虛幻引擎五對動畫與游戲技術(shù)的革新研究

關(guān)鍵詞：虛幻引擎五;游戲;動畫;技術(shù)革新

中圖分類號：G898 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）21-00-03

1 虛幻引擎五概述

目前，在中國的游戲與動畫市場上，大部分的制作引擎主要還是Unity3D（游戲引擎），只有部分公司采用虛幻引擎，這是因為Unity3D更早進入國內(nèi)市場，使用起來簡便快速，技術(shù)也較為成熟。而目前只有小部分公司使用了效果更好、更高效與技術(shù)更完善的虛幻引擎四。Epic公司與各動畫游戲公司經(jīng)多年的實驗發(fā)現(xiàn)，虛幻引擎整體比Unity3D的效果更為突出，因此未來虛幻引擎成為動畫與游戲世界的主流技術(shù)將是不可避免的趨勢。而隨著Epic公司虛幻技術(shù)的進一步發(fā)展，2021年5月，Epic公司發(fā)布了虛幻引擎五的體驗版本，供大家使用。在發(fā)布會上，Epic公司介紹了虛幻引擎五的核心功能，如Nanite、Lumen、MetaSounds等，這些功能將在未來的實踐中極大地改變游戲與動畫行業(yè)。

2 虛幻引擎五的技術(shù)革新

2.1 Nanite（虛擬多邊形幾何體）功能

虛幻引擎五的核心功能之一是Nanite。這是一種新的Mesh（靜態(tài)網(wǎng)格體）的表現(xiàn)方式，是一個新的概念，被叫作虛擬多邊形幾何體。這個功能非常強大，開發(fā)人員可以盡情地使用虛幻引擎五的Nanite功能開發(fā)自己的項目。

在傳統(tǒng)的三維動畫和游戲制作流程中，相關(guān)開發(fā)者要不斷地調(diào)整自己所有模型的整體面數(shù)，以不超過軟件或者服務(wù)器承載能力的面數(shù)實現(xiàn)進一步的優(yōu)化。但是在虛幻引擎五中，我們可以直接運用Nanite導(dǎo)入幾千萬個三角面與多邊形的影視級別的資源或自己的模型項目，不斷地放置在引擎當(dāng)中。而且在這個過程中，所有模型和資源幾乎不會出現(xiàn)丟幀、緩慢、低質(zhì)量等問題，它可以保證較高的幀速率，維持一個較高的保真度。

Nanite這個功能可以實時檢測模型，并有效進行一種特殊的處理，如畫面在哪里，它就會精心處理畫面上所能感知到的或者是看到的細節(jié)，并把它處理到極致，這大大節(jié)省了渲染的時間，基本上消除了過去那種多邊形數(shù)量和繪制LODs（細節(jié)級別）的限制，可以無限放置研發(fā)人員需要的高質(zhì)量資源，提高了制作游戲與動畫的效率，如模型烘焙法線與不斷手動調(diào)整細節(jié)級別（LODs）等。

在虛幻引擎五體驗版剛出來的時候，筆者做了一個小的自然主題公園的場景，運用了虛幻引擎五里面Quixel（資源插件）的影視級別的自然資產(chǎn)。每一塊石頭的精細程度都達到了可以清晰地看到其內(nèi)部具有非常明顯的裂紋細節(jié)的地步，它并沒有因無限放大而丟失模型與材質(zhì)的細節(jié)，從而變得模糊，反而越來越清晰。由此，基于虛幻引擎五的Nanite功能，美術(shù)師和環(huán)境藝術(shù)家們在以后的創(chuàng)作中都可以不用再費勁地拓撲低模了，可以直接使用億萬面級別的資產(chǎn)進行藝術(shù)創(chuàng)作。

但是，Nanite功能由于剛開發(fā)不久，必定有很多限制，目前其尚不支持自己設(shè)定深度或模板，在實例物體上繪制頂點等。在虛幻引擎五的官方文件中，相關(guān)人員稱會繼續(xù)優(yōu)化，計劃支持定點切線，希望能夠在正式版本推出之前盡量優(yōu)化Nanite功能，這有利于美術(shù)師和環(huán)境藝術(shù)家們更高效、更方便地創(chuàng)作游戲動畫。官方發(fā)布虛幻引擎五時，提供了一個“古代山谷”的場景，該場景大概有6 400多個物體，4億多個面，達到100G，這充分顯示了Nanite功能的強大。

2.2 Lumen（動態(tài)全局光照和反射系統(tǒng)）功能

Lumen功能是虛幻引擎五的另一個核心功能，它是一種主要針對次世代游戲與動畫的新技術(shù)，是一個動態(tài)全局光照和反射系統(tǒng)的解決辦法，采用完全動態(tài)間接光照渲染，項目所有場景的燈光、材質(zhì)等屬性都可以隨時更改，光照可實時更新，呈現(xiàn)出更加完美的實時渲染效果，節(jié)省了完成最終光照的時間。

Lumen功能可以對場景和光照變化作出實時反應(yīng)，如陽光照進屋子里，它的亮度會發(fā)生微妙的變化，我們不再需要像過去的游戲動畫制作一樣，再去創(chuàng)造一套單獨的光影UV并對其烘焙，工作效率大大提高了。在現(xiàn)在的虛幻引擎五中，在場景中處理完燈光渲染后，就可以隨時看到最終的渲染效果，實現(xiàn)更加完美的實時渲染。

在游戲場景或動畫制作中，只要使用了Lumen功能，就等于開啟了全局光，太陽投射光線，進而實時反射在每一個物體上，使陰影的光線反射更加真實。隨著時間的流逝，我們能夠看到陽光或是燈光在物體上的變化，從而形成真實光照反射的物體。

過去的游戲動畫制作由于考慮到服務(wù)器的承載能力和面數(shù)，需要研發(fā)者手動烘焙貼圖和燈光，浪費了大量的時間在烘焙和渲染上。

這種實時全局光照能夠節(jié)省大量時間，讓美術(shù)師們擁有更多的時間創(chuàng)作，不必花太多時間在一些沒必要的環(huán)節(jié)上，以呈現(xiàn)更好的效果為最終目的，這或許是Lumen功能被開發(fā)出來的初衷。

2.3 MetaSounds（音頻制作高性能系統(tǒng)）功能

MetaSounds功能是一個全新的功能，是制作游戲動畫音頻的新方式，有點類似于設(shè)計表面材質(zhì)的那些節(jié)點式。開發(fā)者可根據(jù)不同的節(jié)點，在音頻種類中不斷增加復(fù)雜細節(jié)和變化，以完全控制音頻數(shù)字信號處理圖的聲源生成，變成一種程序化的系統(tǒng)，可以隨時改變音頻的屬性，就像做材質(zhì)那樣，開發(fā)者可以知道這一步該怎么做，下一步該怎么做，它能將游戲的參數(shù)映射到聲音中，使聲音更加貼合游戲，使當(dāng)前動畫、游戲、影視、剪輯等行業(yè)的音頻制作工作發(fā)生一定的變化。

比如開發(fā)者想要制作一種碎石掉落的聲音，可以利用MetaSounds功能，根據(jù)落石的聲音屬性，在節(jié)點式頁面調(diào)整音頻的大小、聲音強度、反應(yīng)速度等屬性。

對于游戲與動畫制作者而言，MetaSounds功能能夠在很大程度上減少不斷切換音頻軟件與視頻軟件的操作次數(shù)。

2.4 Quixel（資源插件）內(nèi)置虛幻引擎五

Quixel公司是世界上重要的模型資產(chǎn)公司，它擁有許多高品質(zhì)甚至是影視級別的資產(chǎn)，因此對于Epic公司來說，對Quixel的收購是一場至關(guān)重要的收購。在Quixel公司沒被收購之前，美術(shù)師們只能通過自己創(chuàng)造一些現(xiàn)有的材質(zhì)，如樹、草、石子等，后來由于Quixel公司被收購，美術(shù)師們可以直接從Quixel的軟件中下載并導(dǎo)入虛幻引擎四中。但是這在虛幻引擎五中發(fā)生了變化，Epic公司將它嵌入軟件界面當(dāng)中，使其成為一個重要的資產(chǎn)來源，增強了便利性。如官方所說，“我們只是能夠讓藝術(shù)家們瘋狂地建造東西，并能夠再次輕松添加它，且能得到其他人的修改，而不會互相干擾對方的工作”。

筆者認為，Quixel的內(nèi)置在一定程度上能夠提升藝術(shù)家和美術(shù)師們的設(shè)計速度，能夠更加方便地獲取資源，提升創(chuàng)造效率，不再像以前那么煩瑣，但它也有一定的缺陷。由于主服務(wù)器在國外，在中國下載這些大型資源必定比較緩慢，需要大家合理安排時間下載，希望以后可以解決這個問題。

3 《黑神話：悟空》游戲動畫的引擎技術(shù)

3.1 《黑神話：悟空》的誕生

《黑神話：悟空》是游戲科學(xué)公司制作的一款動作角色扮演游戲，該游戲塑造了孫悟空這個主角。采用了頂尖的虛幻引擎五技術(shù)，使游戲具有頂尖的畫面、豐富的細節(jié)、激情洋溢的戰(zhàn)斗體驗以及豐富的劇情加持。

這款游戲在2020年8月20日首次公開并發(fā)布了虛幻引擎五的實際測試，宣傳片一發(fā)布，瞬間引爆全球，引起了全世界游戲工作者與環(huán)境藝術(shù)家的關(guān)注。這是中國第一個經(jīng)典且具有鮮明中華文化特色的大型3A級動作類游戲，憑借真實的畫面效果塑造了一個經(jīng)典的東方英雄形象。

3.2 《黑神話：悟空》12分鐘虛幻引擎五演示中的技術(shù)

在《黑神話：悟空》12分鐘的演示片中，我們可以看到其建筑非常真實。開發(fā)者們參考了中國各地的寺廟、佛像等，如重慶大足石刻的千手觀音、山西晉城玉皇廟的亢金龍雕像、五臺佛光寺的蓮花柱等。對于里面的建筑模型，開發(fā)團隊使用的技術(shù)是實地掃描，這是一種根據(jù)實景掃描生成高精度照片，運用專門的軟件進行實際景象模型的生成應(yīng)用，通過圖像及影響軟件導(dǎo)出，形成真實的3D模型，這就是演示片中的場景這么像真實場景的重要原因之一。

在演示片中我們可以看到，無論是其中的雕像、物體、場景、人物，還是雪、樹，都非常真實且細節(jié)非常豐富，要達到這樣的效果，毫無疑問需要強大的技術(shù)支撐。這正是筆者在上文提到的虛幻引擎五的重要新功能Nanite在發(fā)揮作用。虛幻引擎五強大的面數(shù)兼容性和無差別的LODs技術(shù)完美地支持了這些精美的畫面，Nanite在《黑深化：悟空》演示中應(yīng)該兼容了幾億個面數(shù)，模型的所有細節(jié)都凸顯了出來，沒有出現(xiàn)低質(zhì)量的問題。

在演示片中，有一個孫悟空在雪地里跟猴妖戰(zhàn)斗的畫面，無論是金箍棒在雪地摩擦形成的雪花軌跡，還是與猴妖戰(zhàn)斗時的雪花飛濺，雪花整體的材質(zhì)以及它給我們的感受都是非常真實與自然的。畫面的光線變化也很柔和微妙，隨著陽光的變化而變化。以前想達到這種效果，必定需要不斷地烘焙光影貼圖，調(diào)整材質(zhì)，非常麻煩，但是如今基于虛幻引擎五創(chuàng)作的游戲與動畫作品具有實時渲染與Lumen的動態(tài)全局光，陽光得以更加自由地照射，因此我們可以隨時看到陽光對環(huán)境的影響。

在主角飛翔的這個畫面上，周圍的實景不斷變化，地圖之間無縫銜接，沒有絲毫的違和感，非常自然，好像確實在飛翔且周圍景觀不斷變換。鑒于此，我們可以感受到虛幻引擎五是多么強大。在孫悟空大戰(zhàn)白龍BOSS的這個畫面中，我們可以看到，天空、云彩、煙霧等都非常真實，Lumen的全局光渲染支持了強大的全局光系統(tǒng)。

盡管這款游戲在虛幻五的加持下達到了中國游戲動畫的一個新高度，但是仔細觀察會發(fā)現(xiàn)人物在戰(zhàn)斗時，攻擊技能以及攻擊判斷對象的實現(xiàn)都是不太和諧的，稍顯矛盾，希望在正式發(fā)布之前，游戲公司能優(yōu)化其攻擊模式。

游戲表面上是中國的游戲，其實最大的受益者還是其背后的Epic公司。Epic公司的虛幻引擎五為中國乃至世界的游戲科學(xué)作出了不可磨滅的貢獻。當(dāng)不少玩家看到游戲宣傳動畫末尾打出對于游戲開發(fā)公司Epic的特別鳴謝時，還是不由得心頭一緊，因為在某種意義上，“Epic”的意思就是“獨占”[1]。

從目前的3A大作游戲來看，大家普遍考慮的是PC端，很少考慮手機端，《黑神話：悟空》這種3A游戲一旦發(fā)布，就有可能達到幾十上百GB，因此在手機端還運行不了。

盡管虛幻引擎正在對手機端展開優(yōu)化，但不得不說，還是有很多限制因素，需要的成本也極高，5 000萬美元才能踏進3A的大門，更別說后續(xù)更多的優(yōu)化。

由于手機端的限制等因素，在開發(fā)成本翻倍的情況下，單品利潤卻在下降，這就要求銷量必須夠多才能真正賺錢，于是游戲行業(yè)的優(yōu)質(zhì)資源已經(jīng)在金字塔尖聚攏[2]。

4 結(jié)語

未來，虛幻引擎五必定會對游戲產(chǎn)生更大的沖擊，會徹底改變游戲制作流程，帶給用戶沉浸式的體驗。《黑神話：悟空》這個中國歷史上第一個東方超級英雄3A大作，在強大的虛幻引擎五的支持下，必定會受到世界的關(guān)注。希望虛幻引擎五正式版本的面世能顛覆當(dāng)前相關(guān)人員對新一代游戲3A大作以及新式動畫制作流程的認識。

參考文獻：

[1] 楊皓然.《黑神話：悟空》距離平臺獨占有多近？[N].電視報，2021-09-13（006）.

[2] 黎坤.橫跨3A游戲與好萊塢，虛幻引擎“尚能飯否”[N].電視報，2021-09-06（005）.

作者簡介：王江東（1998—），男，江西萍鄉(xiāng)人，碩士在讀，研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)設(shè)計。