PBR 流程在游戲模型制作中的實踐與應用

郭法寶

（江蘇聯合職業技術學院徐州財經分院 信息技術系，江蘇 徐州 221008）

0 引言

基于物理原理的渲染（Physically-Based Rendering，PBR）是一種較為先進的渲染技術，能夠更加真實地模擬光照和材質的效果，目前已經在游戲行業廣泛應用。在游戲模型制作中，使用PBR 流程能夠提供更好的材質表現和更真實的光照效果，從而增強游戲的視覺效果和沉浸感。通過PBR 流程，游戲開發者可以更加準確地模擬不同材質的外觀和光照響應，使得游戲世界更加真實。在畢業設計的創作中，越來越多的學生選擇PBR 流程來制作游戲模型，這樣可以讓作品更具技術感[1]。畢業設計創作是體現學生全面掌握技能和職業素養的重要手段。以游戲道具模型制作為例，使用PBR 流程體現游戲道具模型設計與展示方式，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，核心思想是以物理材質的真實性和能量守恒為基礎，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，從而實現渲染結果的真實性和準確性[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，最大的區別在于如何識別反射與漫反射。

在PBR 流程中，材質的創建更容易，不再需要猜測，而是根據真實數據設置。材質在所有光照條件下看起來都是正確的，這使得美術工作流程更加穩定。PBR 的兩種主要工作流使用的貼圖包括法線（Normal）、環境光遮蔽（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。根據不同的材質類型和紋理貼圖，設置不同的物理屬性，如反射、折射、漫反射等。這些屬性可以根據不同的材質類型和紋理貼圖進行調整，以實現更逼真的效果。

第三，實現材質交互。PBR 流程可以模擬不同材質之間的交互，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置材質的物理屬性和調整紋理貼圖來實現。

第四，光照計算。根據光源的位置和屬性，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整光源的屬性和位置來實現，也可以使用后期處理技術進行增強。

第五，渲染輸出。使用渲染引擎對場景進行渲染輸出，得到最終的游戲畫面。

2 游戲模型制作的發展

隨著游戲行業的快速發展，游戲中的角色裝備越來越炫酷，場景越來越逼真，畫質也貼近現實。其中，游戲模型制作技術起到了重要的作用。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。游戲建模目前主要分傳統手繪建模、次世代建模兩個方向[4]。

2.1 傳統手繪建模

傳統手繪建模是指3D 美術設計師根據原畫設計師的構思，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架，而貼圖則用于表現構架上的顏色和樣式。

傳統手繪建模只需要制作低模，主要依賴手繪貼圖來呈現最終效果。因此，傳統手繪建模存在“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]。次世代模型面數比較高，采用法線貼圖來描繪物體表面細節的凸凹變化，顏色貼圖來表現物體的顏色和紋理，高光貼圖來表現物體在光線照射條件下體現出的質感。與傳統手繪建模相比，次世代建模流程更復雜，模型效果更細致。次世代流程制作的模型在游戲中隨著光影變化，質感表現、流光感都會更加真實。

次世代建模制作流程是：根據二維原畫設定制作中模→導進ZBrush 軟件進行高模雕刻→拓撲低模（即在游戲中的模型）→展分UV →烘焙（將高模細節烘焙到低模上面）→繪制貼圖→引擎中調整。

3 基于PBR 流程的游戲模型設計實踐

江蘇聯合職業技術學院徐州財經分院五年制影視動畫專業的學生在畢業設計實踐應用時，需要完成從設計圖到渲染輸出的整個流程。在此環節中，使用PBR 流程制作，可以提升作品質量和團隊合作能力。

3.1 分析設計圖與參考資料

制作模型前，需要先設計原畫。根據原畫的要求設計模型制作方案，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，用合理的布線來準確表達模型的結構，要求使用四邊形的面進行制作，避免出現多邊面、藏點、藏面等問題，避免對后續環節造成麻煩。中模是后續制作高模的基礎[6]。在此環節，每一個部件的結構和比例都要準確無誤，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，執行擠出（Extrude）修改器命令，設置數量為0，生成盾牌的框架平面模型。然后，配合右鍵轉換成可編輯多邊形的建模方式。根據盾牌的金屬飾條的結構在模型上進行布線。由于金屬飾條的結構復雜，需要準確表達出曲線、銳角的造型并合理布線，最終選擇金屬部分執行擠出命令。將金屬模型從基礎模型中分離出來，單獨成為一個模型。剩下的部分即為木頭模型，由于是不同的木條結合在一起的結構，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，使用基礎球體模型進行制作。寶石結構較為簡單，制作出寶石的外輪廓后與金屬結合放置在一起。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，判斷標準是模型上的棋盤格都呈現出正方形的造型，然后把所有的UV 最大化放置在規定的區域內。

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，在展好模型的UV 后，把制作完成的模型導入3ds Max 軟件中，在模型細節較多的地方如盾牌邊緣和轉角的地方進行細化，通過快速循環、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構的前提下產生更多的細節，為高模雕刻打下基礎。

在3ds Max 軟件里卡好線之后，導入ZBrush軟件進行細節的雕刻，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成材質的表現，如Standard、ClayBuildup 筆刷繪制雕刻模型，Move 筆刷移動模型調整大型，Damstandard 筆刷雕刻尖銳的細節，Flatten 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。通過數位板壓感、Z 強度、焦點衰減以及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導致面數非常不均勻，從而導致細節有所缺失。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。分辨率過高會導致項目卡頓，分辨率過低會導致精度降低。需要注意的是，拆分成組件后使用Dynamesh 工具會更方便后續的雕刻。

3.5 烘焙

烘焙的技術原理是使用Substance Paint 軟件將雕刻好的高精度模型的細節烘焙到低模上。能夠進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 軟件進行烘焙操作。打開Substance Paint 軟件，創建新的項目，導入展好UV 的低精度模型。烘焙之前，需要將高模和低模再次進行匹配。按Ctrl+Shift+B 組合鍵進入烘焙頁面（版本使用2020 版），選擇制作完成的高精度模型，點擊“烘焙”即可完成操作。

3.6 制作材質

將低模導入Substance Paint 軟件中，修改模型的Base Color 顏 色，調 節Metallic、Roughness、Normal等參數，利用部分材質預設來完成模型的紋理貼圖和材質制作。

制作模型材質時，要注意模型不同部位、不同材質之間的區分，更好地還原案例中木材、金屬、寶石的質感。模型的整體效果要注重色彩的協調性。

3.7 渲染

模型的材質貼圖制作完成后，將PBR 材質不同通道的貼圖一起輸出，可以在不同的軟件或平臺進行作品的渲染。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，將其與對應的材質通道一一連接。渲染時需要注意燈光的冷暖對比和模型構圖角度，注意適當添加后期效果的調整，來增強畫面的質感和色彩。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 結語

PBR 流程在游戲模型制作中具有廣泛的應用前景和實踐價值。未來，隨著技術的不斷發展和創新，PBR 流程將會在游戲行業發揮更加重要的作用，為游戲畫面質量和用戶體驗的提升帶來更多的可能性。本文主要探討PBR 技術在游戲模型制作設計實踐中游戲道具模型的實現方式，根據不同的游戲設定，后期還需要不斷完善其他材質、紋理和渲染效果的表現，如毛發、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，以此著重強調PBR 流程在游戲模型表現中的真實性和多樣性。