郭法寶

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州財經(jīng)分院 信息技術(shù)系，江蘇 徐州 221008）

0 引言

基于物理原理的渲染（Physically-Based Rendering，PBR）是一種較為先進(jìn)的渲染技術(shù)，能夠更加真實地模擬光照和材質(zhì)的效果，目前已經(jīng)在游戲行業(yè)廣泛應(yīng)用。在游戲模型制作中，使用PBR 流程能夠提供更好的材質(zhì)表現(xiàn)和更真實的光照效果，從而增強(qiáng)游戲的視覺效果和沉浸感。通過PBR 流程，游戲開發(fā)者可以更加準(zhǔn)確地模擬不同材質(zhì)的外觀和光照響應(yīng)，使得游戲世界更加真實。在畢業(yè)設(shè)計的創(chuàng)作中，越來越多的學(xué)生選擇PBR 流程來制作游戲模型，這樣可以讓作品更具技術(shù)感[1]。畢業(yè)設(shè)計創(chuàng)作是體現(xiàn)學(xué)生全面掌握技能和職業(yè)素養(yǎng)的重要手段。以游戲道具模型制作為例，使用PBR 流程體現(xiàn)游戲道具模型設(shè)計與展示方式，可以使作品具有更好的真實感和視覺沖擊力。

1 PBR 流程概述

1.1 PBR 流程的概念和原理

PBR 流程是一種基于物理原理的渲染技術(shù)，核心思想是以物理材質(zhì)的真實性和能量守恒為基礎(chǔ)，通過模擬光線在物體表面的反射、折射和散射等物理過程，使渲染結(jié)果更加真實和自然。在PBR 流程中，反射模型是核心概念之一，描述了光線在物體表面的反射行為。常見的PBR 反射模型有Lambert模型、Blinn-Phong 模型和Cook-Torrance 模型等。PBR 流程還依賴能量守恒原理，即光線的入射能量必須等于反射、折射和散射等過程的總能量，從而實現(xiàn)渲染結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性[2]。

PBR 有兩種主要的工作流：一種是基于金屬的工作流（Metallic-Roughness），一種是基于鏡面反射的工作流（Specular-Glossiness）。它們都遵循PBR 的核心原理，最大的區(qū)別在于如何識別反射與漫反射。

在PBR 流程中，材質(zhì)的創(chuàng)建更容易，不再需要猜測，而是根據(jù)真實數(shù)據(jù)設(shè)置。材質(zhì)在所有光照條件下看起來都是正確的，這使得美術(shù)工作流程更加穩(wěn)定。PBR 的兩種主要工作流使用的貼圖包括法線（Normal）、環(huán)境光遮蔽（Ambient Occlusion）、高度（Height）貼圖以及基色（BaseColor）貼圖。這些貼圖保存了金屬的反射率、非金屬的反射顏色以及凹凸/法線貼圖額外提供的深度信息，增強(qiáng)了真實性。

1.2 游戲模型制作中的PBR 工作流程

利用PBR 流程制作游戲模型，通常包括以下5 個步驟[3]。

第一，建立三維模型。使用3D 建模軟件建立游戲場景的模型。

第二，制作紋理貼圖。根據(jù)不同的材質(zhì)類型和紋理貼圖，設(shè)置不同的物理屬性，如反射、折射、漫反射等。這些屬性可以根據(jù)不同的材質(zhì)類型和紋理貼圖進(jìn)行調(diào)整，以實現(xiàn)更逼真的效果。

第三，實現(xiàn)材質(zhì)交互。PBR 流程可以模擬不同材質(zhì)之間的交互，如金屬與非金屬的反射、透明物體的折射等。這些交互可以通過設(shè)置材質(zhì)的物理屬性和調(diào)整紋理貼圖來實現(xiàn)。

第四，光照計算。根據(jù)光源的位置和屬性，計算物體表面的光照效果。PBR 流程可以模擬現(xiàn)實世界中的光照效果，如陰影、反射、高光等。這些效果可以通過調(diào)整光源的屬性和位置來實現(xiàn)，也可以使用后期處理技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)。

第五，渲染輸出。使用渲染引擎對場景進(jìn)行渲染輸出，得到最終的游戲畫面。

2 游戲模型制作的發(fā)展

隨著游戲行業(yè)的快速發(fā)展，游戲中的角色裝備越來越炫酷，場景越來越逼真，畫質(zhì)也貼近現(xiàn)實。其中，游戲模型制作技術(shù)起到了重要的作用。也正是游戲模型制作水平的提升，吸引了越來越多的人加入游戲建模行業(yè)。游戲建模目前主要分傳統(tǒng)手繪建模、次世代建模兩個方向[4]。

2.1 傳統(tǒng)手繪建模

傳統(tǒng)手繪建模是指3D 美術(shù)設(shè)計師根據(jù)原畫設(shè)計師的構(gòu)思，將二維的物體通過3D 軟件制作出來，最終得到的是模型和貼圖。在這個過程中，模型是物體的主要構(gòu)架，而貼圖則用于表現(xiàn)構(gòu)架上的顏色和樣式。

傳統(tǒng)手繪建模只需要制作低模，主要依賴手繪貼圖來呈現(xiàn)最終效果。因此，傳統(tǒng)手繪建模存在“三分模型、七分貼圖”的說法。其制作流程是：首先在3ds Max 軟件中制作低模，其次進(jìn)行UV 拆分，最后用手繪貼圖來完善模型。

2.2 次世代建模

次世代建模主要是指引入了PBR 流程的3D 建模。次世代是個舶來語，“次世代游戲”指代與同類游戲相比更加先進(jìn)的游戲，即“下一代游戲”。次世代建模利用高模烘焙的法線貼圖回貼到低模上，讓低模在游戲引擎里可以即時顯示高模的視覺效果[5]。次世代模型面數(shù)比較高，采用法線貼圖來描繪物體表面細(xì)節(jié)的凸凹變化，顏色貼圖來表現(xiàn)物體的顏色和紋理，高光貼圖來表現(xiàn)物體在光線照射條件下體現(xiàn)出的質(zhì)感。與傳統(tǒng)手繪建模相比，次世代建模流程更復(fù)雜，模型效果更細(xì)致。次世代流程制作的模型在游戲中隨著光影變化，質(zhì)感表現(xiàn)、流光感都會更加真實。

次世代建模制作流程是：根據(jù)二維原畫設(shè)定制作中?！鷮?dǎo)進(jìn)ZBrush 軟件進(jìn)行高模雕刻→拓?fù)涞湍＃丛谟螒蛑械哪Ｐ停狗諹V →烘焙（將高模細(xì)節(jié)烘焙到低模上面）→繪制貼圖→引擎中調(diào)整。

3 基于PBR 流程的游戲模型設(shè)計實踐

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州財經(jīng)分院五年制影視動畫專業(yè)的學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計實踐應(yīng)用時，需要完成從設(shè)計圖到渲染輸出的整個流程。在此環(huán)節(jié)中，使用PBR 流程制作，可以提升作品質(zhì)量和團(tuán)隊合作能力。

3.1 分析設(shè)計圖與參考資料

制作模型前，需要先設(shè)計原畫。根據(jù)原畫的要求設(shè)計模型制作方案，首先要分析模型的各項要求，從整體到個體，分析每一個部件的長寬高比例、層次關(guān)系，還有造型。除此之外，還要分析部件用什么方法來制作更有效率，某個模型要分多少張UV才能顯現(xiàn)出好的效果。

3.2 制作中模

首先依照原畫制作中模。制作中模的過程中，用合理的布線來準(zhǔn)確表達(dá)模型的結(jié)構(gòu)，要求使用四邊形的面進(jìn)行制作，避免出現(xiàn)多邊面、藏點(diǎn)、藏面等問題，避免對后續(xù)環(huán)節(jié)造成麻煩。中模是后續(xù)制作高模的基礎(chǔ)[6]。在此環(huán)節(jié)，每一個部件的結(jié)構(gòu)和比例都要準(zhǔn)確無誤，并整理好大綱視圖，將模型合理分組。制作中模的軟件有很多，常用的有3ds Max、Maya、Blender 等軟件。本文的制作使用3ds Max軟件完成。

將盾牌模型分成木頭、金屬、寶石3 個部分。在3ds Max 軟件中使用樣條線繪制工具，畫出盾牌的基本形狀，執(zhí)行擠出（Extrude）修改器命令，設(shè)置數(shù)量為0，生成盾牌的框架平面模型。然后，配合右鍵轉(zhuǎn)換成可編輯多邊形的建模方式。根據(jù)盾牌的金屬飾條的結(jié)構(gòu)在模型上進(jìn)行布線。由于金屬飾條的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要準(zhǔn)確表達(dá)出曲線、銳角的造型并合理布線，最終選擇金屬部分執(zhí)行擠出命令。將金屬模型從基礎(chǔ)模型中分離出來，單獨(dú)成為一個模型。剩下的部分即為木頭模型，由于是不同的木條結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)，因此要注意木條模型的分解和木條之間接縫的處理。最后制作寶石，使用基礎(chǔ)球體模型進(jìn)行制作。寶石結(jié)構(gòu)較為簡單，制作出寶石的外輪廓后與金屬結(jié)合放置在一起。最終效果如圖1 所示。

圖1 游戲道具中模制作效果圖

3.3 制作UV 貼圖

UV 展開的目的是將3D 模型表面的紋理映射到2D 平面上，以便進(jìn)行紋理貼圖的制作。在3ds Max 軟件中使用編輯UVW 工具展開UV，判斷標(biāo)準(zhǔn)是模型上的棋盤格都呈現(xiàn)出正方形的造型，然后把所有的UV 最大化放置在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)。

在UV 展開的時候，UV 的接縫線要選在模型一些視線看不見的地方切，避免接縫處過渡不自然影響美觀，內(nèi)角小于或等于90°的角一定要切，避免模型泛黑。切好UV 的同時需要分好軟硬邊，之后擺UV，能打直的UV 盡量打直，以節(jié)省UV 空間和后期貼圖的修改，最后使用棋盤格檢查UV 的最終效果。制作模型的UV 如圖2 所示。

圖2 制作模型的UV 圖

3.4 高模雕刻

為了在ZBrush 軟件的雕刻過程中擁有足夠多的面數(shù)，在展好模型的UV 后，把制作完成的模型導(dǎo)入3ds Max 軟件中，在模型細(xì)節(jié)較多的地方如盾牌邊緣和轉(zhuǎn)角的地方進(jìn)行細(xì)化，通過快速循環(huán)、連接、切角等工具完成模型的卡線工作，使模型在保持原有結(jié)構(gòu)的前提下產(chǎn)生更多的細(xì)節(jié)，為高模雕刻打下基礎(chǔ)。

在3ds Max 軟件里卡好線之后，導(dǎo)入ZBrush軟件進(jìn)行細(xì)節(jié)的雕刻，制作出劃痕、破損、磨邊等一些效果。在ZBrush 軟件中熟練使用各類雕刻筆刷達(dá)成材質(zhì)的表現(xiàn)，如Standard、ClayBuildup 筆刷繪制雕刻模型，Move 筆刷移動模型調(diào)整大型，Damstandard 筆刷雕刻尖銳的細(xì)節(jié)，F(xiàn)latten 筆刷使凹凸不同的表面變得平整，還有Smooth 筆刷用于平滑表面，MaskPeny 是遮罩筆刷。通過數(shù)位板壓感、Z 強(qiáng)度、焦點(diǎn)衰減以及Alpha 遮罩，可以繪制出豐富多彩的紋理效果。

在Zbrush 軟件的使用中，模型因為卡線的原因?qū)е旅鏀?shù)非常不均勻，從而導(dǎo)致細(xì)節(jié)有所缺失。對此，可以使用Dynamesh 工具使模型擁有更多且均勻的面用于雕刻。使用Dynamesh 工具時，要注意分辨率的選擇。分辨率過高會導(dǎo)致項目卡頓，分辨率過低會導(dǎo)致精度降低。需要注意的是，拆分成組件后使用Dynamesh 工具會更方便后續(xù)的雕刻。

3.5 烘焙

烘焙的技術(shù)原理是使用Substance Paint 軟件將雕刻好的高精度模型的細(xì)節(jié)烘焙到低模上。能夠進(jìn)行烘焙制作的軟件不只Substance Paint，MAYA、Marmoset Toolbag 等軟件也可以制作烘焙和AO效果。

本次案例使用Substance Paint 軟件進(jìn)行烘焙操作。打開Substance Paint 軟件，創(chuàng)建新的項目，導(dǎo)入展好UV 的低精度模型。烘焙之前，需要將高模和低模再次進(jìn)行匹配。按Ctrl+Shift+B 組合鍵進(jìn)入烘焙頁面（版本使用2020 版），選擇制作完成的高精度模型，點(diǎn)擊“烘焙”即可完成操作。

3.6 制作材質(zhì)

將低模導(dǎo)入Substance Paint 軟件中，修改模型的Base Color 顏 色，調(diào) 節(jié)Metallic、Roughness、Normal等參數(shù)，利用部分材質(zhì)預(yù)設(shè)來完成模型的紋理貼圖和材質(zhì)制作。

制作模型材質(zhì)時，要注意模型不同部位、不同材質(zhì)之間的區(qū)分，更好地還原案例中木材、金屬、寶石的質(zhì)感。模型的整體效果要注重色彩的協(xié)調(diào)性。

3.7 渲染

模型的材質(zhì)貼圖制作完成后，將PBR 材質(zhì)不同通道的貼圖一起輸出，可以在不同的軟件或平臺進(jìn)行作品的渲染。輸出的貼圖一般包括Base Color貼圖、Metallic 貼圖、Roughness 貼圖、Normal 貼圖、AO貼圖及Hight 貼圖等，將其與對應(yīng)的材質(zhì)通道一一連接。渲染時需要注意燈光的冷暖對比和模型構(gòu)圖角度，注意適當(dāng)添加后期效果的調(diào)整，來增強(qiáng)畫面的質(zhì)感和色彩。常見的渲染器包括Substance Paint、Vray、Marmoset Toolbag、Keyshot、Arnold 及OC 等。最終的游戲道具模型制作效果如圖3 所示。

圖3 游戲道具模型制作效果

4 結(jié)語

PBR 流程在游戲模型制作中具有廣泛的應(yīng)用前景和實踐價值。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，PBR 流程將會在游戲行業(yè)發(fā)揮更加重要的作用，為游戲畫面質(zhì)量和用戶體驗的提升帶來更多的可能性。本文主要探討PBR 技術(shù)在游戲模型制作設(shè)計實踐中游戲道具模型的實現(xiàn)方式，根據(jù)不同的游戲設(shè)定，后期還需要不斷完善其他材質(zhì)、紋理和渲染效果的表現(xiàn)，如毛發(fā)、布料、水特效等，還可以遷移到服飾、建筑、武器等其他游戲模型上，以此著重強(qiáng)調(diào)PBR 流程在游戲模型表現(xiàn)中的真實性和多樣性。