摘要：当前数字游戏美术方面的理论研究主要集中在游戏自身特性所导致的审美差异化，以及数字游戏设计在各个阶段所采用的制作方法和流程等问题。数字游戏设计同时具有商业和艺术的双重属性，被视为现代流行文化的重要组成部分，但其价值并未得到主流艺术界的认可。因此，进行数字游戏设计的艺术理论研究，将数字游戏艺术研究纳入学术领域和规范化的途径，可以提高数字游戏作品在艺术界的影响力，从而激发游戏设计师的创作热情，提高作品的艺术品质。本文着重探讨游戏三维美术中的理论研究，提出了降维设计的基本思路，围绕这个观点对游戏三维的设计与制作的概念、要素、方法等进行归纳整理，深入研究，揭示其意义并对未来进行展望。

关键词：游戏三维美术；降维设计；数字游戏

一、游戏三维美术中降维设计的概念

1.1 游戏三维美术的发展历程与主要表现。

游戏三维美术的发展历程可以大致分为三个阶段：预渲染时代、实时渲染时代和风格化表现时代。在预渲染时代，游戏的画面比起二维游戏体感与空间感提升了很多，游戏画面是由三维软件渲染输出的静态或者序列图片组成的，即2.5维的画面。在三维游戏时代开始之后，也就是在2000年左右，中国的游戏产业开始步入实时渲染的三维游戏时代。最早的三维游戏采用的是低面模型和颜色贴图结合，这种制作方式在当时的游戏引擎和电脑配置的限制下是非常普遍的，因此当时的游戏画面更多地依赖于贴图的绘制。当三维技术越来越成熟，游戏的画面表现也向更具有明显的艺术风格去走，比如写实、卡通、科幻、幻想等，还有千变万化的独立游戏风格，不同风格的游戏会给玩家带来不同的视觉享受和游戏体验。

1.2 降维设计的概念。

“降维”一词来自于英文单词Dimensionality reduction，本义是指减少或降低数据的维度。降维设计是一种通过将高维空间中的数据集合转化为低维空间中的数据集合，以实现数据压缩和特征提取的技术。降维设计的应用范围广泛，例如在机器学习、数据挖掘、图像处理等领域中均有应用。在三维游戏美术资源制作中，”降维设计”通常指的是将复杂的三维内容进行优化处理，以便于适应游戏的流畅运行。本论文将降维设计的概念首次在游戏美术设计中提出，目的也是为了丰富游戏三维美术理论体系。

二、游戏三维美术中降维设计的要素

美术资源作为游戏艺术作品的视觉主体内容，其本质的元素分类与特点将会是本课题研究的很重要的一部分内容。比如游戏三维美术各个阶段的建模、材质、灯光、渲染、动作等具体技法，无不包含专业的特殊性，甚至于近似的动画、电影、虚拟现实等专业都有理论上的明显区别，这些细节的研究将会对理论体系的完善有重要的作用。

2.1纹理映射。

通过将纹理映射到三维模型的表面来表现更复杂的细节。纹理映射技术通过定义三维模型上的点与纹理的对应关系，将纹理贴图映射到三维模型的着色点上，以实现纹理在三维物体表面上的呈现。这种对应关系通常由纹理坐标来定义，纹理坐标是位于纹理空间中的一对浮点值，用于访问纹理图像中的信息。在游戏开发中，纹理映射技术被广泛应用于实现地表、建筑物、道具等物体的表面贴图，以增加游戏画面的真实感和沉浸感。同时，纹理映射技术还可以实现动态效果，如物体的表面随着时间变化而呈现不同的纹理。例如，一个复杂的三维角色模型可能会使用纹理映射来呈现皮肤、衣物和其他细节。

2.2多细节层次。

多层次细节技术主要用于当物体远离观察者，或者物体的重要程度、位置、速度以及视角等允许的情况下，减少渲染三维模型的复杂度。在游戏制作过程中，多细节层次技术的应用涉及了多个方面。例如，模型制作时需要根据不同距离和角度来设计并制作不同的模型；场景制作时需要考虑到各个模型之间的距离和角度，以便更好地呈现效果；性能消耗方面则需要评估使用多细节层次带来的价值和成本的开销的比较。多细节层次技术是一种重要的优化手段，可以提高游戏的性能和视觉效果，但同时也需要充分考虑到其带来的成本和精力的消耗。

2.3简化模型的复杂性。

这包括减少表面的细节、删除不必要的细节、简化纹理等。游戏建模中的面数优化是一种降低游戏运行时资源消耗和提高游戏性能的技术，主要涉及以下几个方面：首先是控制模型面数，在游戏制作过程中，需要尽可能控制模型的面数，以减少图形处理器和中央处理器的计算量和内存占用。其次是优化模型文件，在建模过程中，需要仔细检查模型文件并尽可能进行最大优化。最后是小模型剔除，根据小模型与摄像机的距离来剔除小模型，以降低场景的复杂度。游戏建模中通过这些优化措施，可以提高游戏的性能和视觉效果，从而提供更好的用户体验。

2.4 使用低分辨率渲染。

指在渲染过程中使用较小的分辨率，在不影响最终渲染质量的情况下显著降低图形处理器的负载。在游戏美术中，使用低分辨率渲染可以降低图形处理器和中央处理器的计算负担，从而提高游戏性能和帧率。例如使用纹理压缩技术来降低贴图质量，从而减少内存占用。通过控制模型面数和优化来减少图形处理器和中央处理器的计算量和内存占用。对于较远的场景或次要物体，可以使用低模或减少细节的方式来降低面数。需要注意的是，使用低分辨率渲染和优化模型面数等技术可以提升游戏性能和帧率，但也会对游戏的视觉效果造成一定程度的损失。因此，在实际制作中需要权衡各方面的因素，以找到最佳的平衡点。

2.5 使用骨骼动画。

这是指使用一系列连接在一起的"骨骼"来驱动三维模型的动画。这比传统的关键帧动画更易于计算，因为骨骼动画只需要计算骨骼的位置和旋转，而不是每个顶点的位置。骨骼系统包括骨架和皮肤两个部分。骨架是由一系列骨骼组成的，用于模拟角色的生理层次，而皮肤是与骨架相关联的网格，用于模拟角色的外观。在制作骨骼动画时，通常需要先创建角色的骨骼和皮肤模型，然后通过绑骨将骨骼与皮肤关联起来。通过调节骨骼的姿态和动作来制作角色的各种动画，传统帧动画不同，骨骼动画可以产生逼真的角色动画效果，而且更加灵活和高效。此外，骨骼动画还可以通过运动学方法进行优化，以减少计算量和内存占用，提高游戏性能。

2.6 使用实例化。

这是指重复使用相同的模型实例来代替多个相同的对象。在游戏制作中，通常需要处理大量的物体，如建筑、树木、人物等。如果每个物体都有独立的模型和纹理，会导致图形处理器和中央处理器的计算负担过重，影响游戏性能和帧率。实例化是一种通过共享资源的方式来减少计算量和内存占用的技术。实例化是通过将多个相同的物体使用共享的纹理、材质和模型来实现的。这样，当多个物体同时出现时，图形处理器和中央处理器只需要处理一个物体，并复制多个实例，而不是每个物体都进行单独处理。需要注意的是，实例化技术可能会导致物体的位置、朝向和大小不准确，因此需要在制作中进行适当的调整和修正。

三、游戏三维美术中降维设计的实现方法

游戏三维美术具有一定的难度，很多初学者望而生畏，有的学生甚至放弃，实际上无论数字二维三维美术，都是一种使用不同数字工具进行创作的美术形式，他们之间有严密的联系，亦可以互相促进，互相包含，这也正是本课题想要探索研究的重要内容。

3.1 简化模型复杂度用低模表现高模的效果。

通过减少细节、使用贴图、使用模型优化等技术手段来降低模型复杂度。合理布线也可以优化模型复杂度。根据高模的细节和形状，合理地布置低模的布线，以匀称的布线匹配高模。面数优化是实现低模的关键步骤，主要通过减少面的数量来降低模型复杂度。例如在中模的基础上，保留关键细节的同时减少面数，制作出用于最后渲染的低面数的模型。

3.2 色彩与光照的烘焙模拟复杂的环境效果。

使用色彩和光照来增强模型的视觉效果，以弥补模型细节的不足。创建光照贴图：在数字内容创作工具中，除了模型用来画贴图的主纹理坐标，还需要准备第二套纹理坐标作为模型的光照贴图纹理坐标。纹理坐标的分布也需要合理，不能出现纹理坐标壳重叠的情况，否则会导致模型的光照阴影重叠。在数字内容创作中制作好光照纹理坐标之后，需要在导入模型的时候勾掉生成光照纹理坐标，以保证光照质量。环境光遮蔽是一种模拟柔和阴影或反射的技术，它可以增强局部的光照明暗对比，为场景增加更多的细节和深度。使用环境光遮蔽时，可以设定光线在终止前被跟踪的距离值、控制环境光遮蔽对间接光的影响程度和控制环境光遮蔽对直射光的影响程度等参数。

3.3 主要使用高质量的贴图和材质来增强模型的视觉效果。

在游戏开发中，贴图和材质是增强模型视觉效果的重要手段。比如法线贴图是一种常用的凹凸贴图技术，通过记录模型表面的凹凸信息，在渲染时产生更真实的视觉效果，通过烘焙的方法将高模的细节生成法线贴图记录下来。再比如环境光遮蔽贴图，用于表现三维模型间相交或靠近时遮挡周围漫反射光线的效果，它通常用于绘制固有色，在环境光遮蔽贴图上以正片叠底的形式放置在固有色材质上，可以得到更真实的明暗效果。使用固有色贴图，即物体在常态光源下呈现出来的色彩效果。在制作模型时，需要根据物体的固有色来选择合适的颜色和材质。使用高光贴图表示物体光滑表面上的亮点，与光源和摄像机的位置有关。可以为平面物体添加高光贴图来模拟光源照射下的高光效果。通过合理使用贴图和材质，可以增强游戏模型的视觉效果。

3.4 使用特效和动画来增强游戏的交互性和视觉效果。

在游戏制作中，特效的应用能够给游戏增加很多趣味性和互动性。例如，当玩家做出特定动作或触发特定事件时，可以播放特效来增强游戏的反馈和交互性。特效的表现形式有很多种，如粒子效果、光效、音效等，它们可以用来表现游戏中的魔法、攻击、爆炸等场景。动画的应用可以使游戏更加生动、逼真，并且提高游戏的沉浸感和交互性。动画也可以用于表现游戏中的剧情和场景，为玩家提供更加丰富的视觉体验。现代游戏引擎中已经集成了许多动画工具和技术，例如虚幻和Unity引擎都有自己的动画工具集，其中包括骨骼动画、角色控制器、动画状态机等。这些工具可以帮助开发者更加方便地制作出高质量的动画，并且可以更好地与游戏逻辑和交互相结合。

四、降维设计对游戏三维美术制作的意义

4.1 优化资源。

降维设计可以使游戏美术资源的处理更为高效。对于一个大型的三维游戏，如果每个对象都使用完整的多边形和纹理，将会消耗大量的存储空间，并增加处理时间。通过降维设计，可以简化模型并使用更少的面数，从而减少内存占用。

4.2 进行性能优化从而提高渲染速度。

在三维渲染过程中，计算和处理的细节越多，需要的计算时间就越长。通过降维设计，可以减少多边形数量和纹理映射的复杂性，减少游戏的计算和内存占用，提高游戏的流畅度、响应速度、渲染速度，从而提高游戏的性能和稳定性。

4.3 平衡视觉效果与性能。

在制作游戏时，需要平衡视觉效果和游戏性能。如果使用过多的细节和高质量纹理，可能会导致性能下降，这在移动设备上尤为明显。通过降维设计，可以在保持良好视觉效果的同时，避免性能损失。降维设计可能会影响游戏的视觉效果。通过简化模型、减少纹理细节等手段，可以降低游戏的渲染成本，提高渲染速度，但可能会对游戏的视觉表现产生一定的影响。为了保持游戏的视觉效果，游戏开发者需要在降维设计和视觉效果之间进行权衡和折衷。

4.4 提升用户体验。

良好的性能和响应时间是优质用户体验的关键。通过降维设计，可以提高游戏的流畅度和响应速度，从而提供更好的用户体验。

结语

未来，随着游戏引擎、图形算法和硬件技术的不断发展，降维设计将会在游戏制作中发挥越来越重要的作用。未来可能会出现更多的降维技术和算法，例如基于人工智能的自动降维技术、基于物理模拟的降维技术等。这些技术将会进一步提高游戏性能和稳定性，同时也会为游戏创作者提供更多的创意空间和可能性。同时，随着虚拟现实、增强现实等技术的不断发展，游戏美术制作将会更加注重真实感和细节呈现，降维设计也将会在这些问题上发挥重要作用。

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基金项目：2021年度高校哲学社会科学研究一般项目。项目批准号：2021SJA0411，项目名称：游戏美术中的降维设计研究。

作者简介：马江伟，男（1984.11——），汉族，河南镇平人，硕士，讲师，研究方向：数字媒体艺术、游戏艺术