呂 鑫,郝莎莎

(1.安陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,河南安陽 455002;2.安陽師范學(xué)院美術(shù)學(xué)院,河南安陽 455002)

計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫中的Substance貼圖應(yīng)用

呂 鑫1,郝莎莎2

(1.安陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,河南安陽 455002;2.安陽師范學(xué)院美術(shù)學(xué)院,河南安陽 455002)

隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的日趨完善,人們對三維動(dòng)畫的視覺要求越來越高。為了有效提高三維動(dòng)畫中貼圖的質(zhì)量和制作效率,將Substance貼圖技術(shù)應(yīng)用到三維動(dòng)畫的制作流程中。這種貼圖方式是基于Allegorithmic公司技術(shù)研發(fā)的一種革命性的貼圖形式,具有體積小,模擬效果好等特點(diǎn)。本文研究如何將Substance實(shí)際應(yīng)用于動(dòng)畫中,并介紹了如何實(shí)現(xiàn)Substance貼圖的方法。

Substance;貼圖;計(jì)算機(jī)動(dòng)畫

三維軟件中的模型需要通過貼圖來實(shí)現(xiàn)模擬物體外表,增加物體美觀性,這項(xiàng)技術(shù)就是紋理映射。紋理映射技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫中主要有兩種常用貼圖方式,2D貼圖和3D貼圖。2D紋理貼圖通常是將貼圖2D的紋理貼圖投射到3D的物體對象表面,或用作環(huán)境貼圖來為場景創(chuàng)建背景。2D貼圖中大多數(shù)是由程序生成,可稱之為程序2D貼圖;另一種2D貼圖是位圖貼圖,也是2D貼圖中較為常用的方式,它可以允許用戶使用自定義圖片投射到物體表面,結(jié)合三維軟件中的定義UV坐標(biāo)的命令來給指定物體定義UV坐標(biāo)信息,使自定義圖片正確顯示。3D貼圖是根據(jù)程序以三維方式生成的圖案。3D貼圖不需要貼圖坐標(biāo)即可進(jìn)行渲染。但是這種貼圖方式對計(jì)算機(jī)硬件要求較高,目前的解決方式是需要通過紋理壓縮來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的細(xì)節(jié)貼圖。

1 傳統(tǒng)貼圖在應(yīng)用中的問題

2D紋理映射技術(shù)有著天生的缺陷。一是2D紋理貼圖與分辨率有關(guān)。當(dāng)紋理貼圖較小時(shí),投射到3D物體表面的紋理會(huì)呈現(xiàn)馬賽克或模糊不清的效果。較大分辨率的貼圖可以使3D物體表面呈現(xiàn)較多的細(xì)節(jié)。較大分辨率也會(huì)占用更多的計(jì)算資源,占用有限的存儲量和帶寬。由于位圖是由彩色像素的固定矩陣生成的圖像,所以放大會(huì)有像素格出現(xiàn),這使得動(dòng)畫在設(shè)計(jì)鏡頭時(shí)盡量避免近景或特寫鏡頭;二是紋理走樣。在位圖貼圖中,出現(xiàn)了顯示扭曲、接縫明顯或不正確顯示等問題。3D貼圖雖然可以解決部分2D貼圖的問題,但3D貼圖應(yīng)用的對象具有貼圖坐標(biāo)時(shí)才會(huì)在視口中顯示3D貼圖,而且3D貼圖對硬件要求較高,渲染圖像時(shí)間較長,需要占用大量的計(jì)算資源。

2 基于Substance的動(dòng)態(tài)2D紋理貼圖

Substance是基于Allegorithmic公司技術(shù)研發(fā)的一種革命性的材質(zhì)形式。它具有很小的體積,可以最大限度的縮小文件量。這種貼圖方式介于2D與3D貼圖方式之間,可以很好模擬寫實(shí)感的材質(zhì)。其內(nèi)置80個(gè)程序性材質(zhì),可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整貼圖并且可以100%顯示實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)效果,調(diào)節(jié)參數(shù)中還包括自定義解析度等許多可以自定義的參數(shù)設(shè)置。一個(gè)Substance是一個(gè)Map集,用編輯器中所產(chǎn)生的參數(shù)(Diffuse,Normal, Specular,Bump等)來共同定義整個(gè)材質(zhì)的最終效果。Substance文件也可以輸出成為傳統(tǒng)貼圖方式的文件。它的出現(xiàn)順應(yīng)了目前計(jì)算機(jī)動(dòng)畫及游戲中的要求和大趨勢。

Substance是動(dòng)態(tài)2D紋理,因此把傳統(tǒng)貼圖從受分辨率限制的方式中解脫出來,動(dòng)態(tài)2D紋理占用的內(nèi)存和磁盤空間很小,適合于通過Allegorithmic Substance Air中間件服務(wù)導(dǎo)出到游戲引擎當(dāng)中。目前Unreal○REngine 3,Emergent Gamebryo○R,Unity以及Autodesk○R3ds Max2012,Maya2012,Flame已經(jīng)將其集成其中。

3 使用substance在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的應(yīng)用

這種動(dòng)態(tài)2D貼圖的方式在游戲制作中已經(jīng)開始普遍應(yīng)用,但在動(dòng)畫制作中還應(yīng)用較少,下面是以Max為應(yīng)用環(huán)境來實(shí)現(xiàn)Substanc的應(yīng)用。

3.1 Substance的界面

在3DS Max中,實(shí)現(xiàn)對Substance材質(zhì)的編輯,最好使用Slate材質(zhì)編輯器(SME)進(jìn)行設(shè)置編輯。Substance的界面包含:Global Substance Settings,Substance Package Browser,Texture Size,Information,Coordinates,Noise幾項(xiàng)卷展欄。在Substance Package Browser中加載了Substance材質(zhì)后,會(huì)增加一個(gè)很重要的參數(shù)卷展欄,即Cardboard Parameters。在這個(gè)卷展欄中可以設(shè)置Substance的具體參數(shù),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示紋理結(jié)果。每種材質(zhì)貼圖都有自己默認(rèn)的參數(shù)集,用戶可根據(jù)需要調(diào)節(jié)參數(shù),除特殊說明外,大多數(shù)參數(shù)可用值范圍為0.0到1.0之間。

另一個(gè)重要的設(shè)置是“Random Seed”參數(shù),該設(shè)置也是大多數(shù)Substance的公用設(shè)置,這也是與其他3DS Max中貼圖不同之處。更改該值可以更改紋理的細(xì)節(jié),同時(shí)保持總體外觀不變。該參數(shù)的最大好處可以將同一紋理應(yīng)用在同一場景中的不同物體,而不會(huì)出現(xiàn)雷同紋理的情況。

3.2 Substance置換和貼圖輸出

3.2.1 Substance的置換

Substance貼圖的獨(dú)特之處是它們提供三種不同的置換輸出:“Bump”提供高頻率的詳細(xì)置換;“Displacement”提供具有更廣置換的低頻率輸出;“Height”將二者組合到一個(gè)輸出中?？梢愿鶕?jù)需要使用輸出來最大程度地減少內(nèi)存使用和渲染時(shí)間。例如,可以使用“Displacement”輸出來置換網(wǎng)格,而將“Bump”(或“Noraml”)輸出作為凹凸貼圖。當(dāng)單獨(dú)使用“Bump”和“Displacement”輸出時(shí),需要配合使用Substance貼圖參數(shù)卷展欄上提供的“Relief Balance”設(shè)置來指定二者之間的平衡。“Relief Balance”值的范圍為0.0到32.0之間,32.0是默認(rèn)值。較高的“Relief Balance”值適用于“Bump”輸出,而較低的參數(shù)值適用于“Displacement”輸出。

3.2.2 Substance的貼圖輸出

與3DS Max中的大多數(shù)其他貼圖不同,Substance貼圖通常有多個(gè)輸出。這意味著可以將一個(gè)Substance中的不同輸出連接到材質(zhì)中的不同輸入,結(jié)果因連接不同而各不相同。通常一個(gè)Substance具有Diffuse,Specular,Normal,Bump,Displacement等多個(gè)不同的輸出通道。但是不是所有Substance都具有以上通道,根據(jù)選擇不同的Substance而具有相應(yīng)不同的輸出通道。

3.3 Substance貼圖的應(yīng)用實(shí)例

首先建立好動(dòng)畫中的所需的模型。下面將為場景中的墻面和地面賦予材質(zhì)貼圖。

1)在3DS Max中使用Slate材質(zhì)編輯器,從材質(zhì)/貼圖瀏覽器中的“材質(zhì)”列表中,將材質(zhì)拖動(dòng)到活動(dòng)視圖中。在此使用的是標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)。將這個(gè)材質(zhì)賦予給場景中的“墻”物體。

2)從材質(zhì)/貼圖瀏覽器中的“貼圖”列表,將Substance貼圖拖動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)上的漫反射輸入插孔。

3)在視圖中雙擊Substance貼圖節(jié)點(diǎn),其參數(shù)出現(xiàn)在材質(zhì)編輯器右側(cè)的參數(shù)編輯器中。

4)在第一個(gè)卷展欄“Substance Package Browser”上,單擊“Load Substance……”按鈕。將打開查找Substance文件對話框。默認(rèn)情況下,它顯示兩個(gè)包含Substance文件的文件夾:“Noises”和“Textures”。

5)對于本示例,打開“Textures”文件夾,然后打開BrickWall 02 Substance文件。打開Substance文件之后,3DS Max在Substance節(jié)點(diǎn)和材質(zhì)節(jié)點(diǎn)之間自動(dòng)插入貼圖輸出選擇器貼圖節(jié)點(diǎn)。對于同時(shí)產(chǎn)生一些不同輸出類型(或通道)的大多數(shù)Substance而言,此節(jié)點(diǎn)是必需的。(某些Substance僅產(chǎn)生一種輸出類型;這些Substance不需要貼圖輸出選擇器。)可以使用貼圖輸出選擇器更改連接到材質(zhì)輸入插孔的Substance貼圖輸出類型,而不必重新連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于Substance貼圖產(chǎn)生不同類型的輸出,可以將同一貼圖應(yīng)用于不同的材質(zhì)輸入。

6)從材質(zhì)/貼圖瀏覽器中的貼圖列表,將法線凹凸貼圖拖動(dòng)到材質(zhì)上的“Bump”輸入插孔。

7)在“法線凹凸貼圖”節(jié)點(diǎn)上的“Normal”輸入插孔和Substance貼圖上的“Normal”輸出插孔之間拖動(dòng)。連線后3DS Max會(huì)再次在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間自動(dòng)插入貼圖輸出選擇器節(jié)點(diǎn)。如果依次雙擊每個(gè)貼圖輸出選擇器節(jié)點(diǎn),可以看到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為“Displacement”通道,而第二個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為“Normal”通道。

8)將材質(zhì)應(yīng)用于對象,并渲染場景,查看貼圖效果。使用同樣的方法再賦予地面Substance貼圖。

4 結(jié)束語

基于Substance貼圖,突破了紋理貼圖需要依賴分辨率的限制。利用Substance的各種特性,可以大大提高制作效率,完善畫面效果。對于Substance應(yīng)用于動(dòng)畫中的探索才剛剛起步,還有許多問題有待解決,例如在動(dòng)畫中需要各種風(fēng)格,而目前的Substance只能模擬寫實(shí)材質(zhì)的表現(xiàn),如何能增加更多的畫面效果風(fēng)格需要我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究。

[1] W Randi L.Derakhshani,Dariush Derakhshani.Autodesk3ds Max2012Essentials[M].America:Sybex,2011.

[2] Kelly L.Murdock.3ds Max Bible[M].America:JO HN W ILEY&SONS INC,2011.

[3] 楊雪果.3ds Max高級程序貼圖的藝術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2010.

[4] 王巖,陳邑.3ds Max材質(zhì)與貼圖技術(shù)精粹[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

(責(zé)任編輯:姜久超)

Substance Mapping Application in Computer 3-D Animation

LV Xin1,HAO Sha-sha2
(1.College of Computer and Information Engineering,Anyang Normal University,455002,Anyang,Henan,China; 2.College of Art,Anyang Normal University,455002,Anyang,Henan,China)

With the perfection of computer graphics technology,people demand more and more on three-dimensional animated visual effect.In order to effectively improve the quality of three-dimensional animation,mapping and production efficiency,the Substance mapping technology is adopted in three-dimensional animation process.This mapping approach is a revolutionary mapping form,based on Allegorithmic's technology,which has the chracteristics of small volume and good simulated reality results.This paper studies on how to apply Substance in animation,and introduce how to realize the Substance mapping.

Substance;mapping;computer animation

T P391.4

A

1008-3782(2012)02-0056-03

2011-11-07

呂 鑫(1977-),男,河南安陽人,碩士,安陽師范學(xué)院講師,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)動(dòng)畫。