，丰富的想象力无疑是最重要的。在进行三维游戏场景设计与制作过程中，需要设计师不断发掘自身的想象力，多去进行日常的经营积累，由于每个人累积的知识领域范围不同，将导致所擅长的设计区域也有很大区别。军事、科技、电子产品的爱好者，很可能在科幻、机械题材上有独特的理解;而鬼怪、奇闻怪事、神话故事的爱好者，设计上则可能会偏向玄幻、魔幻、仙侠等题材。所以，为了能够擅长更多领域的游戏设计，设计师要积累渊博的学识和丰富的经验。当我们在累积了阅历、搜集了资料之后，就需要使用想象力，把素材进行加工、再创造，形成新的设计。3.3游戏场景设计涉及的相关软件3.3.13dsmax3dsmax是Discreet公司开发的在计算机端应用的三维模型的设计与制作软件。3dsmax软件不仅可以创建多种类型的物体，例如圆柱体、异面体、环形结、植物、栏杆、粒子流源等，还可以创建摄像机、灯光、大气。并且它可以使用多种不同的修改器，例如倒角、扭曲、切片、平滑、弯曲、壳等。此款软件可用于三维建模、渲染及动画制作。本项目选用3dsmax2018作为建模工具，此版本稳定性高，操作相对流畅，对电脑的配置要求也不会很高，且易学易用。3.3.2unity3dunity3d是由UnityTechnologies公司开发的一个综合游戏开发工具，它可以让玩家轻松创建多种类型的互动内容，例如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等，是一个全面整合的专业游戏引擎。同时，安装unity时简单方便，可以同时安装多个版本。本项目选用unity2018.1.1f1这个版本作为开发工具。根据unity引擎的制作人介绍到：“2018.1版本是有史以来最大规模的一次更新之一，以两个核心概念为中心——下层渲染与默认性能。”在项目制作的过程中，本人也发现2018版本在烘培贴图时具有更可靠更高效的计算方法，比其他版本更稳定，制作出的效果也更好。3.3.3V-RayV-Ray是由一款常用的渲染软件。V-Ray为不同领域的优秀3D建模软件提供了高质量的动画渲染和图片渲染。方便初学者渲染各种3D模型。VRay的易用性、使用性更见长。VRay还包括了其他增强性能的特性，包括真实的三维运动模糊、级细三角面置换、焦散、通过材质的调节完成次表面散射的效果和网络分布式渲染。VRay优点是渲染速度快，可以很快的完成渲染。4三维游戏场景设计与制作分析三维游戏的场景设计大致可以概括为四个部分，这四个部分是：收集相关资料、场景初步设定、美术设计、场景制作。而这四个部分中每一环节又可以分出若干步骤，只有按照这些工作步骤一步一步的进行，才能保证设计制作过程不出现大的差错。当然，这些只是工作的流程，按照这些流程可以制作出一个个游戏场景，但若是追求艺术水平较高的游戏，最终还是需要制作人员的艺术修养来作支撑。4.1前期准备在最初的阶段中，设计人员的任务主要是聆听和收集，聆听即是准确领悟策划人员所传达的游戏主题和游戏剧本的思想内涵，收集即是按照剧本和游戏理念开始搜集相关的素材。在这部分的工作进行过程中，可以不按照先后顺序，有时候交叉并行的进行可以迸溅出灵感的火花。游戏的第一步是游戏的设定，首先要想好这款游戏是什么类型、具体有哪些内容，比如《英雄联盟》，游戏的内容主要是众英雄的联合对战，游戏吸引玩家最大的概念就应该是团队作战，那么在这样的游戏世界里就要保证有足够多样的地形变化，以适应不同族群的驻扎。比如《新仙剑》，游戏主要的是仙侠和恋爱为主线的剧情，那么游戏的场景就要设计的灵动自然，画风飘逸唯美。游戏的设定一般有前期的主创人员进行策划，最后传交给设计师制作，但是设计师在这个阶段也要尽可能的多了解游戏的概念主题，注重这一方面的内容材料搜集，以便更好地途释主题，创作出精美的场景，另外，在设计中也能够配合游戏的功能扩展深入场景的文化内涵。4.2模型制作当游戏的策划和场景的美术设定做好之后，就开始进入到场景的模型制作阶段了，游戏设计人员一般会选择兼容性较好的三维软件来进行模型的搭建，例如Maya和3DMax这两款软件，在笔者的这篇论文实践部分，就选用了模型面数较少、体积较小的3DMax来进行制作。一个完整的游戏的角色人物和场景的模型数量庞大，在以面为单位的三维软件中，一个建筑物的构成动辄上达几十万面，因而，我们在做场景的搭建的时候不能单一的追求单帧图片那样的完美视觉效果，需要考虑网络传输文件和平台机器的负荷的合理性，有层次的处理不同模型的不同细节，例如，远端的建筑物和景观可以采取简化网格后期贴图的手法来处理，因为距离摄像机较远，玩家在娱乐的时候，看到的也许只是静止的一个角度，而近处的物体进行细致化，如离角色较近的建筑物墙壁、门窗、道具等等，游戏角色置身其中，当镜头给到角色特写或者近景时，背后的这些细节也会以清晰地结构展现在玩家面前。有时候，为了提高游戏的运行速度，同一个建筑物会进行重复的搭建，例如一座城堡，当玩家进入堡内游戏的时候，外部的城堡结构就不会出现在摄像机视线内，因此，我们只需要搭建一个内部的场景，或者删除掉外部的多余网格面片，也就是说，力求在玩家平台机器的硬件负荷和网络速度的条件限制下，达到技术和美学的平衡。三维游戏场景的制作过程是从最基本的原画设计开始，原画设计根据游戏的主题设定和脚本来画出概念图和设定图，再进行模型的制作，最后经过展UV、绘制贴图、材质处理，最终到引擎里进行场景的集成、自然环境模拟、场景漫游等过程，形成完整的作品。建模最开始是根据场景的设定来进行结构的分析，这就好比我们开始动笔画一幅画时先打外形和结构线一样，大致的将模型归纳成几个大的部分，在这个基础上再进行逐一的细化，本着从整体到局部的大致步骤，来一步步的完成模型的搭建。创建模型时，将建筑群模型组以单位划分，在三维软件里，通过多边形建模的方式，将每一个单位进行搭建，最后以搭积木的方式，将这些分散的部分堆叠到一起组成建筑群。在使用三维软件进行见过的过程中要注意一下几个方面，第一，在搭建模型之前就设置好显示单位和尺寸比例，以防止不同时间和场景下建立好的模型堆叠到一起时出现比例上的不协调。第二，在建模的时候，注意模型的面片数量，数量过多，体积过大的模型不利于游戏的快速运行。一般在游戏中，场景里的建筑物都是比常规真实生活中的体积较大，而遇到这些大体积的建筑群或者自然景观是，如何让场景中的角色人物、道路树木、房屋天空以及角色的穿戴道具等等这些物体合理的放入同一个画面，从而建立最适合的场景模型也是我们关注的主要内容。建筑动画中的模型不同于美术设定中的效果图模型，因为效果图的模型是二维画面中的物体，所以在细节上可以根据创作人员的作画水准应有尽有，而建筑动画中的模型是三维实体的，它不能仅仅照顾到某一个视角上的画面效果，还要顾及三维空间内不同视角下的形态，所以游戏中的模型要根据具体的场景来制作。一般在制作时会本着这样两个标准来进行，在远观、鸟瞰时，模型和场景因为远离摄像机镜头，模型本身也没有动态行为时，我们可以采用面片较少，大致表现其基本形态的粗模；而在镜头拉近，摄像机内出现模型具体细节时，我们要着重的刻画这一具体部位，力求其在画面中的精致，这就是细模。另外，不论是粗模还是细模，我们都要按照画面中场景的1:1的比例来进行制作，即便是有所改动，也应该尽量按照原画设定给出的形态来建立。4.3贴图制作4.3.1三维游戏场景贴图的分类在场景的模型制作完成之后，会给这些模型加上贴图，让它们有颜色和肌理，这些贴图一般使用Photoshop等软件进行绘制，绘制完成是平面图片的形式，把这些图片导入到三维软件中，找到相对应的通道覆加到已经完成的立体模型之上，最终形成生动逼真的视觉效果。一个场景的画面效果一部分是模型建立的好坏，还有很大一部取决于贴图的效果。漫反射贴图是根据光的强弱来进行计算的一种贴图，光线比较强的时候表面的反射也会比较抢，光线比较弱的时候，固有的表面颜色会加深加重。二，凹凸贴图，凹凸贴图实际上可以给模型增加立体感，一个光滑的模型表面添加上凹凸贴图后也会出现立体的光影效果，利用这种方式可以省去很多建模的工作，通过模型表面的光影来实现模型的凹凸细节。凹凸贴图也有两种不同的类型，一种是法线贴图，另一种是高度贴图。法线贴图规定了一个模型表面的倾斜度，类似于服装布料的纤维，都有一个或顺或逆的方向，用法线贴图的方式来赋予材质肌理，也就是规定了我们所看到的表面的倾斜度。第三就是高光贴图，高光贴图是用来表现，当光线照射在物体之上物体所呈现出来的强烈的材质属性的。例如金属、布料、皮肤等对光源都有不同的反射效果，利用这些不同的反射光来区分不同的材质。在利用高光贴图时，制作者要明确的知道哪些是高光最强的部分，哪些是最弱的部分，什么材质的高光是什么模样，有层次有区别的处理高光，物体的渲染效果才会有信服力。4.3.2场景模型的贴图和材质绘制在当今的网络游戏的世界中，《魔兽世界》面世万家十几年来，一直保持着超高的人气，很大一部分的原因就是这款游戏的历代更新中，一直保持着较高的技术和艺术水准。这款有的贴图和材质的赋予也比同类的其他游戏的要求高很多。因为一般在三维游戏的制作中，是直接将制作好的模型组块放进三维引擎里去的，所以，在这之前一定要把模型的贴图制作工作做得非常完善。比如在制作毛发时，在模型制作阶段，毛发是用一个个的面片来建立的，这样可以使机器运行更快速，但是这样也会导致毛发的质感和立体感缺失了，这个问题就要在贴图上得到解决，在材质和肌理上给予了毛发的贴图之后，再附加一个透明贴图，来表现毛发疏密之间的半透明性，这样就给了玩家一个逼真的质感。而凹凸贴图，在制作这种细节丰富的游戏中更是必不可少的了，例如，角色的兵器和盔甲上有很多的花纹和雕饰，在初期的建模阶段不可能会细致到每一个面，而且面数过多会加重引擎的负荷。这个问题在贴图阶段只需要赋予它一个凹凸贴图就能够解决，凹凸贴图是通过黑白通道来控制物体的表面细碎的起伏，通过凹凸贴图的绘制能够给与模型表面立体的“假象”。《魔兽世界》这款游戏设定的角色和场景庞大且复杂，同时上线人数平均几千万人，能够流畅的运行，一方面得益于使用了游戏引擎搭载，另一方面也是在模型的面数上做了精简，这个精简没有降低模型的视觉美感，就是因为贴图在后期的支持和弥补。例如游戏里每个战士手上佩戴的护腕，这个物体本身是一个简单的粗模，甚至没有粗细和厚度的变化，但是在游戏的画面中，这个护腕不但有粗细梯度的变化，还有了丰富的细节和凹凸起伏的雕刻，这也是贴图的功劳。4.4三维游戏场景设计实践4.4.1外墙制作根据想法，用3Dmax制作外墙体，外墙都是几何体，在制作外墙体时，使用3Dmax样条线画出墙体框架，点击3dmax界面右侧的创建按钮，并选择“图形”然后再视口中创建一个星形和用线条勾勒出一个闭合的图形。在下面参数中输入挤出的厚度，效果如下图所示，同样方法挤出墙体图形。图4-1外墙制作4.4.2门窗制作基本墙体挤出完成后，在几何体基础上，加线划分出门窗空间，门窗以几何体为单体元素拼装组合成完整的形状结构。在制作密室逃脱空间时，门窗除门头单做，室内门窗结构是一样的，制作好一组后其他空间门窗用实例复制形式进行复制摆放。门头是密室逃脱主要特色之一，制作门头需要把等待，亚克力板位置考虑进去，后续制作灯光材质时候会效率提高，这是在制作门头提前考虑到的地方。图4-2门头制作4.4.3道具制作与摆放密室逃脱特色就是神秘，惊恐，试想像当你一觉醒来，发现独自在一个空间高度复杂且结构繁复，地下甚至天花板也是由一个个正立方体切成的，没有食物、饮料，身上穿了囚犯般的简陋衣服，心乱如麻的你四处试探，试图逃出生天。机关找到了，推门进去，是没完没了的密室。终于遇上黑人警察，继而是更多受害者。继续逃亡，他们发觉各人独有特殊技能可助离开这迷宫。人性丑恶和自私在这生死边缘间显露无在制作密室逃脱时制作和摆放很多制造神秘和恐惧色彩的道具，比如大众熟知的骷髅，棺材，坟墓等。图4-3模型顶视图1图4-4模型顶视图24.4.4模型内饰添加模型建设完全后加入吊灯，骷髅等内饰，增加游戏可玩性与趣味性，渲染游戏的恐怖氛围，调整内饰的角度，以及摆放位置。通过3dsmax的冻结对象能更好的完成内饰模型添加。图5-5密室逃脱内饰4.5Unity内部交互设计4.5.1添加模型预制体将模型预制体拖到场景中，并摆放到合适位置。图5-6添加预制体4.5.2摄像机的添加主角新建一个空坐标，空坐标下放着摄像机，用于当主角的眼睛。将脚本“noVRMove”绑定在空坐标上，该脚本用于控制主角WASD移动、空格跳跃以及摄像机（主角眼睛的旋转）。图5-7添加摄像机图5-8摄像机代码4.5.3添加空气墙先创建一个立方体，找到需要添加空气墙的物体图5-9立方体的添加调整cube的大小，并放到需要物体空气墙图5-10空气墙的放置（1）调整好cube大小，找到MeshRenderer