如今的电子游戏, 不仅仅是由代码编写的单纯软件, 更承载了开发者的内心世界^[1]. 正因如此, 电子游戏的题材与玩法也愈加丰富. 相比传统电子游戏中固定的游戏角色, 如今的开发者和玩家对游戏角色的期望值越来越高, 希望在游戏中获得更多的自由感(如: 自定义游戏角色模型). 换装系统, 正是游戏开发人员和游戏玩家追求自由的体现.

如果一款游戏搭载了优秀的换装系统, 对于开发者, 有可能大大降低开发难度; 对于玩家, 则有机会升级游戏体验. 举例来说, 著名的装扮类游戏《闪耀暖暖》^[2]、模拟经营类游戏《模拟人生》^[3]、大型多人在线角色扮演游戏《魔兽世界》^[4]等, 都内置优秀的换装系统, 且换装系统已成为这些游戏不可或缺的一部分.

然而, 独立游戏开发者想要实现具备换装功能的游戏, 是相当有挑战性的. 原因在于, 大型商业游戏工作室基本自研换装系统, 一般不会公开相关技术细节, 而国内也没有成熟的文献资料供参考. 因此, 利用换装系统插件完成换装功能, 成为众多独立游戏开发者和小型游戏工作室的首选.

设计换装系统插件给开发人员带来以下挑战:

(1)由于插件的使用者多为美工, 所设计插件应使无编程基础的使用者也能快速上手;

(2)设计换装系统插件涉及大量建模和图形学知识, 这就要求开发人员对美工职能有较为深刻的理解.

因此, 游戏开发者要设计并实现换装系统插件是有一定难度的. 国内学者的研究工作有涉及换装技术的, 例如: 杨静^[5]基于HTC VIVE设计实现了虚拟换装游戏, 李俊等^[6]基于人物替换技术实现了模拟试衣间, 徐康熙等^[7]基于物理方式实现了虚拟换衣系统. 然而, 这些换装、试衣系统的功能较为单一, 仅能实现特定环境下的基础装扮更换, 不能称为真正的换装系统插件.

目前, 市面上开源、开放使用的换装系统插件寥寥无几. 少量可供使用的换装系统插件中, 功能较为强大的是国外开发者基于Unity3D^[8]设计的Unity Multipurpose Avatar (UMA)系统. UMA系统的特点是开源、易用和功能丰富, 但也有缺点, 例如: 时间、空间复杂度较高; 更适用于制作美术模型, 而不适合运行时的角色动态合成.

为填补以上空白, 论文设计并实现了一个基于Unity3D平台的国产、开源换装系统插件, 命名为方舟角色创建器(Ark Avatar Customization, AAC). AAC插件采用改进的贴图集生成、编辑器扩展和预制件优化技术, 集成换装、捏脸和换色功能, 配合图形化扩展工具, 能够充分满足开发者游戏开发过程中的动态、个性化换装需求.

1 系统总体架构

首先, 从软件工程思想出发, AAC系统设计时需兼顾功能性、可维护性与可扩展性. 同时, 依据设计模式所倡导的单一职责原则^[9], 各个系统模块应尽量独立. 因此, AAC插件系统定义了一系列新的、功能独立的概念, 包括: 装扮、种族、角色、基因和染料. 各概念具体含义如表1所示.

1.1 装扮

AAC系统规定, 以装扮为基本单位进行角色的合成, 并使用字符串标识装扮所属的插槽类型. 装扮用以装备在角色身上, 每个插槽同一时间只能装备一个装扮. 当为角色装备插槽重复的装扮时, 旧的装扮将会被替换掉.

装扮代表了美术模型, 可以是上衣、饰品或身体部位(取决于使用者的目的). 通常, 使用者会将完整模型按照不同部位切分为局部模型, 如: 头发、上衣、下衣、鞋子等, 再分别制作成装扮.

系统实现方面, 由于模型包含骨骼、网格和贴图数据, 因此装扮需要存储它们作为角色合成时的数据依据. 为符合单一职责原则, AAC系统定义了两个概念分别存储美术模型数据, 它们是: 槽位资源和布局资源. 槽位资源负责存储模型的骨骼和网格, 布局资源负责存储模型贴图, 如图1所示.

需要指出的是, 槽位资源为装扮合成提供骨骼和网格依据, 而布局资源的功能不限于提供原模型贴图. 类似Photoshop的图层叠加原理, 假如将原模型贴图定义为第1组上下文, AAC系统规定: 布局资源可以包含一组以上的上下文(见图 1(a)). 进行装扮合成时, 从第2组开始, 依次将各上下文叠加至第1组上下文, 最终得到目标贴图组(见图 1(b)).

这样设计的好处在于: 能够实现类似“纹身”的装扮效果. 仅需更换“纹身贴图”, 就可以在不破坏、不冗余原模型贴图的情况下, 生成新的目标贴图. 此外, 由于“纹身贴图”一般来说精度不高, 系统可以使用较低的分辨率存储它们以节省空间. 结合染料的概念, “纹身贴图”还可以起到遮罩图层的作用, 即: 仅改变“纹身贴图”中非透明区域的颜色.

图 1中, 第2组上下文的“吃豆人纹身”的有效区域只有很小一部分, 但为了与第一组上下文中左边背心的中心对齐, 贴图预留了很多“黑边”. 为进一步优化内存空间, 可以缩小“吃豆人纹身”的贴图大小, 采用记录偏移值的方式, 将“纹身”移动到背心中间.

1.2 种族

AAC定义种族的目的, 是为创建角色提供依据. 与现实生活类似, 具有相同特征的个体被划分至同一种族. 换言之, 种族描述了这些特征的共性. 种族的基础数据定义如下:

(1)骨架描述和人类描述;

(2)装扮类型描述;

(3)基因描述和基因作用器描述;

(4)染料描述.

其中, 骨架描述用来重建角色的初始骨架, 人类描述用来创建Unity3D动画系统中的标准人类骨架. 它们都可以从导入至Unity3D的模型数据中获取.

装扮类型描述定义了某种族可接受的插槽类型. AAC系统规定, 只有处于装扮类型描述中的装扮才是有效的、能够参与角色合成的装扮. 通过配置不同的装扮类型描述, 可以实现为游戏主角(或者其种族)装备更多部位装扮、而为NPC (Non-Player Character)装备较少装扮的效果.

基因描述和染料描述的含义, 将分别在1.4和1.5节中详细介绍.

1.3 角色

进一步地, 为了区分种族中每个单独作用的个体, AAC系统提出角色的概念. 角色在种族中创建得到, 但每个角色可以有各自不同的表现(如: 装备的装扮不同). 系统需要为每个角色单独存储以下数据:

(1)装扮集合;

(2)骨架和Avatar;

(3)基因数据和染料数据;

(4)渲染数据.

其中, 装扮集合存储了角色当前装备的装扮. 骨架、Avatar、基因数据和染料数据分别从种族的骨架描述、基因描述、染料描述中创建得到.

1.4 基因

和现实生活中生物的特性由基因决定类似, AAC系统中的基因特指那些能够影响角色参数的属性. 例如: 命名为身高的基因影响角色的身高, 命名为肥胖程度的基因影响角色的肚子、手臂和脸等部位. 基因作用器则负责产生这些影响.

换言之, 基因负责定义角色有哪些受影响因素, 基因作用器则定义了这些影响因素如何影响角色. 之所以分别定义基因和基因作用器, 原因在于:

(1)基因影响的功能十分丰富, 如: 影响骨骼、影响染料颜色、给角色装卸装扮等. 为了支持这种灵活性, AAC系统定义了不同类型的作用器以匹配相对应的功能;

(2)某些基因的改变需要多个基因作用器共同作用才能实现. 最直观的例子, 肥胖程度基因需要修改肚子、手臂、脸等多个部位, 分别对应着多个不同的基因作用器.

图2展示了基因和基因作用器的工作原理. 当角色从种族中创建时, 会读取并包装基因, 成为基因数据. 当基因数据中的数值发生改变时, AAC系统会将与此基因相关的基因作用器应用至角色身上.

1.5 染料

AAC系统定义了染料的概念以实现换色功能. 和基因的定义原理类似, 染料指那些能够改变装扮颜色的名称. 例如, 上衣的装扮中有上衣颜色染料, 通过修改染料, 可以修改上衣装扮的颜色.

换色的原理本质上与图1布局资源中多组上下文合并的原理是一样的. 区别在于, 此时第二套上下文中的贴图是纯色的, 而非“纹身”.

具体实现方式为: 当角色从种族创建时, 会读取并包装其为染料数据. 增加两个颜色参数(乘性因子Multiple和加性因子Additive), 分别作为乘法因子乘以贴图颜色和作为加法因子加在贴图颜色上, 以获取换色后的目标颜色, 见式(1).

$Co{l_d} = Co{l_s}*Multiple + Additive$

(1)

其中, $Co{l_d} $ 为目标颜色, $Co{l_s} $ 为原贴图颜色.

综上, AAC系统概要设计图如图 3所示. 由图3可见, 基于Unity3D的编辑器扩展技术, AAC插件通过提供图形化界面和扩展工具, 使零编程基础的使用者也能轻松上手, 完成自定义游戏角色的换装功能.

2 系统实现关键技术 2.1 基于切割扩展的贴图合并算法

AAC插件以装扮为单位进行角色的合成, 包括骨骼合成、网格合成和贴图合成. 贴图的合成结果称为贴图集, 又名纹理集. 尽管Unity3D平台提供了纹理集合成的接口函数, AAC系统却无法调用. 原因在于, 角色合成过程中需要用到染料, 而Unity3D并不支持这一AAC系统自定义概念. 因此, 需要自行设计并实现贴图合并算法.

贴图集生成是计算机图形学中提高计算机生成贴图利用率的技术^[9]. 在贴图集生成、优化方面, 国内外已有大量的研究工作. 例如, Maillot等^[10]提出交互式纹理映射方法, Lévy等^[11]提出基于最小二乘保角映射的方法, Purnomo等^[12]提出无缝纹理图集的概念, 宋歌等^[13]提出基于动态空间合并的算法, 詹勇^[14]提出针对重复纹理的合并算法, 戴雪峰等^[15]提出基于贪心算法和退火算法的混合算法.论文在现有研究成果的基础上, 针对AAC系统对时间空间敏感、游戏模型贴图尺寸通常等于2的整数次幂的特点, 实现了一种基于切割扩展的贴图集合并算法, 主要包含两个过程:

(1)切割过程: 以空闲空间(Free Room, FR)表示贴图集中的空白区域; 向其插入一张贴图将会切割得到若干个更小的FR; 不断地将贴图插入这些FR并进行合并(见图4(a)至图4(c));

(2)扩展过程: 当贴图较大, 无法插入任一现有FR时, 放入更大的FR进行扩展(见图4(d)).

AAC系统贴图合并算法的关键代码如代码1所示. 其中, FRL代表空闲空间链表, ${S_{\rm tex}}$ 代表待合并的贴图集合, ${S_{\rm rect}}$ 代表贴图集上的矩形集合, CAW和CAH分别代表当前图集的宽度和高度.

2.2 编辑器扩展

为了使美工和程序开发人员都能方便地使用, AAC系统设计了图形化操作界面, 使用者无需编写代码即可调用相关API. 通过Unity3D平台提供的编辑器扩展功能, 用户甚至能制作出无需编写代码就能开发游戏的开发套件^[16]. 此外, Unity3D开源了C#引擎和编辑器代码^[17], 二者均为实现编辑器扩展的利器.

具体来说, 与图形界面软件开发原理类似, AAC系统通过Unity3D提供的绘制组件接口, 在窗口内逐个绘制组件, 并响应用户输入, 以及执行不同的逻辑操作, 包括:

(1)装扮制作: 提供装扮快捷制作扩展工具;

(2)种族制作: 提供装扮类型编辑器、基因编辑器、基因作用编辑器、染料编辑器;

(3)角色快速编辑扩展工具: 包括修改角色种族、装卸装扮、修改基因、修改染料、修改纹理集大小、序列化和反序列化、保存为预制件等.

代码1. AAC系统贴图合并算法关键代码

开始

//初始化FRL, 放入适当大小的FR

Init FRL with a appropriate_size_FR

// 设置CAW和CAH与此FR的宽高一致

CAW = appropriate_size_FR.w

CAH = appropriate_size_FR.h

// 对 $\scriptstyle {S_{\rm tex}}$ 按照面积从大到小排序

Sort S_tex by area from largest to smallest

For tex in S_tex

// 循环直到从FRL中找到合适的FR

While( !FindFirstBestFit( tex, out FR) )

// 若没找到, 则进行扩展

Expand()

// 向S_r中添加此贴图所处的矩形

S_r.Add( Rect(FR.x,FR.y,tex.w tex.h))

// 切割此FR, 并添加进FRL中

FRL.Add( FR.Sqlit( tex ) )

return S_r, CAW, CAH

结束

图5展示了AAC系统编辑器扩展示例图, 包括: 槽位资源编辑器、布局资源编辑器、装扮资源编辑器、基因作用器编辑器、燃料编辑器、装扮类型编辑器、基因描述编辑器、种族编辑器、装扮制作扩展工具和角色快速编辑扩展工具.

2.3 预制件优化

AAC换装系统中, 每个游戏角色是独立的. 因此, 系统会为每个角色分配独立的内存. 但是, 假如两个角色的数据完全相同, 例如: 拥有相同的装扮、基因和染料, 系统仍然得为它们维护两份独立内存, 从而产生数据冗余.

传统方法利用Unity3D提供的预制件技术来减少这部分数据冗余. 预制件是一种可重复利用的游戏对象资源类型^[18], 所有从预制件实例化得到的游戏对象都有与预制件相同的对象数据. 换言之, 若将游戏角色制作为预制件, 通过预制件实例化, 这些对象实例将共享相同的网格和纹理集, 从而减少冗余数据(原理见图6).

然而, 由图 6可见, 基于Unity3D的预制件方法在制作过程中仅保留了渲染数据中的网格、贴图集和骨架信息, 丢失了装扮、基因数据、染料数据和种族信息. 也就是说, 该方法不具备换装功能.

为了既减少空间开销又保留换装功能, AAC系统设计了保留换装功能的预制件, 具体实现方式如下:

(1)生成预制件的同时, 将角色的种族及附属资源一并写入预制件中;

(2)当从此预制件实例化时, 将会加载这些资源, 从而获得所有的系统功能.

实际应用时, 建议开发者通过以上方式制作一个类似“素体”且保留换装功能的预制件. 所谓“素体”, 是指只有基本装扮(如躯干), 没有修改过基因和染料的角色. 在此开发模式下, 只有额外的装扮才会产生渲染数据, “素体”部分的空间占用是共享的. 因此, 与不使用AAC预制件优化技术的情形相比, 此方法将大幅度减少冗余空间, 提高换装速度.

3 示例程序与性能分析 3.1 换装示例程序

我们设计和开发了一个能调用AAC插件的换装示例程序以展示换装效果. 程序建模工作流包括: (1)制作模型; (2)在线绑定骨骼和蒙皮; (3)对模型进行加工处理.

由图7可见, 添加AAC插件后, 换装示例程序具备了捏脸、换装、换色等功能.其中, 捏脸功能不局限于脸部基因的改变, 也包括身体各部位的变化; 换色功能既包括装扮(如帽子、上衣等)颜色的改变, 也包括基因(如肤色、眼球)颜色的变化.

3.2 性能比较与分析 3.2.1 时间开销

本节对不同装扮数量下AAC与UMA系统的时间开销进行比较(见表2), 结论如下:

(1)对于不同的装扮数量, 游戏角色进行换装合成所消耗的时间是不同的. 无论哪种系统, 时间开销均随装扮数量的增长呈正比例增长.

(2)大部分情况下(更换装扮数量少于7件), AAC系统比UMA系统的时间开销小; 当装扮数量接近上限, AAC系统性能与UMA系统性能持平.

3.2.2 空间开销

本节比较的是随机装扮数量下AAC与UMA系统的空间性能(见表3). 实验条件: 创建相同数量、随机装扮的角色; 观察对象: 创建前后系统内存的使用情况.

需要说明的是, 由于网格和贴图集占用内存的比例最高, 因此仅以网格和贴图的内存空间占用量作为代表进行比较. 本实验中, 网格顶点数不少于25000个, 贴图集尺寸约为2–4 KB.

实验结论如下:

(1)相同内存占用下, AAC系统容纳角色的数量接近UMA的4倍.

(2)相比UMA系统, AAC系统的时间空间复杂度更低, 更适合用于运行时的角色动态生成任务.

4 结论与展望

本文设计并实现了一个基于Unity3D平台的换装系统插件: 方舟角色创建器, 简称AAC系统. 该系统具备游戏角色换装、捏脸、换色等功能. 通过编辑器扩展技术, 该插件可提供图形化操作界面, 令使用者无需具备编程基础也能轻松掌握. 再结合预制件优化技术, AAC系统在完整保留系统换装功能的同时, 还可进一步提高系统的时间和空间利用率, 使换装系统适用于运行时角色动态生成的应用场景.

需要指出的是, AAC系统也存在一些不足, 如: (1)与UMA系统相比, 缺少高级功能; (2)未设计资源管理组件. 进一步完善AAC插件功能, 将是未来的研究工作重点.