年初Roblox上市，直接帶火了元宇宙的概念。
上週Roblox公佈了2021年Q3財報。財報顯示，三季度Roblox營收增長102%，達到5。09億美元，平均每日活躍使用者（DAU）為4730萬，同比增長31%。雖然仍未盈利，但Roblox的使用者資料仍在快速增長，其業績遠高於華爾街分析師預期。
Roblox創立於2004年，是一款大型多人線上遊戲建立平臺，使用者可以設計自己的遊戲、外觀等，還可以玩其他開發者建立的遊戲，探索數百萬種沉浸式的3D體驗。
不同於當前的主流三維遊戲，Roblox採用的建模方式是體素建模，即利用許多小方塊來構建世界。另外一個風靡全球的遊戲Minecraft（我的世界）同樣也採用了體素建模的方式，為什麼這些被稱為元宇宙雛形的遊戲會使用體素建模的方式呢？這裡我們一起來探討一下吧。
三維表示
三維建模通俗來講就是利用三維製作軟體透過虛擬三維空間構建出具有三維資料的模型。通常三維資料有4種主要的表示型別：
（a）點雲（Point cloud）
（b）體素網格（Voxel grid）
（c）多邊形網格（Polygon mesh）
（d）多視圖表示（Multi-view representation）
a。 點雲是三維空間中點（xyz座標）的集合。
b。 體素就好比三維空間中的畫素點，每個體素都有固定的大小和離散的座標。
c。 多邊形網格由一組帶公共頂點的凸多邊形表面組成，可近似一個幾何表面。
d。 多視圖表示是從不同的模擬視角獲取到的，渲染後的多邊形網格二維影象集合。
傳統三維遊戲建模
目前主流的三維遊戲使用的是上述多邊形網格（Polygon mesh）建構遊戲世界，如“英雄聯盟”、“魔獸世界”、“王者榮耀”等，給使用者一種非常精美、逼真的視覺體驗。
《魔獸世界》遊戲截圖
通俗點說，大型模型是由較小的互相連線的平面（通常是三角形或矩形）構建而成的，它們像3D拼圖一樣拼接在一起，這樣的平面列表就被稱為多邊形網格（Polygon Mesh）。其中完全由三角形平面組成的多邊形網格稱為三角網格（Triangle Mesh）。
代表海豚的三角形網格示例（維基百科圖片）
上圖是採用三角網格來構建的一隻海豚的模型。從圖裡可以看出，只要三角面能夠繼續細化下去，海豚的細節就會得到更加細緻的表達。這也是多邊形網格成為主流建模方式的原因，做任何模型都不會有限制。
目前有成熟的建模工具如3D Max，Zbrush和Maya等。但其也有很多缺點：比如它僅僅只能表現出物體的表面，無法反映物體的內在結構；建模比較繁瑣，進入門檻比較高，不容易修改；如果要對模型細節進行精雕細琢就會造成模型的面數過多，導致之後對模型的UV展開、渲染等工作造成很大的負擔。
那麼在遊戲中有沒有其他的三維建模的方式？
Roblox和Minecraft（我的世界）的空前成功，使得體素建模成為另一種建構遊戲世界的可行方式。
《我的世界》遊戲截圖
體素建模
體素（Voxel）是體積畫素（Volume Pixel）的簡稱。概念上類似二維空間的最小單位“畫素”，體素如其名是數字資料於三維空間分割上的最小單位。在三維空間中，每一個體素都是構成三維模型的“方塊”，很像樂高玩具中的積木塊。
把一些體素疊起來，灰色立方體是其中之一個體素（維基百科圖片）
相對於傳統的三維建模，體素建模極大降低了做出一個三維物體的門檻。
用體素建立的三維模型具有厚度與體積，就好像搭積木一樣。不像傳統三維網格建立的模型，雖然逼真，但只是在二維視覺上給到一種三維的視覺假象，就像只有一層沒有厚度的殼。
三角網格構建的一隻馬的3D模型
體素建模的特點
1.具備屬性
體素建模中的每一個方塊都可以被賦予屬性，比如：木、火、鋼、磚等。磚屬性方塊構建的物體可以被鋼屬性構建的物體損壞；木屬性方塊構建的物體放在火屬性方塊構建的物體上，可以被燃燒。
《Teardown》遊戲中具有鋼屬性的車可撞碎磚屬性的牆
2.易於修改
體素資料的結構簡單而且均勻，它相對來說更容易修改。而三維網格建模操作比較繁瑣，需要考慮圖層以及每一幀的調整等因素，修改比較複雜。
三維網格UV展開
3.可調節每個體素的體積
和畫素一樣，可以透過提升體素的解析度來實現精緻的畫面。例如從每立方米一個體素提升至每立方厘米一個體素，當表達同等模型的方塊數量增加時（體積資料以立方級數增長，對於儲存空間要求很高），畫面的精緻度增強。
調節每個體素體積的兔子模型
4.光線追蹤渲染
除提升解析度以外，光線追蹤等技術的渲染可以帶來近乎真實的電影級圖形和光影物理效果。
體素編輯器MagicaVoxel的官網建模示例
5.能夠二次創作
體素建模的搭建方式和真實世界的特性是相符合的，這讓使用者可以像現實世界一樣進行創作活動。在一般的3D遊戲中，無論玩家怎麼折騰，可互動的場景（如建築、物品等）只會按照預設的程式呈現互動效果。而體素建模的場景則取決於玩家的行為，玩家可以在體素遊戲世界中破壞，也可以建設。
《我的世界》遊戲中團隊聯合建立的圓明園-復原方壺勝境
篇尾
綜上所述，Roblox等元宇宙概念相關的遊戲之所以採用體素建模，除了
建模門檻降低、易於修改、能夠二次創作等因素，更主要的是體素建模的世界更加接近現實。
國盛證券的研究報告中指出：
“元宇宙的核心不僅是要在視覺上無限接近現實，更重要的是在法則上接近真實的宇宙。”
目前三維網格建模雖然已經能夠復刻出逼真的視覺畫面，但其建造的方式和過程決定了三維網格建模難以復刻真實宇宙法則。體素建模使用固定大小、具備屬性的立方塊構建世界，當用戶與其互動的時候能夠模擬出更豐富、真實的效果。
我們可以看到目前大多數體素建模的遊戲畫質都比較粗糙，和傳統精美的三維遊戲在視覺方面有較大差距，主要原因是其對於儲存、算力、硬體等要求很高。
鑑於篇幅有限，今天先講到這裡，下回再繼續三維建模的探索，不見不散！
參考文章：
① Beyond the pixel plane： sensing and learning in 3D
https：//thegradient。pub/beyond-the-pixel-plane-sensing-and-learning-in-3d/
② Generative Adversarial Networks Project
https：//www。oreilly。com/library/view/generative-adversarial-networks/9781789136678/4cc3b4d0-dd33-40f5-9b4a-103bc7ccfff5。xhtml
③ 元宇宙是“方塊”搭成的？
https：//new。qq。com/rain/a/20210805a04odo00
④ 從《Teardown》上看遊戲的未來
https：//www。gameres。com/877004。html
⑤ CG界的一股清流：直接用三維化的畫素構建模型
https：//zhuanlan。zhihu。com/p/50174667
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