網頁即時 3D 渲染的深度修行

繼 “用網站做一片海“ 杉悟遇到更具挑戰的 3D 互動網站，這次我們要為植村秀打造一個 Avatar 系統

杉悟互動 ─ 融合藝術、設計與數位技術的設計公司
為品牌打造絕佳的數位體驗。

在專案初期的技術評估，我們參考了大量的捏臉遊戲（#虛擬替身、#紙娃娃）， ACRZ：AlphaCrewz，ZEPETO、Bondee、以閃亮之名等，從上述案例可以看到，都是以 Unity 甚至是 UE4 這類遊戲引擎開發，又或者平台類的 Memoji、instagram 虛擬替身，以網頁製作的案例真的非常少，在大家的眼睛已經被各種遊戲寵壞的今日，杉悟要如何用網頁技術做出比擬遊戲品質的捏臉遊戲呢？

?? 老闆：明天開始大家去學化妝
??‍♀️ PM：?
?? 設計師：??
?? 3D：???
?? 工程師：️??‍♂️??‍♂️??‍♂️

✴︎ 先看成果，以上皆為網頁渲染的最終效果

為了順暢的跨域協作，專案初期整個團隊開了一場 8 個多小時的會，集結 PM、視覺設計師、彩妝師、3D 設計師、工程師等⋯會議上從時程、美術風格，製作規格，檔案交付方式，通盤的過了一遍，雖然並不是因為有了這場會之後就完全沒有意外，但絕對為整個專案定下了良好的規範。

由於此次前端的 3D 庫是使用 Three.js，所以下面提到的功能，以及備註主要都會以 Three.js 的功能來說明

? 以下為技術文，建議先實際體驗 shu avatar 再繼續往下看

✴︎ 要呈現這麼多造型，模型檔如何切分？

這是專案初期的一大難題，看似只是一個檔案切分與交付的問題，但實際影響非常廣，從基本的如何分工／檔案交付，到模型貼圖如何切分，甚至是模型的載入時機與切換時機，算是一個牽一髮動全身的問題。

而頭像是整個模型的核心，由於組合太多又沒有很好的切分點，在多方評估後，決定將所有五官、臉型包在一個模型內，以改變骨架的方式，來控制不同的五官，這大大的降低了模型載入的量，也讓五官改變的過程非常順暢，只需要付出很少的檔案容量，就可以增加組合。

看似對開發與效能都友善的作法卻異常考驗 3D 設計師的能力，因為要用一組骨架控制所有五官，例如從小眼睛 → 大眼睛，或者從下垂眼 → 丹鳳眼，又加上彩妝會被放大檢視的狀況下，對權重以及 UV 的掌控要求極高，來回調整了非常多次骨架結構與權重，才克服了變形的問題。

更換五官的實作流程

設計師將所有五官在模型檔都按照順序放在時間軸上，且為了方便管理，不論哪個部位，都是從時間軸的 0 開始，所以出現左下影片中不同部位一起變化
工程師載入模型後，讀取模型的完整骨架數據
從動態資料中整理出有改變的骨頭
對照歸零數據與變形數據，區分每個骨架的影響範圍
撰寫程式邏輯，最後依照使用者選擇，讓骨架套用對應的數據
( 可參考下面影片 )

在這類的捏臉遊戲中，自由度與還原度是一大功課，數量絕對是撐起精彩程度的關鍵之一，但在時程有限的情況下，我們只能取最大公因數，盡量以常見／流行／共鳴高的造型優先，這次的成果約可搭配出 10³² 種組合，即使移除所有顏色的選項，還是能有約 1.05 * 10¹⁹ 種組合，有朋友一玩就不小心玩了 2 小時，女孩們真的是會欲罷不能

✴︎ 關於渲染的細節

在網頁中即時渲染 3D 內容最困難的就是在沒有光線追蹤 ( ray tracing ) 的功能下，如何渲染出模型的細節與層次？

通常是使用 “烘焙” 這個技巧，烘焙是透過 3D 軟體，預先將光線追蹤後的效果渲染好，並印在貼圖上，使這些效果不需要 “即時運算” 就能有相同的效果，但既然是預先算好，當模型、或光線改變時，就會出現破綻，所以在此次有高頻率模型切換的情況下，就不能過度依賴烘焙，下面我們會以 3 個面向，不藏私的分享我們在渲染優化時，細節中的細節！

︎⁽ ¹ ⁾ 彩妝實作

彩妝的部分是運用呈現 3D 模型色彩的 diffuse map 來製作，且因為這張貼圖要支持局部更換，所以我們將每個部位拆開，最底下墊了烘焙好的皮膚質感，再依照使用者選定的項目即時合成在一張 canvasTexture，合成完之後再更新至人臉的材質上，切換妝容的過程好療癒～真的非常有從素顏到完妝的既視感！

而這部分與開頭提到的檔案切分問題非常呼應，由於整個臉的模型是共用的，因此不論五官如何切換，在 UV 的作用下彩妝的貼圖只需要一套！並不需要因應不同五官組合而分開製作，前面花時間來回調整共用模型的投資此時顯得非常值得！關於彩妝的實作，我們也整理了製作時須考量的延伸問題

每個區域的貼圖要多大張，才能兼顧品質與效能
以程式合成貼圖時的順序？
貼圖合成時是否有需要混合模式 blend mode
這麼多的素材要以程式來合成，如何準確還原
光彩妝的貼圖約 2700 多張，大量素材最佳化流程

上面這些問題都蠻看專案的實際情況，除了素材最佳化這題，下次來寫杉悟壓縮與優化的流程好了，敬請期待！

⁽ ² ⁾ 白裡透紅的皮膚質感

要呈現皮膚白裡透紅的效果時，標準做法是使用次表面散射 Subsurface scattering，簡稱 SSS，這是一個運算物品透光的算法，但由於要盡可能的減少即時運算量，我們最終選擇使用 emissive 來實現這個效果，算是有點 hack 的做法 ?

SSS 與 emissive 兩者的差異是前者用來表現物品被光穿透（例如將手機上的手電筒打開，再用手指按住手電筒的燈光）；而後者是表現物品自體發光。

兩個功能的本質是用來呈現完全不一樣的效果，但也是因為都與光有關係，只要使用得宜，效果非常接近，且 emissvie 搭配 emissive map 可以非常彈性的控制發亮範圍與強度，甚至是漸層式的發光，小缺點是 emissive 需要為每一種膚色去搭配適當的顏色與強度，且它會影響到物體本身的顏色，對色彩呈現要絕對準確的情況下要謹慎使用。

⁽ ³ ⁾ 打光細節

打光在 3D 渲染中的重要程度就與拍電影或實際攝影時的燈光一樣重要，好的燈光師不但讓你五官更立體，還能營造各種美妙的氛圍，反之則可能功虧一簣！下面直接用影片解析我們的打光過程

無燈光。
選擇 HDRI，鋪墊整體調性。
依照 HDRI 的環境光源，以 spot light 打一盞主燈，陰影也是由這盞主燈來投射。
在受光面補一盞 point light，會選擇 point light 是因為這個光型在明暗的過程滑順，比較不會在臉上留下銳利的光影分界線。
在陰影面也補一盞 point light，這盞燈要比受光面的弱，維持 Step 2. 的主調。
這次的燈光概念以柔和且清晰明亮為主，所以用 ambient light 微調整體亮度，同時以這盞燈微調整個環境的色溫。
以 spot light 打一盞背燈，用高光勾勒出輪廓。
此次專案最有趣的燈光用法，hemisphere light 半球光是將一個球型光切一半，上下半球分別可以定義一個顏色，以此來模擬戶外環境，頭頂藍天與腳下土地反射的不同色溫，若我們將上半部設為黑色，藉此就可以設定下半球來獨立微調陰暗面的色溫，這次我們加了一點點的紫藍色，讓原本整體棕色調的光影更有時尚氛圍。
在燈光完成後，微調上一段說到的 emissive，讓整體更和諧就完成了！

看以上說明是不是很簡單呢～

但實際上我們的設計師需要先研究網頁環境的燈光效果，並且每次調整時需要來回調整燈光與貼圖，當時設計師可是花了好幾天，嘗試了 20 多種組合反覆調整，最終才定下這組令人滿意的成果！

✴︎ 效能優化

為了展現設計品質，渲染一個完整的 avatar 模型會使用到 9 ~ 14 萬個三角面（依用戶選擇的項目有所不同），以遊戲且模型集中在上半身來說，面數是偏高的，且因為組合變化實在太多，所以陰影也須即時運算，在這樣重度的運算中如何確保順利運行，以下就來分享我們優化效能的方式！

︎⁽ ¹ ⁾ 限制渲染時機與幀數

即時渲染中最耗效能的就是這句（以 threejs 為例）

renderer.render( scene, camera );

所以我們非常謹慎的控管渲染時機，限制只在換妝時，且在模型、妝容貼圖都載入完成後才重新渲染畫面。並且當轉動攝影機時的更新，也將渲染頻率限制在 20 fps，這樣的更新頻率對絕大部分的人眼已經足夠順暢。

雖然也可以讓網頁跑滿 60 fps，但限制在 20 fps 的做法可以有效的讓手機發熱的時間延後甚至不發生，且包容更多的舊手機可以順暢使用。

⁽ ² ⁾ 限制事件觸發頻率

若使用者瘋狂點擊換妝還是會讓畫面更新頻率提高。因此當使用者點擊換妝後，程式設定有個 800 毫秒的 delay（若已有計時器就重新計時），計時器結束後才會依使用者選擇的最後一個選項更新畫面，以此避免使用者快速點擊造成的負載過度。

⁽ ³ ⁾ 回收機制

在以往專案進行 2D 或 3D 的繪圖時，物件少的情況下不太需要回收。但這次專案素材總共有上千個，一次體驗平均只有一百多個會被選過，其中會在畫面被同時渲染的大約十多個。

每當使用者更換了新造型後，原本的造型就會被閒置，而這些暫時用不到的素材（ model／material／texture… ）存在記憶體中並慢慢累積後容易導致網頁崩潰。

因此在每次換掉造型後，特別將這些素材從記憶體中釋放（dispose），儘管後續當使用者選到被刪除的素材需要重新載入，但這樣犧牲載入速度換取網頁正常運作，是我們覺得較為平衡的做法。

✴︎ 意外與排除

這次我們的工作流程概略為 3D 內容在 Blender 製作，並以 Threejs 官方的 Editor 來模擬在網頁中的狀態，確認無誤再出檔案給工程師，但在製作期間我們遭遇當時的 Threejs Editor 上傳貼圖時會有 bug ，但所幸 Threejs 與 Editor 都是 open source，於是工程師將官方的 Editor clone 後修復了 bug 給設計師使用，真是太帥了。

但禍不單行，後來又發現 Editor 的渲染結果和真正的網頁環境不管如何調整都會有一點點落差，考量到美術設定若有更新，程式與 Editor 都要再更新一次實在管理不易，因此工程師乾脆製作了可以上傳妝容貼圖的網頁環境，讓設計師可以即時確認妝容效果是否符合預期，設計師讚嘆阿！

✴︎ 上線與後記

走完了這趟深度修行後，我們對於這類 3D 網頁的製作有了更深刻的體悟，看到最終成品的品質，團隊每個人都充滿成就感！

過程中非常感謝客戶的支持，客戶與我們一樣非常喜歡此次的專案！網站成效也是令我們驚喜的一部分，在主要的 15 天推廣期內，累積了 289 萬次的 avatar 樣貌編輯次數，平均每位使用者點擊了 160 次，平均停留時間高達約 5 分半，這真的是對於專案最大的肯定 ❤

? 說了這麼多，歡迎大家直接到線上體驗這次的 shu avatar

最後來看一段我們為這次專案做的分享影片

這次的專案先分享到這，如果你對這樣的內容有興趣，歡迎到各個平台追蹤我們，我們會不定期分享各種專案裡的乾貨！

同時杉悟也持續尋找各領域夥伴，舉凡設計、3D、網頁前後端甚至 AI 應用，各種合作可能歡迎來信 hi@salute-interactive.com