鲁逸凡

(武汉传媒学院动画系 湖北武汉 430064)

在三维模型资产制作流程中，赋予模型材质时要先进行UV 拆分[1]，UV 拆分一般解决方案是手动拆分模型UV。而艺术工作者在处理批量化的模型或者大多数贴图纹理样式较随机的模型时，运用手动拆分的方式耗时耗力效率低下，这时会选择用UV映射的作为解决方案，比如：常见的平面映射和球体映射，可以快速实现对白膜的材质构建，节省UV拆分环节的时间。而实际处理过程中常用的贴图映射相关方案难以达到预想效果，如投射方式限制所造成贴图拉伸、重叠，以及有的模型根本没有UV 属性而无法拆分UV。Triplanar投射方案可以规避以上问题。Tri-planar投射早期是作为一种解决三维地形纹理拉伸的方案[2]，近年来制作在资产创建环节得到推广，被多个三维软件内置为一种贴图投射功能选项。相比于以往依赖于根据模型顶点的UV 坐标来映射纹理的投射方案，Triplanar的优势是基于模型三维空间位置为UV坐标，分别从X、Y、Z这3 个维度映射，并判断模型面之间夹角角度，适配贴图最小幅度拉伸，实现模型贴图快速构建。

该文将通过Substance Painter 三维材质软件来展现Tri-planar功能在实际案例中的运用，扩展该贴图软件的实用与操作的特征，同时研究了Tri-planar映射的实操过程以及最终效果，再进一步分析Tri-planar的未来可使用的领域范围，为处理特定条件下优化模型贴图部分的流程提供了示范性思路。

1 UV拆分、UV映射以及Tri-planar简述

在三维资产构建中，当模型结构制作好了后，要赋予模型UV 属性并根据需求调整，以便让贴图根据UV属性匹配到模型表面，正确显示材质。其中UV 代表UV纹理贴图坐标的简称，这是三维软件中除了用于三维资产构建的XYZ世界坐标外的一个坐标系，主要作用是将三维模型空间信息转换为二维属性，来匹配作用于模型的各类贴图，如颜色贴图、法线贴图等。

1.1 手动UV拆分的优缺点

一般处理方案是手动拆分UV。手动拆分，即对模型的拓扑结构规划好模型面之间的划分区域，去分离模型UV，在UV 坐标系里展开、布局拆分好的UV 区域，最终制作出合适的UV平面图。美术工作者能根据对应的UV平面图去制作模型面对应信息的通道贴图。

手动拆分UV的优点与缺点都比较显著。首先手动拆分能被使用者灵活调整，对整体UV拆分、展开和细节调整的可控性极高；UV属性也可根据需求手动编辑，有很好的可修改性，最终得到的UV贴图往往是最贴合制作需求的；另外，市面上有以RizomUV为代表的自动拆分UV的软件或者插件，有相对先进的算法去自动拆分和布局模型UV，但需要手动校正与调整，一般作为手动拆分UV 中加速的UV 展开与布局的辅助功能使用。

其缺点也相对很明显，首先对模型拓扑结构和顶点数有一定要求，拆解的模型拓扑须要根据模型动态结构布局，顶点数不能过多；拆分过程也要提前考虑好后续的UV划分与拆解、UV坐标上的布局，以及贴图绘制时难以避免的由UV 拆分导致的一些三维中相连面的UV坐标不连续，会有缝隙贴图接缝；其中手动拆解过程中需要调动大量相关的拆散功能和布局功能，对模型师的技术能力与经验都有一定要求。另外，在处理批量化的模型资产时如树木、石头等，手动拆分UV会在此过程中消耗大量时间与人力，但是得到的效果并不突出。

1.2 UV映射简述和优缺点

UV 拆分的目的是为了让模型最终显示正确的贴图材质，不是所有情况下都需要手动拆分，在针对特定条件下不同模型会有相对应的优化方案。其中，通过纹理空间的UV坐标与三维物体表面坐标的映射关系,给三维物体顶点赋予色彩纹理，这个映射到三维物体上的过程被称为纹理映射[3]，因为涉及UV 坐标，所以也叫UV 映射，它包含创建、编辑和整理UV 的过程。UV映射可在三维视图中快速赋与模型贴图信息，可以根据预先设置的投射规律把贴图信息转换到模型表面上。相比于手动拆分UV，贴图投射操作快速且方便。

艺术工作者在软件中会常调用到不同类型的UV映射功能，这些映射功能的实现过程由模型的纹理空间映射到选取的中介面，再从中介面到三维物体空间的映射[4]，其中中介面指投射曲面，曲面形态决定了投射的形态。常见的曲面有平面、球面、圆柱面等，所以大多三维软件（以maya 和max 平台为主）用的方案包含：平面映射、圆柱体映射、球体映射等。其中平面映射常用于单面片物体、矩形物体以及一些平整的多边形面，如书籍照片、包装盒、桌子等；圆柱体映射主要用于圆柱体和带转面的柱体状物体，如铁管、人物的臂膀、腿等；球体映射主要用于圆球型物体，如足球、灯泡等。这些方式可以直接对被映射模型给予颜色信息，同时如果需要调整贴图位置则可以通过输入或滑动参数按键，相比人为调整UV可以在操作上简易很多，耗时小很多，如果模型和映射方式匹配适合，则可以直接跳过人为调整UV贴图的环节。

而UV 映射也存在很多的问题,由于其依然基于UV坐标，当投射角度不匹配模型面朝向会导致的纹理变形；由于投射图像在UV 坐标上的比例失调采样失真，而导致视窗上模型图像走样锯齿化等问题。

而且不同方式的投射也各有各的使用限制。平面映射存在的缺点是它再三维空间中只能向一个矢量方向投射，当我们需要投射的贴图表面没朝向需求映射的方向或者产生映射角度偏差时，贴图会沿着投射方向一直产生图像拉伸。球体映射[5]也存在类似问题，虽然球体映射范围是全角度投射不会受到任何投射角度的限制，但其投射角度最终会转换为UV 坐标来计算，即得到类似地球仪经纬度的视觉效果，往两极方位上有拉伸，越靠近顶端UV拉伸越严重。圆柱体映射的缺陷则是集成了两者的问题，相对使用范围更小。

1.3 Tri-planar映射简述和优缺点

综合上述几种投射的缺限，可以发现基于UV 坐标的纹理映射方式都会受限于UV 坐标本身和单一空间维度的空间方向的限制，在实际处理模型时容易造成贴图拉伸而难以达到理想效果。那么从三维坐标系的3 个轴向进行各方向的贴图映射并将这3 种投射间的边缘混合起来，理论上可以解决投射方位和接缝的限制。Tri-planar 映射的原理就是用模型自身在三维空间坐标系的顶点位置作为UV来实现贴图的映射，并用模型法线或面朝向作为贴图间的混合权重得到视觉上类似纹理合成[6]效果，因为这种映射可以看作是从空间坐标的3 个平面朝向进行映射，所以被叫作Triplanar。具体如图1所示。

图1 Tri-planar原理示意图

基于上述原理，可以判断出Tri-planar具有以下方面的优缺点。

1.3.1 Tri-planar的优点

（1）不依赖UV的映射。一般贴图映射到模型，是根据模型每个顶点的UV坐标来映射纹理。Tri-planar由于投射原理是基于世界坐标信息，其UV属性是世界坐标信息转换过来的，所以在处理一些带有动态形变效果模型或代码生成而没有UV属性的模型的贴图时，不用像其他方法去考虑传统UV带来的效果影响。

（2）最多可支持3 种不同贴图的映射混合。Triplanar方案是从3个维度进行的投射贴图，如果投射的不是单一的贴图而是多张贴图，理论上可以实现最多3种贴图的混合使用。

1.3.2 Tri-planar的缺点

（1）运算速度相对比较耗时。由于Tri-planar方案是从3 个维度同时投射贴图，其纹理搜索载入的耗时理论上是其他投射方案的3 倍。计算UV 坐标和混合权重对电脑而言不是很繁重的工作，但当运算量大了后，操作人员使用体验和效率会大打折扣。如当模型只是对漫反射或固有色纹理进行Tri-planar处理时，使用时不会产生多大影响，但如果还计划对模型的高光贴图、法线图、其他细节贴图等进行Tri-planar处理，尤其是贴图精度越大的情况下，运行效果会卡顿。

（2）由于3 个方向投射对贴图指向没有很明确的方向性，对于处理纹理比较规则的贴图时，在边缘混合时难以遮掩消隐纹理边缘，效果不佳。所以，对贴图规律性强、有特定贴图纹理接合需求的复杂模型不推荐使用Tri-planar处理。

1.4 Tri-planar适用条件

根据已讨论的原理和优缺点，可以分析Tri-planar适用于处理哪些模型，为后续实际操作挑选适用的模型做测试。现一共列举了以下几类模型对象。

1.4.1 树木

树木类模型的树干和树枝模型拓扑结构繁杂，顶点数多，手动拆分UV需要花费大量时间，而这一类自然物体的纹理通常无序，接缝问题会凸显。使用Triplanar 投射可以不用拆解UV，得到无拉伸且接缝不明显的优质模型纹理。

1.4.2 石头

创建岩石类资产与树木问题类似，转角结构繁杂顶点数量众多，块面转角的角度比较大，处理固有色和反射贴图时可以使用Tri-planar映射避免接缝，但处理法线贴图时没有较好解决方案，推荐用高模烘焙贴图到低模的传统流程。

1.4.3 地形

Tri-planar 映射与地形修改功能配合使用可以在地形横截面方向的纹理避免拉伸，在创建陡峭山坡，侵蚀地貌以及其他复杂地貌的纹理效果明显。

1.4.4 程序生成模型

程序代码生成的模型资产缺少UV 属性，Triplanar映射能直接添加赋予模型纹理贴图。

1.4.5 体素模型

体素模型指由VDB 体积文件转换生成的几何体模型，其模型本身的拓扑结构根据体积采样而生成拓扑，这种采样生成的拓扑结构，容易随体积文件在空间中位置变换而改变，其UV属性相对不稳固，Tri-planar适合生成此类模型的纹理[7]。

2 三维软件中Tri-planar的应用

在讨论Tri-planar的原理和适用对象后，对美术工作者关键的还是操作实用性。出于演示与交互使用便捷性，此次测试使用Substance Painter 2020软件进行应用操作。

Substance Painter（简称SP）是一款市面上流行的三维贴图绘制软件，这款软件良好地融合了程序化贴图和传统手绘贴图的操作方法的优势，使用者可以直观地在视窗口看到投射贴图模型的空间位置和贴图拉伸情况，也能自定义调整参数得到所需要的贴图边缘混合效果。

2.1 操作步骤

考虑到Tri-planar的特征和适用处理对象，演示以一个纹理上比较随机没有强制规律性的树木模型为例子，为了确保整个论文试验中的材质制作的严谨性，该文中的树木模型在导入SP 软件前对原有模型文件清除其UV属性，确保原始模型的UV属性值不会对后续制作产生偏差影响。

此次测试先把准备好的树木模型导入3ds Max 软件，对模型属性编辑，使用修改器面板下的“UVW贴图清除”功能选项，可得到没有UV 属性的模型，导出obj文件。

打开SP软件后，直接导入处理后的树木模型会发现报错，这是因为SP本身是手动绘制软件对导入模型必须要求有UV属性。这里正常导入需要在SP功能栏下的“设置”选项中，勾选“导入模型的UV自动拆分”选项后，就能正常导入。赋予模型的UV属性可保证模型在SP中正常支持手动绘制贴图和投射贴图两种方案，前文介绍优点提到投射也不会影响本身模型的UV属性。

树木模型导入后显示白膜状态，这时候给予一个填充图层，在图层通道下只勾选固有色（base color）通道，确定好后下方通道列表内只显示固有色的通道，之后选择树皮纹理的图像或者纹理类似的程序化噪波贴图，鼠标按住对应的贴图拖入固有色链接通道内，模型得到纹理显示。若视觉上会发现明显的贴图比例不正确的情况，可在属性调整栏中的比例滑块里调整贴图缩放尺寸。在视觉上调整到的一个舒适的值后，拉近视图检查模型贴图匹配程度，可发现树干、树枝周围的接缝情况比较严重，贴图不规律感强显得凌乱。因为此时的投射方案默认为按模型UV投射，需要切换投射模式。找到“properties—填充”模块下的“投射”，模式切换为“Tri-planar projection”的选项，得到Tri-planar映射贴图到模型。可能由于两种投射模式不同，贴图显示比例有一定差别，这时候可以再次调整贴图的比例大小。同时可以发现切换投射模式后贴图的接缝问题基本得到解决，而若想调整接缝融合的程度（或称权重），在投射选项下找到“硬度”滑块，通过滑动滑块可以看到纹理接缝的融合和重叠程度变化。此时在选中图层的情况下，可配合着鼠标控制移动、旋转投射贴图在三维视图中的中心位置和朝向，改变投射到模型表面上纹理的布局和随机性。调整后得到适合的模型贴图，从局部（图2（a））和整体（图2（b））观察纹理，没有任何拉伸和接缝问题。

图2 Tri-planar处理的树木模型贴图效果

接着要将视窗口呈现的贴图烘焙，作为模型的贴图输出，可在各三维平台间跨越使用。检查无误之后选择功能栏下“文件”，打开“导出贴图”，在“导出模板”模块去自定义输出的固有色通道，以及在“设置”下的选定输出文件夹和图像尺寸，这里使用常规的2048×2048，保存为16位.png格式，最终输出。

此次测试仅输出固有色通道直观测试Tri-planar的映射效果，而如果对模型其他通道和基本纹理有更多需求，可以在此基础上继续添加图层进行纹理添加和手绘调整，但软件技术操作和艺术细化内容不在此次研究范围内而不再展开。

通过实践可以发现使用Tri-planar 投射方式能在短时间内，对纹理随机、没有特殊贴图要求的复杂树木模型制作出质量不错的纹理贴图，而且期间没有改动任何UV信息。生成的模型贴图可以直接投入使用。

2.2 关于Tri-planar进一步拓展研究

近年来，学术界热衷于各领域机器深度学习的研究，三维游戏和影视也越来越趋向于各类程序化的生成研究，在上述原理讲述和操作中，可以注意到Triplanar 的操作思路很适合用于批量化，程序化生成的模型贴图制作流程。2017年，Houdini 17.0版本中推出了PDG（Procedural Dependency Graph）系统，一个可调用多核并行运算的资源调度管理系统，给予了使用人员批量化生成同类型资产的基础。2019年游戏《漫威蜘蛛侠》在GDC游戏开发者大会的技术展示中[8]，整个游戏场景系统大多通过程序化自动生成与优化，其中包括大量的各类城区地形、植被、道具资产，让批量化生成差异性的三维资产方面看到了有极大的可能性。那么在未来的研究中可以尝试配合Houdini 的PDG 系统生成道具类或自然类模型时，加入Tri-planar投射环节，测试反馈批量化资产模型生成的模型贴图的效果质量，探索模型与匹配贴图的快速生成流程的可能。

3 结语

该文介绍了Tri-planar 投射的特点，并在SP 软件中通过运用Tri-planar功能以及调整相关参数，在未改动调整UV的情况下，快速制作了无贴图接缝和明显拉伸效果的树木模型贴图。该文介绍的Tri-planar 映射方案，在处理对纹理随机性强且对贴图接缝量多的一类模型时，如树木、石块等自然类资产，减少了调整UV的环节，同时让使用者可以自由调控模型贴图映射位置与贴图边界融合程度，配合直观的手动绘制贴图可达到更好的效果。在掌握该文贴图知识点的基础上，可以在其他软件平台内部调用Tri-planar 功能制作纹理贴图以及尝试更深入的技术，比如：可以在Houdini平台中配合其PDG系统，批量化生成可复用的模型资产中的无接缝贴图。