PBR流程下的影視模型優化渲染分析

丁煒

摘 要：隨著計算機軟硬件的不斷更新與發展，傳統的影視動畫模型渲染是基于在多邊形模型素模下，通過展UV、繪貼圖、布燈光、調材質、測渲染這幾大步驟來展開制作。繁瑣的參數調節與漫長的渲染等待成了影視模型最終效果展現而必然要付出的時間代價。然而PBR流程的出現使得賦予這些影視素模的材質信息與周圍環境信息給予了更加寫實的效果展現。特別是它的基于物理渲染算法，簡化工作流程，在實際商業項目中節省時間成本，讓越來越多的藝術工作者開始嘗試這一新的設計領域。

關鍵詞：PBR流程;Zbrush;影視模型;渲染;引擎

0 引言

在影視行業快速發展的背景下，渲染一直是電影制作人較為煩惱的一項工作流程，傳統的影視作品渲染非?？简炗布疁?，一般使用工業級集群工作站，且耗時長，往往需要幾小時至幾個禮拜不等，無論是時間的成本還是金錢的核算，這兩點的付出到最后總會超乎尋常。直到2012的Siggraph圖形大會上，由迪士尼首部基于物理渲染的動畫《無敵破壞王》的出現在電影業界和游戲業界引起了不小的轟動。從此迪士尼的著名演說《Physically-based shading at Disney》讓基于物理渲染技術正式成為這個行業的視野與焦點。隨后UE4，Unity，substancepainter等基于物理渲染（Physically Based Rendering，PBR）的技術被廣泛應用和開發。他的提出后如一匹野馬，瞬間沖到了游戲材質表現的風口浪尖。游戲界首先迎來了PBR制作流程技術的新高潮，而在影視渲染的今天同樣需要PBR流程技術的更新與探索。他的優勢在于同一個設置可以適用于不同的光照環境，比較容易制作寫實效果，時間成本低，參數是基于真實世界中物理現象變化的設置，直觀而明了的效率為不同的制作人員提供了一個統一的工作流程。

1 傳統制作流程與PBR的區別

1.1 傳統貼圖制作的局限性

模型是影視界動畫和電影最基本的原材料，模型質量的好壞將直接影響到后續的渲染制作，在傳統的影視模型完成后會通過顏色貼圖、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實現效果。其中粗糙度與光澤度的信息直接包含在了顏色貼圖里，這樣就會使我們在繪制貼圖過程中需要額外花費時間去表現這些質感信息，為了使貼圖的質感接近寫實，有的貼圖美工需要根據自己的理解去人工猜測物理的光源效果，照片素材的疊加和微細節部分處理，這不僅給貼圖繪制者增加了大量的工作量，同時對于寫實效果的表現也存在一定的缺陷。尤其在微表面、金屬與非金屬、透明與半透明的表現中如履薄冰。另外高光與陰影貼圖不會因為光源方向的變化而自然改變，因為這是一張繪制過后的像素圖。特別是在高精度貼圖繪制中，有的貼圖尺寸較大，運用四方連續的方式讓很多的細節表現無法特別的突出，總之帶著這些傳統的手繪貼圖來決定后續的渲染與合成。

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），他以精確的計算公式和科學的方法論來免除創作者的猜想過程，在任何光照環境下能表現出正確而自然的結果。在活動環境光改變的同時變化著模型表面的物理光照信息，這是一種同步而實時渲染的展現效果。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，這些圖可以通過阿諾得渲染或者Reshift渲染來表現出電影與動畫的逼真效果，同時也結合了Unreal Engine 4或者Unity3D等引擎渲染來實現高仿真的次世代游戲效果。由此可見，他的靈活性不僅徹底打破了傳統影視效果制作中，因逐幀渲染而產生的漫長等待所需要的時間成本，同時也避免了渲染過程中因某一幀或某一時間段渲染的瑕疵效果而暫停，并重新去調試與修改的必要性。與此同時，原本繁瑣的三點式布光或燈光陣列的前期渲染測試步驟，現在因PBR基于物理渲染效果中以一張HDIR的環境球效果的轉動來替代一切光源布局和材質信息。這些信息最終將靈活運用于攝像機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用

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

（1）高模的制作。由于PBR渲染流程中有個重要的環節是法線貼圖的制作，高模的細節表象將決定了后續法線細節效果的體現，通常我們會采取ZBrush進行細節的雕刻制作，在這個制作過程中模型的面數會上白成千萬。顯然這樣的面數的模型是無法直接拿來運用的，所以在這個環節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節結構。

（2）低模拓撲。當高模的環節制作完成后，我們將其輸出后通過topgun或者maya來根據高模形體的輪廓進行拓撲制作。這個環節最重要的是模型的布線規律。而這個拓撲完成的模型也將成為我們最終需要渲染的模型。

（3）展UV與法線烘焙。不管是傳統的影視模型制作流程還是如今的PBR流程都是離不開的一個重要環節。這里的UV是從拓撲低模中展出來的，UV的剪切與合并同模型結構之間的轉角關系緊密相連。模型結構的轉角處大于90度可以不用切開，而通常情況下小于或等于90度的是要切開的。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。作為凹凸紋理的擴展，它使每個平面的各像素擁有了高度值，包含了許多細節的表面信息，這些細節的體現同樣是ZBrush雕刻中不可缺失的部分，能夠在平平無奇的低模拓撲形體上，創建出許多種特殊的立體視覺效果。

（4）渲染與合成。我們最終將制作好的低模和法線導入到substance paiter里來完成顏色貼圖、法線貼圖、反射貼圖、金屬貼圖和高光貼圖，利用這幾種貼圖來結合Arnold的影視渲染來達到對實物的還原。制作完成的最終效果對比如下。

①金屬氧化物是指氧元素與另外一種金屬化學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。特別在局部細節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光不同的照射過度下與真實環境的效果相同。

②真玉器無論半透明或不透明，都有溫潤光澤，油脂光澤、花紋自然，內部纖維狀態是不易模仿的。如圖2所示。斧頭裝飾部分的玉石色調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度使得這塊玉石顯得格外硬朗，再加上內部自然的花紋，從而模擬出真實玉石的花斑與質感。

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，易開裂導致局部紋理會有深淺。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淡淡的清漆，讓把柄部分呈現出柔和的高光效果。同時利用法線貼圖對木紋的紋理進行刻畫，對其自然紋理進行復原。所展現出來的效果以最大的還原來模擬現實特征。

3 總結與展望

PBR技術的發展將為影視模型的渲染制作效果鋪墊了一定的基礎。未來的影視行業發展少不了PBR技術的融合;為了追求極致的效果，影視模型可以發揮的空間也變得更大。高質量的游戲模型，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。但隨著時下流行的引擎不斷發展，可以預見，高端的游戲質量越來越接近電影級別，兩者的視效差距只會越來越小。在未來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影視模型的渲染，讓影視行業的制作效率與時間成本逐步優化。

參考文獻

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