丁煒

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷更新與發(fā)展，傳統(tǒng)的影視動(dòng)畫(huà)模型渲染是基于在多邊形模型素模下，通過(guò)展UV、繪貼圖、布燈光、調(diào)材質(zhì)、測(cè)渲染這幾大步驟來(lái)展開(kāi)制作。繁瑣的參數(shù)調(diào)節(jié)與漫長(zhǎng)的渲染等待成了影視模型最終效果展現(xiàn)而必然要付出的時(shí)間代價(jià)。然而PBR流程的出現(xiàn)使得賦予這些影視素模的材質(zhì)信息與周?chē)h(huán)境信息給予了更加寫(xiě)實(shí)的效果展現(xiàn)。特別是它的基于物理渲染算法，簡(jiǎn)化工作流程，在實(shí)際商業(yè)項(xiàng)目中節(jié)省時(shí)間成本，讓越來(lái)越多的藝術(shù)工作者開(kāi)始嘗試這一新的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：PBR流程;Zbrush;影視模型;渲染;引擎

0 引言

在影視行業(yè)快速發(fā)展的背景下，渲染一直是電影制作人較為煩惱的一項(xiàng)工作流程，傳統(tǒng)的影視作品渲染非?？简?yàn)硬件水準(zhǔn)，一般使用工業(yè)級(jí)集群工作站，且耗時(shí)長(zhǎng)，往往需要幾小時(shí)至幾個(gè)禮拜不等，無(wú)論是時(shí)間的成本還是金錢(qián)的核算，這兩點(diǎn)的付出到最后總會(huì)超乎尋常。直到2012的Siggraph圖形大會(huì)上，由迪士尼首部基于物理渲染的動(dòng)畫(huà)《無(wú)敵破壞王》的出現(xiàn)在電影業(yè)界和游戲業(yè)界引起了不小的轟動(dòng)。從此迪士尼的著名演說(shuō)《Physically-based shading at Disney》讓基于物理渲染技術(shù)正式成為這個(gè)行業(yè)的視野與焦點(diǎn)。隨后UE4，Unity，substancepainter等基于物理渲染（Physically Based Rendering，PBR）的技術(shù)被廣泛應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。他的提出后如一匹野馬，瞬間沖到了游戲材質(zhì)表現(xiàn)的風(fēng)口浪尖。游戲界首先迎來(lái)了PBR制作流程技術(shù)的新高潮，而在影視渲染的今天同樣需要PBR流程技術(shù)的更新與探索。他的優(yōu)勢(shì)在于同一個(gè)設(shè)置可以適用于不同的光照環(huán)境，比較容易制作寫(xiě)實(shí)效果，時(shí)間成本低，參數(shù)是基于真實(shí)世界中物理現(xiàn)象變化的設(shè)置，直觀而明了的效率為不同的制作人員提供了一個(gè)統(tǒng)一的工作流程。

1 傳統(tǒng)制作流程與PBR的區(qū)別

1.1 傳統(tǒng)貼圖制作的局限性

模型是影視界動(dòng)畫(huà)和電影最基本的原材料，模型質(zhì)量的好壞將直接影響到后續(xù)的渲染制作，在傳統(tǒng)的影視模型完成后會(huì)通過(guò)顏色貼圖、法線貼圖、高光貼圖、凹凸貼圖、AO貼圖、反射貼圖等一系列圖片的處理與編輯來(lái)實(shí)現(xiàn)效果。其中粗糙度與光澤度的信息直接包含在了顏色貼圖里，這樣就會(huì)使我們?cè)诶L制貼圖過(guò)程中需要額外花費(fèi)時(shí)間去表現(xiàn)這些質(zhì)感信息，為了使貼圖的質(zhì)感接近寫(xiě)實(shí)，有的貼圖美工需要根據(jù)自己的理解去人工猜測(cè)物理的光源效果，照片素材的疊加和微細(xì)節(jié)部分處理，這不僅給貼圖繪制者增加了大量的工作量，同時(shí)對(duì)于寫(xiě)實(shí)效果的表現(xiàn)也存在一定的缺陷。尤其在微表面、金屬與非金屬、透明與半透明的表現(xiàn)中如履薄冰。另外高光與陰影貼圖不會(huì)因?yàn)楣庠捶较虻淖兓匀桓淖儯驗(yàn)檫@是一張繪制過(guò)后的像素圖。特別是在高精度貼圖繪制中，有的貼圖尺寸較大，運(yùn)用四方連續(xù)的方式讓很多的細(xì)節(jié)表現(xiàn)無(wú)法特別的突出，總之帶著這些傳統(tǒng)的手繪貼圖來(lái)決定后續(xù)的渲染與合成。

1.2 PBR貼圖流程的靈活性

PBR，通俗的稱呼為基于物理渲染（Physically Based Rendering），他以精確的計(jì)算公式和科學(xué)的方法論來(lái)免除創(chuàng)作者的猜想過(guò)程，在任何光照環(huán)境下能表現(xiàn)出正確而自然的結(jié)果。在活動(dòng)環(huán)境光改變的同時(shí)變化著模型表面的物理光照信息，這是一種同步而實(shí)時(shí)渲染的展現(xiàn)效果。通常的表選手法取決于顏色貼圖、金屬度貼圖、法線貼圖和粗糙度貼圖，這些圖可以通過(guò)阿諾得渲染或者Reshift渲染來(lái)表現(xiàn)出電影與動(dòng)畫(huà)的逼真效果，同時(shí)也結(jié)合了Unreal Engine 4或者Unity3D等引擎渲染來(lái)實(shí)現(xiàn)高仿真的次世代游戲效果。由此可見(jiàn)，他的靈活性不僅徹底打破了傳統(tǒng)影視效果制作中，因逐幀渲染而產(chǎn)生的漫長(zhǎng)等待所需要的時(shí)間成本，同時(shí)也避免了渲染過(guò)程中因某一幀或某一時(shí)間段渲染的瑕疵效果而暫停，并重新去調(diào)試與修改的必要性。與此同時(shí)，原本繁瑣的三點(diǎn)式布光或燈光陣列的前期渲染測(cè)試步驟，現(xiàn)在因PBR基于物理渲染效果中以一張HDIR的環(huán)境球效果的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)替代一切光源布局和材質(zhì)信息。這些信息最終將靈活運(yùn)用于攝像機(jī)鏡頭渲染的任意角度。

2 PBR流程制作模型在影視渲染中的應(yīng)用

該文選取了一組道具中三種不同材質(zhì)表現(xiàn)的影視模型，并結(jié)合阿諾得渲染與PBR技術(shù)制作流程的實(shí)現(xiàn)。從模型制作流程到三種材質(zhì)分別為剛銹（斧頭刀刃部分）、玉石（斧頭裝飾部分）木質(zhì)（斧頭把柄部分），并以高清HDIR全景貼圖制作的天空盒作為環(huán)境的反射內(nèi)容來(lái)分成以下四大步驟完成。

（1）高模的制作。由于PBR渲染流程中有個(gè)重要的環(huán)節(jié)是法線貼圖的制作，高模的細(xì)節(jié)表象將決定了后續(xù)法線細(xì)節(jié)效果的體現(xiàn)，通常我們會(huì)采取ZBrush進(jìn)行細(xì)節(jié)的雕刻制作，在這個(gè)制作過(guò)程中模型的面數(shù)會(huì)上白成千萬(wàn)。顯然這樣的面數(shù)的模型是無(wú)法直接拿來(lái)運(yùn)用的，所以在這個(gè)環(huán)節(jié)中我們只考慮模型本有的特征，特別是一些劃痕、破損、粗糙面、光滑等一些模型表面的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

（2）低模拓?fù)?。?dāng)高模的環(huán)節(jié)制作完成后，我們將其輸出后通過(guò)topgun或者maya來(lái)根據(jù)高模形體的輪廓進(jìn)行拓?fù)渲谱?。這個(gè)環(huán)節(jié)最重要的是模型的布線規(guī)律。而這個(gè)拓?fù)渫瓿傻哪Ｐ鸵矊⒊蔀槲覀冏罱K需要渲染的模型。

（3）展UV與法線烘焙。不管是傳統(tǒng)的影視模型制作流程還是如今的PBR流程都是離不開(kāi)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。這里的UV是從拓?fù)涞湍Ｖ姓钩鰜?lái)的，UV的剪切與合并同模型結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)角關(guān)系緊密相連。模型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處大于90度可以不用切開(kāi)，而通常情況下小于或等于90度的是要切開(kāi)的。UV之間的緊密擺放不僅可以保證貼圖像素的高度利用。也是烘焙法線效果的重要基礎(chǔ)。作為凹凸紋理的擴(kuò)展，它使每個(gè)平面的各像素?fù)碛辛烁叨戎?，包含了許多細(xì)節(jié)的表面信息，這些細(xì)節(jié)的體現(xiàn)同樣是ZBrush雕刻中不可缺失的部分，能夠在平平無(wú)奇的低模拓?fù)湫误w上，創(chuàng)建出許多種特殊的立體視覺(jué)效果。

（4）渲染與合成。我們最終將制作好的低模和法線導(dǎo)入到substance paiter里來(lái)完成顏色貼圖、法線貼圖、反射貼圖、金屬貼圖和高光貼圖，利用這幾種貼圖來(lái)結(jié)合Arnold的影視渲染來(lái)達(dá)到對(duì)實(shí)物的還原。制作完成的最終效果對(duì)比如下。

①金屬氧化物是指氧元素與另外一種金屬化學(xué)元素組成的二元化合物。如圖1所示。斧頭刀刃部分的鋼銹片區(qū)部分的排布較為自然，而非銹跡部分的金屬因帶有表面劃痕，正在氧化中凹凸起伏的層次感顯得格外明顯。特別在局部細(xì)節(jié)中可以看到高光的自然效果，劃痕的深淺與金屬表面氧化后的小顆粒在強(qiáng)光不同的照射過(guò)度下與真實(shí)環(huán)境的效果相同。

②真玉器無(wú)論半透明或不透明，都有溫潤(rùn)光澤，油脂光澤、花紋自然，內(nèi)部纖維狀態(tài)是不易模仿的。如圖2所示。斧頭裝飾部分的玉石色調(diào)在光的作用下顯得自然透徹，深淺富有層次感。邊緣棱角處從亮到暗的過(guò)度使得這塊玉石顯得格外硬朗，再加上內(nèi)部自然的花紋，從而模擬出真實(shí)玉石的花斑與質(zhì)感。

③橡木色澤淡雅紋理自然美觀，由于橡木水分大，水分脫凈比較難，易開(kāi)裂導(dǎo)致局部紋理會(huì)有深淺。如圖3所示。斧頭把柄部分的橡木在原本自然的紋理模擬下抹上了一點(diǎn)淡淡的清漆，讓把柄部分呈現(xiàn)出柔和的高光效果。同時(shí)利用法線貼圖對(duì)木紋的紋理進(jìn)行刻畫(huà)，對(duì)其自然紋理進(jìn)行復(fù)原。所展現(xiàn)出來(lái)的效果以最大的還原來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)特征。

3 總結(jié)與展望

PBR技術(shù)的發(fā)展將為影視模型的渲染制作效果鋪墊了一定的基礎(chǔ)。未來(lái)的影視行業(yè)發(fā)展少不了PBR技術(shù)的融合;為了追求極致的效果，影視模型可以發(fā)揮的空間也變得更大。高質(zhì)量的游戲模型，在模型、貼圖方面也有很高的要求，但另一半的效果基本是交給引擎呈現(xiàn)。但隨著時(shí)下流行的引擎不斷發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，高端的游戲質(zhì)量越來(lái)越接近電影級(jí)別，兩者的視效差距只會(huì)越來(lái)越小。在未來(lái)的影視模型的渲染中，高端游戲制作流程加引擎的融入終將替代傳統(tǒng)影視模型的渲染，讓影視行業(yè)的制作效率與時(shí)間成本逐步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]SIGGRAPH 2010 Course： Physically-Based Shading Models in Film and Game Production.

[2]孫立.三維數(shù)字技術(shù)在博物館中的應(yīng)用探究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016，（6）：114-115.

[3]張金釗，張金銳.3D立體動(dòng)畫(huà)與游戲設(shè)計(jì)[M].北京：電子工出版社，2008.

[4]Ch. Bouras. Schafer. Advances in 3D multi-user virtual environments[C]. Proceedings of the Seventh IEEE International Symposium on Multimedia （ISM05），2005.