УДК 004.94

Оптимизация сканированной 3D модели под задачи статического рендера и рендеринга в реальном времени

Гатальская Елена Анатольевна – кандидат исторических наук, доцент МИРЭА – Российского технологического университета.

Ивенский Артем Викторович – студент магистратуры МИРЭА – Российского технологического университета.

Аннотация: В статье рассматриваются возможности оптимизации сканированной 3D модели при конкретных заданных условиях. Детально анализируются все этапы эксперимента. Теоретической значимостью является разработка в комбинировании двух типов ретопологии. Практическая значимость заключается в реализации скульптинга с использованием ряда указанных в работе графических программ.

Ключевые слова: 3D графика, ретопология, модель, текстурная карта, рендер.

Актуальность данной тематики в необходимости совершенствования практических навыков и изучения возможностей в 3D графике. В условиях современной информатизации всех отраслей деятельности человека, эксперименты в компьютерной графике, имеют безусловную ценность в теоретических и практических областях науки. Это направление представляет научный интерес и для точных реконструкций исторических элементов, скульптурных и архитектурных комплексов. Например, с помощью ЗD графики проанализированы делали в проекте исследующим частично разрушенную церковь Николая Чудотворца в Амракиц, Лорийской области Армении [1].

В статье практическая работа рассматривается на примере монумента Воина-освободителя. Сканированная модель обладает отличной детализацией и фотореалистичной текстурой, при этом имея и негативное качество, а именно излишнее количество полигонов на 3D модели (рис. 1.). Большое количество полигонов увеличивает время статического рендера и понижает FPS у рендеринга в реальном времени.

Рисунок 1. Пример полигональной сетки сканированной 3D модели части монумента воин-освободитель.

Для уменьшения полигонов модели используют метод ретопологии. Существует два типа ретопологии: мануальная и автоматическая. Для сохранения качества чаще всего используют мануальные инструменты ретопологии встроенные в 3D редакторы такие как Freeform в 3D max и подобные в других 3D пакетах. Так же имеются сторонние программы, которые позволяют построить сетку в мануальном режиме, такие как TopoGun. Принцип ретопологии в мануальном режиме заключается в построении новой 3D модели поверх старой с привязкой к ней [2]. Это позволяет контролировать количество и форму полигонов, но занимает длительный промежуток времени.

Для ускорения процесса используют автоматическую ретопологию. Рассмотрим этот инструмент на примере программы Zbrush. Необходимо учесть, если модель по полигонажу выходит за рамки разумного, то надо изначально прогнать её через программу Materialise Magics как в нашем случае (рис. 2.).

Рисунок 2. Пример перестроения сетки в программе Materialise Magics.

После автоматического перестроения сетки в программе Materialise Magics уменьшили количество полигонов в 28 раз, а именно с 4000 в 141 тысяч. Сетка имеет форму трианглов и стоит её привести к качеству квадрантов также подкорректировав количество полигонов в меньшую сторону. Для этого переходим в Zbrush и используем функцию ZRemesher (рис.3.). В итоге получаем сетку качества квадрантов и количеством в 50 тыс. полигонов что в три раза меньше предыдущего результата.

Рисунок 3. Пример перестроения сетки в программе Zbrush инструментом ZRemesher.

Далее требуется перепечь карту Diffuse map и создать текстуры типа Normal Map и ambient occlusion на новой 3D моделе. Но для начала создается развёртка модели. Она выполняется в мануальном или автоматическом режиме. Для данного примера выбран мануальный способ выполненный программой Uvlayout (рис.4.).

Рисунок 4. Пример создания развёртки в программе Uvlayout.

На следующем этапе изменяем текстурные карты с Hi-poly модели на Low-poly. Здесь понадобятся текстурные карты типа Diffuse map, ambient occlusion и Normal map. Для запекания карты Diffuse map воспользуемся инструментом Render To Texture в программе 3D max. А для запекания карт типа ambient occlusion и Normal map была использована программа substance painter (рис.5.).

Рисунок 5. Пример работы текстурных карт.

В результате точного соблюдения всех этапов действий получаем модель, полигонаж которой в 80 раз меньше относительно оригинала при соблюдении всех пропорций и детализации. Проверим прирост производительности при рендере. Для данного этапа работы будет использован игровой движок Unreal Engine с технологией рендера в реальном времени. На экран будет выводится FPS игрового уровня (рис.6.). В сцене расположено 6 моделей hi и low-poly. Отметим, что у оригинальной модели FPS не превышает 18 кадров в секунду, а у нашей модели FPS 120 кадров в секунду.

Рисунок 6. Разница в FPS между Low-poly и Hi-poly.

Исходя из результатов выполненной экспериментальной работы, можем сделать вывод, что затраченное время на обработку сканированной 3D модели окупается приростом FPS и скоростью рендера в проекте. На обработку одной модели уходит от одного часа до четырех часов в зависимости от сложности модели и выбранных методов, что можно учитывать при создании аналогичных моделей в 3D графике.

Список литература

1. Верстак В. 3ds Max 2008. Секреты мастерства Array / В. Верстак // Питер. - СПб. – 2009. – 1470 с.
2. Мамонова С.А. Виртуальная реконструкция храма Николая Чудотворца (Лорийская Область Армении): исследование объекта культурного наследия русского присутствия в Армении в XIX - XX веках // Историческая информатика. 2023. №2 (44). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/virtualnaya-rekonstruktsiya-hrama-nikolaya-chudotvortsa-loriyskaya-oblast-armenii-issledovanie-obekta-kulturnogo-naslediya-russkogo (дата обращения: 01.12.2023).