PBR方法制作次世代3D游戲道具全流程＊

何勰緋，粟云露

(廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510999)

0 引言

隨著移動(dòng)終端技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對于網(wǎng)絡(luò)游戲在自由度、真實(shí)性、多樣性上的追求也逐步提高，次世代游戲逐漸成為當(dāng)下主流的游戲類型之一。次世代游戲相較于傳統(tǒng)游戲，運(yùn)用了更為先進(jìn)的材質(zhì)貼圖、物理渲染等技術(shù)，以及統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的工作流程，讓玩家在游戲中體驗(yàn)到前所未有、更為真實(shí)的3D視覺效果。

1 次世代

“次世代技術(shù)”是指尚未廣泛應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)。“次世代游戲”則是指超前于當(dāng)前傳統(tǒng)游戲的新型技術(shù)而制作出的游戲。

次世代游戲和傳統(tǒng)游戲相比，在模型優(yōu)化上有了極大程度的提高。次世代游戲采用全新的烘培技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的方法更便捷，全新的紋理繪制，效果比傳統(tǒng)游戲更直接，更高效，借助高端引擎提高網(wǎng)絡(luò)游戲的畫面效果，使游戲模型與場景看起來更真實(shí)，給玩家?guī)砀哟碳さ母泄袤w驗(yàn)；新穎的操作方式以及良好的互動(dòng)性受到了廣大玩家的關(guān)注與喜愛，這些特點(diǎn)顛覆了人們對于傳統(tǒng)電子游戲的認(rèn)知，次世代游戲也開始在游戲產(chǎn)業(yè)中迅速發(fā)展，逐漸成為當(dāng)下主流的游戲類型之一。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提高以及硬件設(shè)備的普及，人們越發(fā)追求較好的畫面真實(shí)感，這使得次世代技術(shù)應(yīng)時(shí)而生，很好的滿足了當(dāng)下的需求，其基于物理規(guī)則的渲染，效果更加貼近真實(shí)，推動(dòng)如今游戲中的3D 體感裝置、虛擬真實(shí)技術(shù)不斷開發(fā)，愈發(fā)成熟，次世代游戲技術(shù)已然成為游戲產(chǎn)業(yè)中先進(jìn)技術(shù)的代表，甚至被歸為第九藝術(shù)。次世代游戲在不斷地沖擊著游戲文化、影視娛樂市場的同時(shí)，也潛移默化地改變著人們對于游戲藝術(shù)的追求，如圖1所示。

圖1 次世代3D游戲制作流程

2 次世代PBR流程

3D 游戲道具制作流程包括：3DMax 制作中模，ZBrush 雕刻高模，Maya 拓?fù)涞湍＃琈ayaUV 拆分，Toolbag 或Substance Painter 烘焙貼圖，Substance Painter繪制材質(zhì)，Marmoset Toolbag渲染等（圖1所示），而從烘焙到材質(zhì)貼圖這后半部分的流程就稱為PBR流程[1]。

次世代PBR 流程統(tǒng)一且有具體的規(guī)范，貼圖制作不再手工化，制作效率大大提高，不需要再考慮光照的影響，按照這個(gè)流程制作次世代游戲模型，使工作效率有了質(zhì)的飛躍。正是由于統(tǒng)一性、標(biāo)準(zhǔn)性，制作的總體流程順序不變，所以開發(fā)者可以根據(jù)情況選擇更合適的軟件進(jìn)行階段性開發(fā)。例如，Maya、Blender也可以建中模，并不僅僅局限于3D Max；拓?fù)淇梢允褂肕aya 完成以外，也可以使用3D Max、TopoGun 等軟件達(dá)到預(yù)期效果；模型UV 的展開，可以用Rizom UV 來達(dá)到與3D Max 相同的效果，而且Rizom UV 效果更加，更便捷，更迅速，操作更簡單；部分烘培過程如Normal 貼圖，也可以選用3D Max 或 者M(jìn)aya 來進(jìn)行烘培。

3 認(rèn)識(shí)次世代PBR材質(zhì)

3.1 認(rèn)識(shí)PBR材質(zhì)

PBR（Physicallly-Based Rendering），是一種基于物理規(guī)則的渲染技術(shù)。簡單來說，就是一種能對光在物體表面的真實(shí)物理反應(yīng)提供更精確著色與渲染方法。在渲染管道中的不同環(huán)節(jié)，它也會(huì)被稱為物理著色（Physically Based Shading，PBS），PBS 通常是指著色，而PBR 通常是指渲染和光照，被游戲業(yè)廣泛使用。

3.2 PBR材質(zhì)的應(yīng)用效果

PBR 最早應(yīng)用于照片級(jí)真實(shí)渲染的電影，如《猩球崛起》、《頭號(hào)玩家》就是運(yùn)用了PBR 流程技術(shù)，影片畫質(zhì)的真實(shí)感和細(xì)致程度得到提升，優(yōu)化了制作流程，縮短了影片的制作周期，優(yōu)化了次世代游戲流程。

隨著計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備性能的提高和5G 網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，PBR 材質(zhì)貼圖在電腦端與虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備端中廣泛運(yùn)用，移動(dòng)端游戲里也能流暢運(yùn)行。游戲中的人物、道具、場景都做得精致到位。人物皮膚光滑細(xì)嫩，發(fā)絲清晰亮澤，光影表現(xiàn)明暗有致立體感大大加強(qiáng)[2]，材質(zhì)表現(xiàn)更加精致到位（如圖2），無論是場景，還是裝飾紋理都體現(xiàn)了PBR 流程的優(yōu)越性，使玩家得到沉浸式逼真的感官體驗(yàn)，目前幾款知名的3D 引擎比如UnrealEngine、CryEngine、Unity 3D 等，均使用了PBR材質(zhì)貼圖流程[3]。

圖2 PBR材質(zhì)的效果

3.3 PBR材質(zhì)貼圖的優(yōu)越性

傳統(tǒng)的渲染技術(shù)流程通常使用Diffuse、Specular、Normal這三種貼圖來表現(xiàn)模型的基本屬性、細(xì)節(jié)和質(zhì)感。通過Diffuse貼圖來表現(xiàn)模型的基本顏色，有時(shí)會(huì)將AO 貼圖疊加Diffuse 貼圖上；通過Specular 貼圖來調(diào)控模型的質(zhì)感；通過Normal貼圖來突顯模型上的高低紋理細(xì)節(jié)。傳統(tǒng)的渲染技術(shù)是基于貼圖的，Diffuse貼圖上的光照信息通常是通過繪制或烘焙上去的模擬光影，不同的模型使用同一張Normal 貼圖或Specular 貼圖整體上類似[4]。運(yùn)用次世代PBR 游戲流程，能更好的表現(xiàn)出表面的污漬、破損、灰塵，以及把手部分的布料、金屬材質(zhì)，如圖3 所示。污漬更加自然、破損也更貼近生活，把手的布料表現(xiàn)得是那么細(xì)膩清晰，而大體的金屬質(zhì)感也是十分的逼真，PBR 材質(zhì)流程是基于物理規(guī)則的渲染技術(shù)，而模擬出來的，無論是真實(shí)感效果的紋理表現(xiàn)，還是流程制作的效率，與傳統(tǒng)渲染技術(shù)（如圖4）相比更具優(yōu)勢[5]。

圖3 PBR材質(zhì)

圖4 傳統(tǒng)手繪

3.4 PBR主要貼圖材質(zhì)簡介

PBR 的渲染流程主要使用了Albedo、Normal、Metallic、Roughness 這四張貼圖來表現(xiàn)模型的明暗層次、紋理、金屬程度、光滑程度。Albedo 相對于Diffuse貼圖的區(qū)別是：僅保留模型對象的固有色，無需光照信息，光影信息交給渲染本身來完成，即不需要通過繪制或烘焙去模擬對象的光影情況，在節(jié)省時(shí)間的同時(shí)，提高了流程制作的效率[6]。Normal 貼圖和傳統(tǒng)流程都是紋理呈現(xiàn)，最大區(qū)別在于Metallic、Roughness貼圖，Metallic表示材質(zhì)的金屬度，Roughness控制材質(zhì)貼圖的粗糙度，兩者都是0到1的值域。

以Metallic 為例，0 表示絕緣體材料，就比如橡膠、木材、混凝土、玻璃、布料等等無金屬性的材料，1 表示導(dǎo)體金屬材料，就比如金、銀、銅、鐵、鎂、鋁、鎢，Metallic 是指定紋理貼圖是否是金屬，對于如生銹、腐蝕、破損等混合表面的金屬材質(zhì)，值域在0 到1 之間，調(diào)整數(shù)值就可以調(diào)控材質(zhì)金屬度。

4 次世代PBR 3D游戲道具制作

4.1 制作前的準(zhǔn)備工作[7]

在制作模型前，要找到預(yù)想中的參考，次世代模型的制作，更加需要優(yōu)質(zhì)的參考，大至造型結(jié)構(gòu)，小至紋理細(xì)節(jié)。

4.2 制作中模

模型制作的方法和軟件有很多，如3D Max、Maya、Blender。以3D Max 軟件制作為例，先創(chuàng)建平面，將參考圖導(dǎo)入其中，再創(chuàng)建基本幾何體，轉(zhuǎn)為可編輯多邊形，配合修改器命令，如切角、擠出、插入等，搭建中模[8]。

4.3 高模雕刻

在3D Max 里制作好中模，導(dǎo)入ZBrush 進(jìn)行細(xì)節(jié)的雕刻，如劃痕、破損、磨邊等一些效果（如圖10）。在ZBrush 中，熟練的使用雕刻筆刷，如Standard、ClayBuildup 筆刷繪制雕刻模型，Move 筆刷移動(dòng)模型調(diào)整大型，Damstandard 筆刷雕刻尖銳的細(xì)節(jié)，F(xiàn)latten筆刷給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。

4.4 低模拓補(bǔ)

導(dǎo)入高模，進(jìn)行低模拓補(bǔ)。創(chuàng)建端點(diǎn)，三點(diǎn)首尾相連圍成三角面，或者四點(diǎn)首尾相連圍成四邊面，不斷的用三角面、四邊面，去包裹高模。拓補(bǔ)有兩點(diǎn)要注意，線段與線段之間不能出現(xiàn)交叉，面與面之間不能重疊。

4.5 低模展UV

拓補(bǔ)好的模型導(dǎo)入進(jìn)Rizom UV 軟件，可以快速、便捷的完成UV 的展開，相比較Maya、3D Max 會(huì)稍微快一些。模型展開之后，將UV排布整齊緊湊。

4.6 烘培材質(zhì)貼圖

低模、高模完成之后烘培法線(Normal)貼圖。開發(fā)者可以借助次世代游戲主流的材質(zhì)貼圖軟件Substance Painter 工具制作PBR 材質(zhì)。Substance Painter 是實(shí)時(shí)渲染的3D 繪畫軟件，支持PBR 基于物理規(guī)則的渲染流程，按照材質(zhì)在現(xiàn)實(shí)世界中體現(xiàn)出來的物理屬性，渲染模型，運(yùn)用智能遮罩、智能材質(zhì)、程序紋理、物理筆刷等實(shí)現(xiàn)材質(zhì)貼圖的快速創(chuàng)作[9]。將制作好的低模導(dǎo)入Substance Painter 中，再添加高模的模型，在烘培時(shí)，把高模的紋理細(xì)節(jié)烘培到低模上。借助的載體就是法線(Normal)貼圖，烘培法線貼圖外，把世界位置(World space)貼圖、位置(Position)貼圖、ID貼圖、AO(Ambient Occlusion)、曲率貼圖、厚度貼圖，這些貼圖在繪制之前就要把信息全部烘焙出來，繪制好的貼圖效果展示[10（]如圖5）。Substance Painter軟件自帶了許多硬表面材質(zhì)，對于金屬感較強(qiáng)的模型對象和硬表面模型，材質(zhì)貼圖創(chuàng)作會(huì)更加輕松自如。為模型增添更加豐富的細(xì)節(jié)，比如墻壁的花紋，磨損，臟跡等效果都可以在Substance Painter中實(shí)現(xiàn)。

圖5 六種貼圖效果展示

4.7 模型渲染

將模型、貼圖導(dǎo)入進(jìn)八猴(Marmoset Toolbag)進(jìn)行渲染，也可在虛幻引擎4(Unreal Engine 4)中進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，調(diào)節(jié)參數(shù)，觀察效果，檢查模型材質(zhì)貼圖是否有問題

5 總結(jié)[11]

次世代PBR 流程的出現(xiàn)讓3D 模型的真實(shí)感有了質(zhì)的飛躍，而次世代PBR 流程的紋理貼圖不僅僅在虛擬動(dòng)畫廣泛運(yùn)用，也走向了模擬仿真，不論是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還是在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，模型仿真度越高用戶的沉浸感越強(qiáng)，不僅如此，正式由于PBR 基于實(shí)際物理學(xué)原理的標(biāo)準(zhǔn)作為研究方向，所呈現(xiàn)的效果才會(huì)越真實(shí)，才會(huì)更貼近現(xiàn)實(shí)生活，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展才如火如荼，未來的發(fā)展令人期待。