3D AR特效如何在相机中无缝应用
为迎接牛年春节，给大家带来新年的祝福和欢乐，我们围绕关键词“牛”设计了一系列针对QQ相机业务相关的玩法滤镜，包括“牛转乾坤”、“牛气冲天”、“牛势已到”、“招财童子吐福字”等等，以创新的互动能力为QQ用户提供新奇的玩法体验和情感表达。
其中：
- “牛转乾坤”以3D变脸技术为基础，让用户能从普通人脸变成牛脸，酷炫的风格配上节奏感极强的音乐，给用户带来新奇感。
- “牛气冲天”则是以互动游戏的形式，让玩家在游戏中通过收集各种氛围元素不断积攒牛气，获得更高的牛气值和更厉害的称号，享受不断刷分带来的乐趣。
- “牛势已到”则尝试以脸部为驱动，配合脸部表情驱动模型产生变化以及左右摇摆带来的物理随动效果，配合一些春节氛围元素，趣味十足。
- “招财童子吐祝福”则结合了中国传统民俗，以拜年送祝福的形式，福气又添财等等。
项目中攻克了不少问题难点，篇幅有限，本文仅以“牛势已到”的设计制作过程，和大家分享下设计背后的故事。抛砖引玉，希望和大家学习交流。
一、问题攻坚，剥开盲区
对我们设计团队来说，这次的玩法设计中涉及到很多以前较少接触的技术领域，比如将3DMM、Blendshape、AR、多段3D动画合并与触发，面部识别等多能力复合应用的体验把握、效果和性能控制，这对我们设计团队来说是一次不小的挑战。
本次的美术制作管线（Art Pipeline）需要结合不同DCC工具制作不同阶段的美术资源，然后还要在新版工具完成配置，这与常见的游戏制作流程有很大不同。
多能力复合应用不仅带来了新的摸索成本，在技术落地上也带来实际的困难，不少技术黑盒的存在使得在效果还原的过程中不断踩坑。
因为标准的不确定性，导致对于模型的面数，比例，贴图，动画长度等等存在很多的未知难点。
二、流程探索，高效落地
虽然存在很多的不确定性，但有挑战才有突破的机会。我们尝试借鉴常见的3D游戏制作流程，边推进边调整。
1. 玩法设定
因为是基于QQ相机的AR玩法，所以我们将整体交互设定为以用户的脸为主体，当引擎识别出用户的脸后，可以将引擎中的模型脸与用户的脸相匹配，然后用户可以通过头的摇晃和面部表情驱动模型变化。
2. 风格设定
在这个玩法中，由于是以虚拟形象结合玩家的脸部作为游戏主角，所以关于主角的风格设定尤为关键。为找到想要的春节氛围，前期搜集了很多春节相关的参考，主要有2个方向。
方案A的方向是通用的春节的喜庆元素，关键词：财神、红包、福袋、春节、牛年、Q萌。
图片来源于网络
方案B的方向是更加本土和有特色的文化，关键词：国潮、陕北外套、腰鼓、喜庆、牛年头套、春节。
图片来源于网络
从关键词和灵感图中，我们创作了2个版本的原画概念方案。
经过讨论，确定以方案A为最终形象设定，原因是方案A更加符合用户对春节的期望：化身财神，小孩子的形象也比较有亲切感。因为头部到时候会替换用户的脸，所以这里不需要设计角色的脸部造型。
3. 3D模型设计
有了明确的2D形象设计后，接下来要做的工作就是把它转化成3D模型，最终的模型设计因为要平衡好性能和品质，相比于2D设计，3D设计流程显得复杂很多。这里的关键步骤有以下几点：
（1）中模设计
先根据原画设定做好中模设计，这一步主要是确认模型的基本造型，便于沟通和调整。
这个阶段可以先不考虑小细节，比如衣服褶皱那些可以在高模中雕刻。当然，也可以根据3D模型的具体情况在2D原画的基础上做一些适当设计发挥。
（2）雕刻高模
确定中模的结构后，接下来就需要完成高模的设计。有些人可能觉得好奇，最终用到模型资源是低模，那为什么还要做高模呢？
其实，高模的作用就是为低模而准备的。通过高模烘焙出法线贴图，AO贴图，金属度贴图等等纹理贴图，能够让低模也拥有高模的细节，这样做的原因主要是为了降低性能消耗。
精度要求不高的模型在非专业雕刻软件中，比如C4D中就能完成雕刻，而精细度更高的高模则需要到专业的雕刻软件，比如Zbrush中雕刻会更加方便。
雕刻要注意把细节雕刻的足够明显，甚至可以夸张一些，目的是为了在烘焙后能得到更多细节的贴图。
这样最终烘焙出来的贴图才能方便调整，比如效果太强可以适当减弱，但如果效果太弱是没法再增加细节的。
（3）拓扑低模
高模的面数一般会非常多，考虑性能问题，一般来说是不能最终使用的，这个时候还需要对模型进行拓扑，也就是重新布线。
拓扑的作用是优化布线，减少面数，而优化好的布线也更方便拆UV。这里面有2个需要注意的地方：
- 保持面片，不通过挤压做出封闭厚度。需要做厚度的地方，用面片弯曲来实现。
- 用点多的高模来做（可以通过加细分来得到更多点的模型），精度更高的模型会更加方便吸附选择，这样最终得到的布线可以更加规则。
（4）拆UV
这里一般建议用更加专业的拆UV工具来做，比如Uvlayout ，Maya等，不建议用C4D直接拆UV。
我这里由于是在C4D中做的模型，所以通过在C4D中整理好模型导出.fbx文件，导入Maya中进行拆分，然后再导出拆分好UV的.fbx文件来画贴图。
注意将单个部件拆分在一个完整区域中，会更方便定位。
（5）画贴图
把拆分好的.fbx导入到SP，然后在SP中进行比较细致的纹理设计。
如果对这个软件不熟悉，也可以在C4D中简单画一些贴图大概范围，然后在Ps里细化贴图。
当然，用SP的好处就是可以烘焙出非常多的细节贴图，主要用到的贴图包括Diffuse、Normal、Metallic、Roughness方便后续使用。
（6）烘焙
确定好贴图后，通过SP可以将各种需要的贴图烘焙出来，用到最终的低模上。烘焙的时候需要注意，低模和高模中的Mesh命名要一一对应。
烘焙出来的贴图可能有问题，如出现破裂，可以用Ps的内容识别工具进行修复，主要修复法线贴图上过渡比较锐利的地方。
（7）确定最终模型效果
贴图制作完成后，可以得到最终的静态渲染效果。
4. 骨骼绑定
模型和UV确定后，接下来需要进行骨骼绑定和权重分配。
因为后续需要在引擎中加上物理随动效果，所以这里的绑定规范会跟常规的3D动画绑定要求有所不同，它要求哪里需要产生动画就要将骨骼顶点添加到Mesh的末端点，以获得更加精确的模型控制。
所以，在实时3D内容的设计中，仅靠权重控制不能做到足够灵敏。至于绑定的工具，用自己熟悉的软件即可，比如C4D，Maya ，Blender等等。
5. 动画设定
在这次的项目中，需要做多达5段的动画，其难点在于，这套多段动画会分为循环动画、非循环动画，其中拆分开的循环动画，需要首尾完全相同，并又能准确衔接到下一个动画。
这又是与3D动画设计不同的地方，对动画节奏提出了更高的要求。
为了提升沟通效率，向开发说明这里的动画逻辑，制作了一张动画时间线图。
最终把动画拆分成5段进行输出：
而为了实现这样一套复杂的动画内容，经过了反复的测试，我们使用Blender导出最终的多段动画，实现了复杂逻辑控制。
这里会选择使用Blender输出，主要原因是Blender的动画规则更符合引擎的读取需要，效果更加接近引擎中的实际效果，便于测试。
因为需要多DCC工具的配合，在不断导入导出的过程中出现了各种疑难杂症。这里面有几个点尤其需要注意：
（1） 要用正确的Blender版本进行动画合成输出，Blender版本问题会产生各种bug。这里建议用Blender 2.8 版本进行动画输出，兼容性更高，导出错误率较低。想要更方便导出.glb动画格式，也建议大家尝试用Maya+Babylon插件。
其中有个细节需要注意下，Blender2.9软件操作更加便捷，但输出动画时，skin值会丢失，导致动画运行不正常，暂时只能通过换到更低的2.8版本来解决。
（2）在导入Blender前，需要在C4D中把除了骨骼动画外的所有动画轨道全部删除清理，这样导入Blender中的动画轨道才是最干净好处理的。
6. 氛围细节
因为画面是以脸部运动为驱动的，所以模型会在整个屏幕产生移动，为了让画面更加合理，即人物不可能是没理由的漂浮在空中，所以给人物增加了站在云上面的设定。
为了强化春节氛围，还增加了元宝和春联的装饰元素。
并结合用户的面部表情触发，设计了触发前后的状态变化给用户带来惊喜，提升可玩性。
7. 背景音乐
同时，增加了背景音乐，这里面有个小细节点是结合了人物面部表情对音乐进行卡点。当用户张嘴的时候，音乐也会同步变化，会模仿画面喊出“财神到！”，带动用户一起互动。
同时也用C4D+AE制作了完整的玩法Demo，便于开发做效果还原。
8. 性能问题
做3D内容设计相较于做3D动画设计，会有更多的技术性的思考，性能就是一个重点。
做动画设计时，怎么好看就可以怎么来，但对于实时交互的3D效果来说，因为最终是需要在手机QQ中上线，需要兼容到各种不同的机型，所以我们对于资源包要求非常苛刻，需要做很多美术效果的平衡。
整个的优化思路包括以下几点：
- 当前期做完减面后，依然发现性能不符合要求需要减面时，可以利用Blender的减面修改器进行减面。利用这个修改器做减面对模型效果影响比较小，又能快速实现减面能力，非常方便。
- 经过测试发现整体性能消耗上，动画带来的顶点变换产生的性能开销最大，所以要平衡好动画元素。做性能优化时，可以考虑从小动画上入手，去掉一些不太能注意到的小骨骼动画，减少顶点变换量，从而提升性能。
- 优化贴图大小，合并贴图。贴图存储的不单是颜色，还包含了各种信息，例如各种黑白图，能改变粗糙度，金属度等等。所以可以将贴图利用不同通道的方式合并到一张图中，缩小贴图的文件大小。
以最好机型为基础，做出性能允许的最佳资源，以这个标准效果向下兼容，打包出几个性能区段的素材包，包括：
- 动画+物理随动，高端机型
- 只有少部分动画，中端机型
- 没动画，没物理随动，低端机型
9. 上线效果
最后，经过复杂的引擎配置流程，材质调整，平衡了一部分效果后最终得以上线，这是最终上线后的效果，可以在QQ相机中进行体验。
三、规范梳理，反思沉淀
在这个项目中遇到很多的难题，为了让后续类似玩法能够更好的推进，也对整个项目中需要注意的事项和制作输出规范进行了沉淀，形成了规范文档。
项目上线后，我们也进行了反思，从3D动画设计到实时3D内容设计需要做一定的思维转换，比如一开始就需要评估清楚玩法和用户使用时的真实场景，不止步与静态渲染。
这个玩法主要是应用在用户自拍的过程中，那么用户拍摄的范围多半只能是上半身，想要让用户体验到完整的模型资源，在人物的比例上，可以优化为头身比为1:1，头套可以比身体稍大一些，会显得更加可爱。
拓扑可以做的更加精致一些，在主要部位上的面数可以适当多一些，非重要的元素，面数可以更少，减面也需要差异化处理。
当时留的时间比较紧张，没有做太细致得贴图。后续如果继续做好的话，模型上的重点展示区域贴图可以做的更加细致一些，提高品质的同时也提升了效率。
实时3D内容相比动画，也更注重互动性，比如拍摄比例，张嘴互动、骨骼反馈的灵敏度等等，这些都是与3D动画渲染所不同的地方。
在落地的过程中，还会有比较多技术项的思考，比如减面优化、适配降级、对接引擎过程中的各种疑难问题解决等等。
四、挑战与机遇，未来可期
对于设计师来说，这次项目挑战不小，同时也收获颇丰。
从0-1的过程中，熟悉了非常多以前不常接触的技术流程，比如模型雕刻、贴图烘焙、骨骼绑定、权重分配、多段动画的合并、多DCC工具的配合等等。
这些技术点的学习，为后续的项目提供了经验支撑。有挑战才能有进步，跳出自己的舒适区，才能成长的更快。
对于未来，基于多动画，物理随动的玩法能力，也可以应用到更多的创意玩法中，比如与脸部驱动，身体随动之类玩法，都能以这次的项目探索作为经验沉淀而快速复用，值得期待。
最后，想体验文中所说的玩法，可以在QQ相机中找到这些滤镜，操作路径是：打开QQ聊天窗口——找到相机选择右下角的表情图标——选择最新选项——下滑找到“牛势已到”，点击即可玩起来。
本文作者 @腾讯ISUX
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