3D数字内容生产技术白皮书

虚拟现实与元宇宙产业联盟 2024年1月 前言 随者数学经济的迅速爱展，D数学内容正成为推动产业升级和创新的审要驱动力，无论是在游戏影视，支旅还是教音等领域，对于逼真、变互性强的3D数学内容的需求都在不断增良，3D数学内容生产技术作为实现这一需求的关键环节，也在不断演进创新和发展。然而，尽管3D数字内容生产技术在全球范围内取得了显著的进展，我国在这一领或的起步相对较晚，自前正处于追赶阶段，需要加快发展步伐，以满足日益增长的3D数字内客生产需求， 本白皮书将详细介绍3D数字内容生产技术的关键环节，包括3D建模、仿真动画、可视化染、感知交互和数据格式与数字资产等，梳理了3D数字内容生产技术的发展背景和趋势，探讨了我国3D数字内容生产技术面临的问题和挑战，提出了一些建设和借施，盲在加强我国在这一领域的创新能力、提高生产质量，并促进3D数字内客产业的健康发展。 希望通过白皮书的为相关从业者、决策者和研究者提供有价值的参者，共同促进我国3D数字内容生产技术的勃发展。 本文件由虚拟现实与元宇宙产业联盟（XRMA）组织制订，并负责解释。 本文件发布日期：2024年1月26日。 本文件由虚拟现实与元宇审产业联盟提出并归口。 本文件归属虚拟现实与元宇宙产业联盟。任何单位与个人未经联盟书面充许，不得以任何形式转售、复制、修改、抄袭、传措全部部分内容。 本文件牵头单位： 华为技术有限公司、寰宇信任（北京）技术有限公司、中国信息通信研究院 本文件核心参编单位： 艾迪普科技股份有限公司、北京航空航天大学、北京谋先飞科技有限公司、北京众绘虚拟现实技术研究院有限公司、恒信东方文化股份有限公司、平行云科技（北京）有限公司、中国联合网络通信集团有限公司、中影年年（北京）文化传媒有限公司（排名不分先后） 本文件参编单位： 北京仓丰视感科技有限公司、北京度量科技有限公司、北京世纪好未来教音科技有限公司、北京松应科技有限公司、北京温光科技有限公司、北京优诺科技股份有限公司、抗州优避的代科技有限公司、湖南快乐阳光互动娱乐传媒有限公司、咪咕文化科技有限公司、如你所视（北京）科技有限公司、上海极信息技术有限公司、唯艺（杭州）数字技术有限责任公司、维沃移动通信有限公司、讯飞幻境（北京）科技有限公司、友道科技有限公司、累光展说（上海）科技有限公司（排名不分先后） 本文件参编人： 赵鸭、李都伊、邵刚、王志刚、甘漠、尹吉、赵泽雨、翟云、索文静、宋子昂、王一鹃、苏媛、李泽民高阳、办爱民、王怡然、金太阳、赵永涛、孟楠、季小波、全仕京、李岩、智丹、安岗、王宣、刘洋许丽丽、苑朋飞，赵存喜、王宏炜、李登、雷景伊、田密、刘子韬、周大羞、王婷、谢伟航、张小波方顺、崔铭、冯星、钟志祥、林嘉禾、刘钰胜、蒋亚洪、尹满、李文郁、李丽琼、曾建华、毕营、高山灌葱辉、杨永林、施文博、程显昱、罗江、王玉洁、谢漪珺、徐有伟、王亚忠、戴针、刘磊、郑紫阳、刘雨薇。王莹、刘延涛、李丛菩、朱剪旭 免责说明： 1.本文件免费使用，仅供参考，不对使用本支件的产品负责， 目录 1.发展背景2.关键环节技术趋势2.13D建模82.1.13D建模的概念2.1.2重点环节及关键技术.92.1.3技术趋势与展望.122.2仿真动画.132.2.1仿真动画概念132.2.2重点环节及关键技术132.2.3技术趋势与展望.142.3可视化痘染152.3.1可视化追染的概念.152.3.2重点环节及关键技术152.3.3技术趋势与展望.192.4感知交互.202.4.1感知交互概念202.4.2重点环节及关键技术.212.4.3技术趋势与展望252.5数据格式与数据资产.272.5.1数据格式分类及其发展.272.5.2数据格式目前存在的问题.332.5.33D数据资产流通及版权管理3.产业发展趋势353.13D数字内容生产需求不断增长 .35 3.23D数字内容生产呈“三低”趋势.373.3新一代信息技术赋能3D数字内容生产.333.43D数字内容生产生态进一步完善.393.5国产化3D数字内容生产工具奋力追起404.创新应用分析414.1在影视娱乐领域，3D数字内客生产足推进影视工业化发展的关键技术.414.2在教育培训领域，3D数字内容生产助力打玻教育资源壁垒.424.3在文化旅游领域，3D数字内容生产技术打造科技文旅新动能435.我国3D数字内容生产技术面临的问题及建议446. 附录156.1 缩略语456.2 引用,.46 1. 发展背景 在当前数字世界和物理世界加速融合的大背景下，元宇宙、生成式人工智能，未来显示等未来产业持续升温！"，成为各国政府高度关注的新方向、产业界竟相探索的新赛道、学术界广泛热设的新焦点，是未来数字经济发展的主要载体和综合场景。元宇宙沉浸式业态的构建与开放，有赖于已成熟的虽交互，2D数字内容向强交互，3D数字内容生态演进跌迁，以触发用户体验增量跌迁，3D数字内容作为数字世界中内容构建的关键3D数字内容生产将迎来加速发展的全新机遇， 3D数字内容是未来数字世界的载体，是全球科技的核心领域，也是全球竞争的战路高地。3D数字内容是指基于3D图形技术，以3D数据格式为载体的信息内容，3D数字内容包含但不限于3D场景3D数字人3D模型等，所包含的信息主要涵盖静态网格体、材质、纹理等。3D数字内容生产技术是支撑3D内容创作的核心技术，也足支撑虚拟现实、元宇宙沉浸式应用体验的关键之一，3D数字内容生产对象涵盖环境、物体和人，涉及3D建模、可视化染和仿真动画等关键技术。近年来，为促进3D数字内容产业发展，我国陆续发布了多项相关政策，各当市积极推动3D数字内容创新应用发展，出台布局规划。这些政策和规划的出台，为3D数字内容产业的创新应用和发展提供了有力的支持和引导。同时，各地也积极推动产业的发展，加强创新能力，培育人才，提升技术水平，推动3D数字内容产业向更高水平发展。 3D数字内容生产技术主要包括3D建模、仿真动画、可视化追染、感知交互等环节。3D建模等实际或虚构的人，物，景转化为数字化的3D模型，为3D数字内容提供了基础形态。仿真动画通过对物体的形状、材质。动作和环境的模拟，产生具有真实感的动画效果，为3D数字内容提供了生动的动态感。可视化洁染通过光照、阴影、材质和纹理等技术，使3D数字内容呈现出追真的外观和质感，感交互通过手柄、传感器等，使用户与虚拟世界能的够多互动，为3D数字内客提供交互基础。 3D数字内容生产技术起步于上世纪七八十年代，经过几十年的送代发展，形成了以Autodesk，Maxon等少数主流厂商为主的全球3D数字内容生产软件市场格局。耳熟能详的3D数字内容制作软件，例如3DSMAx、Maya、Cinema4D、Zbrush等等软件均者源自国外。近年来，随若虚以现实、元宇宙、3D交互等应用需求的增加，对实时3D数字内容生产需求进一步增加，相关工具包括Blender等。目前，外3D数字内容生产工具丰牢占据若设计、制造、服务在内的中国市场，同时近年来美对中芯片出口限令造成专业显卡供应不足，对我国3D数字内容生产已造成实质性影响。 3D数字内容正在成为影视文化、沉浸式娱乐等行业转型升级的主点发展路径，以具逼克，沉浸式的特点.为多个行业领或提供了丰富多样的内容应用，使用户能够身临其境地体验壶拟世界，推动数字化营销和商业应用的创新，为数字经济注入了创新和创造力，我国3D数字内容生产技术已有一定基础，目前处于应用探索阶 段，如问深入实现3D数字内容生产核心技术的国产突围，打玻国外企业挚新成为当务之急，随着近年来市场需求和国产化政策双重驱动，国产化款件迎来前所未有的发展机遇，一批拥有核心技术的数字内容生产领域技术和工具厂商正在快速！屈起。本白皮书将从3D数字内容生产环节关链技术入手，以3D数字内容生产为王点，总结发展趋势，分析创新应用，为产业提供参考。 2.关键环节技术趋势 2.13D建模 2.1.13D建模的概念 3D建模是3D数字内容生产的币要环节，主要用于创建三维模型，使得虚拟世界中的物体，场景或角色具备形状、绞理和运动等属性，目前3D建模主要包含3D扫描注模、直接注模、过程注等方式。3D扫描建模主要通过扫描仪等硬件设备以真实物体或等比缩放模型为对象，将实际物体的几问形状和纹理信息转化为数字模型；直按建模主要依靠建模软件使用几何元索绘制三维模型，可以通过绘制、拉伸、旋转等操作精确控制模型形状和细节；过程建模主要基于规则和参数化，自动生成三维模型，随着人工智能技术的发展，过程建模借助内容生成支术能的够高效快速形成3D模型。 2.1.2重点环节及关键技术 2.1.2.1直接注模 2.1.2.1.1数字内容创作工具建模 基于数字内容创作（DigitalContentCreation，DCC）工具的建模主要包含多边形（Polygon）建模、雕刻建模等，多边形建模是一种常见的建模方式，主要用于设计3D物体或概念造型。在多边形建模过程中首先需要将建模对象转化为可编辑的多边形对象，然后通过对该多边形对象的各种子对像进行编辑和修改来实现建模，对于可编多边形对象，它包含了顶点、边，面、元素这四种层级，与可编辑网格相比，可编辑多边形显示了更大的优越性，即多边形对象的面不只可以是三角形面和四边形面。而且可以是具有任何多个节点的多边形面，多边形建从早期主要用于游戏，到被广泛应用（包括电影），多边形注模已经成为CG行业中与NURBS并驾齐驱的建模方式。雕刻建慎足一种数字艺术和三继建模技术，通带应用丁计算机图形、电影制作、游戏开发等领域。这种建模技术模拟了传统的维塑过程，通过在虚拟空间中雕刻、塑造数字模型，创造出具有复杂细节和艺术性的三维模型，雕刻建模的基本思想是在一个虚拟的三维空间中，通过雕刻，推，拉等探操作来改变模型的形状，这种保作可以模以出传统雕刻师用于雕塑实体材抖的工具和技巧，雕刻建模通常使用专用的三维建模软件，例如ZBrush、Mudbox等。这些软件提供了各种雕刻工具，包括画笔，刷子，拉伸工具等， 使艺术家可以在模型表面进行直观且具有艺术感的键望，雕刻建模广泛应用于游戏开发、电影制作、岛拟现实等领域。它为艺术家提供了一种创造复杂、艺术性强的三维模型的有效工具 2.1.2.1.2UV展开、烘培贴图 UV贴图是用于轻松包装纹理的3D模型表面的平面表示，创建UV贴图的过程称为UV展开。U和V指的是2D国像空间的水平轴和垂直轴，相比于3D空间，将表面信总映射到二维平面能降低资源的存储空间并高效获取贴图信息。一旦创建了多边形网格，下一步就是将其“展开”为UV贴图。为了用二维平面表示维表面，需要引人UV映射。UV映射是将3D网格转换为2D信息以便可以在其周围包妻2D纹理的过程。一股为了低予网格生命使其看起来更追真或更真实化，经过映射后的0V贴图会存储多种信息，常见的包括法线贴图，反射率贴图，凹凸贴图等等。 贴国制作软件（例如substancePainter.xNormal等）中进行，以生成客种贴国，如法线贴国、由率贴国环境光敲贴图、厚度贴图、世界空间位置贴图、ID贴国等，这些烘落得到的贴图在后续的纹里绘制中扮演若关键的角色， 2.1.2.23D扫措建模 D扫摇建模技术原理适过高分辨率光雷达和彩色拍机等，对自标进行多点多角度的扫描拍摄，得到壳整的三维点云数据、经纬度数据以及多哦光的高清彩色照片，经算法处理完成三维点云拼接、HDR全景图合成、点云赋色、暂能空填补、全自动数据提取、网格化和图片纹理唤射等一系列步骤，生成和实体场景1:1的空间三维模型。通过算法将空间三维数据具像化，从二维到三维，通过沉浸式体验和全新交互将GB级的空可信息呈现在消费者眼前，三维空间重建技不可以打破的空限制，解决远距离了辩体鉴空间的带求，给用！技供更丰高的想象空间：除此以外，从节省时间、人力、物力、金钱等角度来看，以三维实景扫描技术实现空间的扫描和3D内容生产是一个经济实患的解决方案。 3D扫描理模关键技术主要包活三维点云信息采集、高清全景图采集、高精度标定算