3D轻量化引擎推出新技术，模型渲染更逼真！

Posted 2023-04-18 allison-999

HOOPS Communicator在2021版本中，推出了基于PBR（Physically Based Rendering）的渲染特性以提供更高质量的渲染技术。

PBR将材料表示为一系列方程，这些方程对光如何从表面反射进行建模，再通过GPU上运行的着色器代码进行有效地实现。

一、工程领域可视化问题停滞严重

在过去的30年里，PC端的3D轻量化功能取得了令人难以置信的进步！如果没有它们，我们就不会有一个价值数百亿美元，蓬勃发展的游戏行业。

 

尽管计算机图形化技术已经取得了这些进步，但从可视化的角度来看，工程领域几乎处于相对停滞的状态。

我们今天在很多CAD造型软件中看到的模型效果与20年前的效果图没有太大区别。

在图形方面，游戏行业长期以来一直提供实时、高质量的渲染，工程界对此的渴望主要局限于营销部门。

我们相信，随着仿真越来越多地融入到设计过程中，这种情况将会改变。

二、PBR技术渲染新特性

HOOPS Communicator在2021版本中，推出了基于PBR（Physically Based Rendering）的渲染特性以提供更高质量的渲染技术。

PBR将材料表示为一系列方程，这些方程对光如何从表面反射进行建模，再通过GPU上运行的着色器代码进行有效地实现。

 

我们可以通过两种方式使用这个新特性：

1.通过HC自带的转换器（或libconverter）加载包含PBR材质信息的glTF模型文件。

2.在Web Viewer加载标准CAD模型（不含PBR材质）后，通过API为模型设置PBR材质，并应用PBR材质进行高质量渲染。

 

 

三、HOOPS技术增强3D渲染逼真度

2023年，HOOPS Exchange和HOOPS Communicator在以往版本的基础上，发布了为消费者和工业设计应用程序开发人员，在人工和自然环境中增强3D对象图形渲染逼真度的功能。

增加了对Material Clearcoat的支持，使其能够在固体材料或表面上形成保护层（类似清漆、抛光效果），展现出光泽、反射和颜色深度。

 

 

以往工程师们只关心他们的设计以最佳方式工作，而不需要照片级真实感渲染。 因此，尽管有部分CAD系统提供了使其模型看起来更逼真的功能，但很少有用户利用它。

随着模拟仿真（数字孪生）向上游发展并成为设计过程的一部分，这种情况将发生变化。

四、有效模拟仿真

要进行有效的仿真模拟，设计师通常需要在模型中包含材质定义（无论是屋顶的瓷砖类型还是零件的材料规格）。

 

在许多情况下，一旦设置了材质，CAD系统就可以启动表示该材质的着色器，从而在没有额外成本的情况下提供高质量的渲染。

以SOLIDWORKS为例，一直以来，它凭借realview功能，在为材质提供高质量着色器方面一直处于领先地位。

未来，随着设计师为模拟目的设置材质，然后开始看到逼真度的额外价值，有效仿真模拟的使用将变得更加广泛！

我只用了3步，实现了一个逼真的3D场景渲染

给3D模型及环境场景渲染出兼具质感和真实感的材质效果，需要经历几步？

显然，目前的3D模型材质渲染技术，还无法实现简单几步就能搞定的标准化作业来量化，完成一个质量过关的3D模型渲染，一般需要：

1、准备一个内容丰富的贴图、材质库：渲染想要的材质效果，需要根据具体模型场景的形状细节及复杂程度，针对性收集对应的素材外观和纹理素材，耗时与模型的复杂程度呈正比，并且市面上大部材质付费使用，造价成本高。

2、从零开始调参：现有的3D建模工具都要以丰富的参数来实现建模渲染操作，通过调整参数来设置和控制模型。

3、渲染效果依赖美术经验：3D建模师逐渐成为紧俏的行业人才，也说明了3D模型制作需要技术和经验老道的从业者，伴随着模型及场景的多样化以及制作的精细化，美术经验直接关系成品质量水准。

传统作业方式确实细活慢工，但逆袭繁琐步骤的材质生成能力已经出现啦！今天给大家带来的材质生成能力，简单易用，渲染高质量材质效果，只需3步！

以较为常见的3D游戏所需的复杂场景举例，给一个多物体组合的复杂场景渲染材质，只需如下的简单操作：

1、使用RGB相机拍摄所需材质实物照片。

2、将RGB照片自动生成材质素材。

3、材质贴图，完成渲染。

华为3D建模服务提供的材质生成能力，将操作繁琐的材质生成及渲染过程简化提速，基于AI辅助材质生成，提升三维模型外观创作效率，将技术美术的经验和制作规范，固化为材质预设实例，复用有价值的经验与规范，提升内容制作效率，降低材质制作成本。

材质生成能力

提供将RGB图像转换为PBR材质的能力，用户通过集成SDK，仅需拍摄一张或多张RGB图片，便可一键生成4种材质贴图，包括diffuse map /normal map/specular map/roughness map。AI辅助PBR素材生成，从照片生成材质，解放人力操作成本，满足消费级3D材质应用。

输入图片文件规格

• 软硬件要求: 普通RGB手机，不要求RGB-D\\LiDAR, 全Android机型
• 支持类型：混凝土、大理石、岩石、碎石、砖、石膏、黏土、金属、木材、树皮、皮革、织物、漆面、塑料、合成材料、碎石、大地（草地、沙滩等）
• 输入图像的要求：输入图像分辨率达到1~4K，输入图像中无接缝、无亮斑、阴影、倒影
• 输出贴图分辨率：1k（10241024px） 2k（20482048px）
• SDK包大小：88KB
• 准确率：渲染后SSIM>0.9

应用场景

3D建模的材质生成能力一键实现现实中各色纹理的木材转化为PBR材质，具有高还原度，极大提高场景的构建效率。简单易用，效果佳，广泛应用于3D内容制作领域。

• 电商行业：使用3D模型展示商品，为用户提供逼近真实的线上购物体验。
• 展览行业：高价值的展品及文物，以3D模型形式展示，方便用户细致观览展品细节。
• 游戏行业：如室内场景里地板、桌子、墙面等所需的木材，打造身临其境的游戏体验。

开发准备

1、集成HMS Core SDK

1.1、添加当前应用的AppGallery Connect配置文件

如果在AppGallery Connect中开通了相关服务则需要将“agconnect-services.json”文件添加到您的App中。

步骤 1：登录AppGallery Connect网站，点击“我的项目”。

步骤 2：在项目列表中找到您的项目，在项目中点击需要集成HMS Core SDK的应用。

步骤 3：在“项目设置 > 常规”页面的“应用”区域，点击“agconnect-services.json”下载配置文件。

步骤 4：将“agconnect-services.json”文件拷贝到应用级根目录下。

1.2、配置HMS Core SDK的Maven仓地址

步骤 1：打开Android Studio项目级“build.gradle”文件。

步骤 2：添加HUAWEI agcp插件以及Maven代码库。

• 在“buildscript > repositories”中配置HMS Core SDK的Maven仓地址。
• 在“allprojects > repositories”中配置HMS Core SDK的Maven仓地址。
• 如果App中添加了“agconnect-services.json”文件则需要在“buildscript > dependencies”中增加agcp插件配置。

buildscript  
    repositories  
        google() 
        jcenter() 
        // 配置HMS Core SDK的Maven仓地址。 
        maven url 'https://developer.huawei.com/repo/' 
     
    dependencies  
        ... 
        // 增加agcp插件配置。 
        classpath 'com.huawei.agconnect:agcp:1.4.2.300' 
     
 

allprojects  
    repositories  
        google() 
        jcenter() 
        // 配置HMS Core SDK的Maven仓地址。 
        maven url 'https://developer.huawei.com/repo/' 
     
 

注：Maven仓地址无法直接在浏览器中打开访问，只能在IDE中配置。如需添加多个Maven代码库，请将华为公司的Maven仓地址配置在最后。

1.3、添加编译依赖

步骤 1：打开应用级的“build.gradle”文件。

步骤 2：在“dependencies”中添加如下编译依赖。

• 材质生成

dependencies  
    implementation 'com.huawei.hms:modeling3d-material-generate:version' 

• 3D物体建模

dependencies  
    implementation 'com.huawei.hms:modeling3d-object-reconstruct:version' 

注：version替换为实际的Kit依赖版本，版本号索引请参见2 版本更新说明。例如：implementation 'com.huawei.hms:modeling3d-material-generate:1.0.0.300'和implementation 'com.huawei.hms:modeling3d-object-reconstruct:1.0.0.300'。

步骤 3：添加agcp插件配置。请根据实际情况选择：

• 方式一：在文件头部声明下一行添加如下配置。

apply plugin: 'com.huawei.agconnect'

• 方式二：在plugins中添加如下配置。

  plugins  
    id 'com.android.application' 
    // 添加如下配置 
    id 'com.huawei.agconnect' 
  

2、多语言设置

• 如果您的应用不需要设置只支持某些特定语言，则请忽略本步骤。应用将默认支持所有HMS Core SDK支持的语言。
• 如果您的应用需要设置只支持某些特定语言，则可通过本步骤配置。

a. 打开应用级的“build.gradle”文件。

b.在“android > defaultConfig”中新增“resConfigs”，配置需要支持的语种，配置格式如下：

android  
    defaultConfig  
        ... 
        resConfigs "en", "zh-rCN", "需要支持的其他语言" 
     
  

HMS Core SDK支持的语言列表请参见HMS Core SDK支持的语言。

3、同步工程

在完成以上的配置后，点击工具栏中的gradle同步图标，完成“build.gradle”文件的同步，将相关依赖下载到本地。

注：如果出现错误，请检查网络连接是否正常，以及检查“build.gradle”文件是否正确。

4、配置混淆脚本

您编译APK前需要配置混淆配置文件，避免混淆HMS Core SDK导致功能异常。

步骤 1：在应用级根目录下打开混淆配置文件“proguard-rules.pro”，加入排除HMS Core SDK的混淆配置脚本。

-ignorewarnings 
-keepattributes *Annotation* 
-keepattributes Exceptions 
-keepattributes InnerClasses 
-keepattributes Signature 
-keepattributes SourceFile,LineNumberTable 
-keep class com.huawei.hianalytics.***; 
-keep class com.huawei.updatesdk.***; 
-keep class com.huawei.hms.***;

步骤 2：如果您使用了AndResGuard，需要在应用级的“build.gradle”文件中加入AndResGuard允许清单。

"R.string.hms*", 
"R.string.connect_server_fail_prompt_toast", 
"R.string.getting_message_fail_prompt_toast", 
"R.string.no_available_network_prompt_toast", 
"R.string.third_app_*", 
"R.string.upsdk_*", 
"R.layout.hms*", 
"R.layout.upsdk_*", 
"R.drawable.upsdk*", 
"R.color.upsdk*", 
"R.dimen.upsdk*", 
"R.style.upsdk*",  
"R.string.agc*"

5、添加权限

在调用材质生成能力时，开发者需要在AndroidManifest.xml文件中申请如下权限：

<!--  允许程序写入材质贴图文件和读取需要处理的数据 --> 
<uses-permission android:name="android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE" /> 
<uses-permission android:name="android.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE" /> 
<!--  网络权限 数据上传和材质贴图下载使用 --> 
<uses-permission android:name="android.permission.INTERNET" />

在调用3D物体建模能力时，开发者需要在AndroidManifest.xml文件中申请如下权限：

<!--  允许程序写入模型文件和读取需要处理的数据 -->  
<uses-permission android:name="android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE" />  
<uses-permission android:name="android.permission.READ_EXTERNAL_STORAGE" />  
<!--  网络权限 数据上传和模型下载使用 --> 
<uses-permission android:name="android.permission.INTERNET" /> 

开发步骤

在开始API开发工作之前，完成开发准备工作同时请确保工程中已经配置配置HMS Core SDK的Maven仓地址，并且完成了本服务的SDK集成。

1. 使用云侧服务的能力，需要使用“agconnect-services.json”里的api_key值，在应用初始化时通过api_key或者AccessToken来设置应用鉴权信息，AccessToken的优先级较高。

• （推荐）通过setAccessToken方法设置AccessToken，在应用启动时初始化设置一次即可，无需多次设置。

  MaterialGenApplication.getInstance().setAccessToken("your AccessToken");

  从“ageonnect-services.json”中的api_key获取Access Token可参见基于OAuth 2.0开放鉴权客户端模式。

• 通过setApiKey方法设置api_key，在应用启动时初始化设置一次即可，无需多次设置。

  MaterialGenApplication.getInstance().setApiKey("your api_key");

  在AppGallery Connect上注册应用时，会给你的应用分配api_key。

2. 新建材质生成引擎和材质生成配置器并初始化材质生成引擎。

   // 新建材质生成引擎，传入当前context。 
   Modeling3dTextureEngine engine = Modeling3dTextureEngine.getInstance(context); 
   // 新建材质生成配置器。 
   Modeling3dTextureSetting setting = new Modeling3dTextureSetting.Factory() 
   // 设置工作模式为AI模式。 
   .setTextureMode(Modeling3dTextureConstants.AlgorithmMode.AI) 
   .create();

3. 新建侦听器回调，用于处理材质生成上传结果。

   Modeling3dTextureUploadListener uploadListener = new Modeling3dTextureUploadListener()  
   public void onResult(String taskId, Modeling3dTextureUploadResult result, Object ext)  
     // 获取材质生成上传图片结果。 
     if (result.isComplete())  
         // 上传结果处理。 
      
    
   @Override 
   public void onError(String taskId, int errorCode, String message)  
     // 上传错误回调函数。 
    
   @Override 
   public void onUploadProgress(String taskId, double progress, Object ext)  
     // 预留接口。 
    
   ;

4. 上传采集图片至云侧。

   // 获取材质生成任务ID，传入配置器。 
   Modeling3dTextureInitResult modeling3dTextureInitResult = engine.initTask(setting); 
   String taskId = modeling3dTextureInitResult.getTaskId(); 
   if (taskId == null || taskId.equals(""))  
   Log.e("", "get taskId error " + modeling3dTextureInitResult.getRetMsg()); 
    else  
   // 设置上传监听器。 
   engine.setTextureUploadListener(uploadListener); 
   // 异步上传，传入任务id和图片文件所在文件夹路径。 
   engine.asyncUploadFile(taskId, filePath); 
   

5. 查询云侧材质生成进度。

   // 新建材质生成任务处理实例，传入当前context。 
   Modeling3dTextureTaskUtils taskUtils = Modeling3dTextureTaskUtils.getInstance(context); 
   // 查询材质生成进度。 
   Modeling3dTextureQueryResult queryResult = taskUtils.queryTask(taskId);

6. 新建侦听器回调，用于处理材质生成下载结果。

   Modeling3dTextureDownloadListener downloadListener = new Modeling3dTextureDownloadListener()  
   public void onResult(String taskId, Modeling3dTextureDownloadResult result, Object ext)  
     // 获取材质生成下载贴图结果通知。 
     if (result.isComplete())  
         // 下载结果处理。 
      
    
   @Override 
   public void onError(String taskId, int errorCode, String message)  
     // 下载错误回调函数。 
    
   @Override 
   public void onDownloadProgress(String taskId, double progress, Object ext)  
     // 预留接口。 
    
   ;

7. 下载材质生成贴图。

   // 设置下载监听器。 
   engine.setTextureDownloadListener(downloadListener); 
   // 下载材质贴图，传入任务id和保存路径。 
   engine.asyncDownloadTexture(taskId, savePath);

8. 调用材质生成同步接口，可以实时获取生成贴图。

   // 同步接口，传入图片文件路径、保存贴图路径、配置器。 
   int result = engine.syncGenerateTexture(filePath, downloadPath, setting);

9. 删除材质生成任务。

   int ret = taskUtils.deleteTask(taskId);

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