面向美術(shù)設(shè)計(jì)師的著色器技術(shù)應(yīng)用

摘要：在游戲制作中，著色器是實(shí)時(shí)處理圖形效果的小程序，文章重點(diǎn)介紹了針對(duì)美術(shù)設(shè)計(jì)師的著色器技術(shù)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：著色器；美術(shù)設(shè)計(jì)師；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）05-1038-02

著色器是一個(gè)充滿概念和技術(shù)要求的龐大而復(fù)雜的話題。每個(gè)游戲引擎和游戲項(xiàng)目都有自身流程和著色器處理上的微妙差別。著色處理的最常見(jiàn)的應(yīng)用是為美術(shù)設(shè)計(jì)師提供各種各樣的表面材料，不僅包括金屬、塑料和天然材料的表面，還有像水、霧、熔巖以及其它的動(dòng)態(tài)表面。

1 著色器的分類

在游戲制作中，著色器是實(shí)時(shí)處理圖形效果的小程序。在現(xiàn)代圖形處理器（GPUs）上有兩種主要類型的著色器：像素和頂點(diǎn)著色器。

頂點(diǎn)著色器是一組指令代碼，這組指令代碼在頂點(diǎn)被渲染時(shí)執(zhí)行，同一時(shí)間內(nèi)，只能激活一個(gè)頂點(diǎn)著色器。頂點(diǎn)著色器可以提高渲染場(chǎng)景速度，可以做布類仿真，高級(jí)別動(dòng)畫(huà)，實(shí)時(shí)修改透視效果（比如水底效果），高級(jí)光亮（需要像素著色器支持）。

像素著色器的編寫(xiě)、使用和頂點(diǎn)著色器大同小異，像素著色器是對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行光柵化處理期間在圖形卡的GPU上執(zhí)行的程序，可以實(shí)時(shí)處理像素，創(chuàng)建各種圖形效果。

實(shí)時(shí)處理像素的能力使著色器變得強(qiáng)大。著色器可用于許多復(fù)雜材質(zhì)外觀和圖像效果：頭發(fā)、火、陰影、水、反射等等。它很靈活，幾乎是無(wú)止境的，著色器程序員可以編寫(xiě)幾乎任何你能想象的效果。

2 著色器工作原理

著色器，從美術(shù)設(shè)計(jì)師的角度來(lái)看，往往有點(diǎn)兒像黑匣子。美術(shù)設(shè)計(jì)師的作用主要是創(chuàng)建輸入和判斷著色器的輸出，即設(shè)置參數(shù)或指定貼圖，生成預(yù)先存在的著色器，然后查看最終的結(jié)果。在某些情況下，著色器代碼是由美術(shù)設(shè)計(jì)師編寫(xiě)或編輯的，但在Max和Maya中，大多數(shù)較新的著色器創(chuàng)建工具更像是材質(zhì)系統(tǒng)，沒(méi)有要求編程知識(shí)。

圖 1 顯示從美術(shù)設(shè)計(jì)師的角度來(lái)看材料著色器的工作原理示意圖。

圖1

這是著色器如何工作的簡(jiǎn)單流程。在游戲世界窗戶本身是黑的，我們可以使用著色器告訴游戲引擎基于灰度圖像的哪些部分變亮，哪些部分變暗。你可以看到框架是暗的而玻璃是亮的。圖像的右邊是黑的和亮著的窗戶的特寫(xiě)。

3 著色器的應(yīng)用

著色器通常需要使用二維資產(chǎn)作為輸入，并且美術(shù)設(shè)計(jì)師的任務(wù)通常不只創(chuàng)建這些資產(chǎn)，而且在某種程度上還需要深入了解、創(chuàng)建和執(zhí)行著色器。所以，盡管著色器可以替代美術(shù)設(shè)計(jì)師做許多工作，但同時(shí)也會(huì)增加我們的工作量。目前，在游戲中對(duì)美術(shù)設(shè)計(jì)師有影響的不再是畫(huà)一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體的貼圖，而是創(chuàng)建一系列為獲得所需效果必須共同作用的貼圖。使用著色器需要更多的規(guī)劃、不同的藝術(shù)創(chuàng)作思維方式和更多的組織。美術(shù)設(shè)計(jì)師需要學(xué)習(xí)著色器工具、組織更多資產(chǎn) （可能會(huì)彼此鏈接，因此著色器到位后，它們的移動(dòng)性更嚴(yán)格），并且還要具備這樣的心理素質(zhì)，那就是創(chuàng)建資產(chǎn)并不是最終結(jié)果而是最終結(jié)果的組成部分。

我們習(xí)慣了在Photoshop中繪制那些沒(méi)有實(shí)時(shí)顯示某些屬性的貼圖，但實(shí)際上是需要從平面創(chuàng)建貼圖，構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜圖像和效果的組織樹(shù)去創(chuàng)建最終表面（很像我們?cè)?D 程序已經(jīng)做的以及部分貼圖生成工具工作的）。因此美術(shù)設(shè)計(jì)師要了解光影基礎(chǔ)或發(fā)展技能去觀察場(chǎng)景背后所有污物、反射和其他表面屬性的基礎(chǔ)材質(zhì)。例如，不要在 Photoshop 中繪制鉻表面反射高光——既要讓高光點(diǎn)看起來(lái)不錯(cuò)，但又不要太明顯—— 你現(xiàn)在要離開(kāi)Photoshop，給材質(zhì)指定一個(gè)著色器，這樣將會(huì)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確模擬鉻的高光點(diǎn)（圖2）。盡管著色器在某些方面可以讓我們的工作更容易，而且肯定可以使我們的游戲看起來(lái)更好，但它們可能在理解上有點(diǎn)復(fù)雜，需要更大程度的組織。

圖2

在上面示圖中，在頂行的窗戶玻璃很假，高光點(diǎn)是不動(dòng)的。中間行的圖像的高光點(diǎn)會(huì)隨著你移動(dòng)，像真實(shí)的反映效果 （看最底行窗玻璃的亮點(diǎn)）。示圖的底部是非常明顯的鉻黃效果，同它旁邊質(zhì)樸貼圖的相同模型相比較，你可以更容易看到光點(diǎn)在表面移動(dòng)。

圖像著色器可以將任何基礎(chǔ)圖像轉(zhuǎn)換為三維拼貼馬賽克，如圖3所示。

圖3

在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，圖像可以自由動(dòng)畫(huà)和重新渲染，速度相當(dāng)快。無(wú)論是地板拼貼或復(fù)雜的暗視覺(jué)，圖像處理可以給出幾乎任何游戲的圖像或呈現(xiàn)獨(dú)特的聲音和情感；如果你能想像用一系列步驟去更改圖像，那它就是著色器。

將一個(gè)場(chǎng)景分解成基本貼圖的能力有足夠的挑戰(zhàn)性，但將一個(gè)貼圖分解成其基本組件的能力則是更深層的挑戰(zhàn)。當(dāng)游戲中藝術(shù)變成貼圖、濾鏡和程序的復(fù)雜結(jié)合體時(shí)，美術(shù)設(shè)計(jì)師將變得更加重要和更具挑戰(zhàn)性。有人預(yù)言著色器將會(huì)替代美術(shù)設(shè)計(jì)師，但我認(rèn)為不會(huì)發(fā)生，總會(huì)有需求要美術(shù)設(shè)計(jì)師做出的東西看上去更好、更獨(dú)特（至少我們可以更改著色器的默認(rèn)設(shè)置）。

記住，著色器僅是美術(shù)設(shè)計(jì)師使用的另一個(gè)工具。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3D Game Textures ，luke Ahearn， Focal Press，2006.