PBR流程在引擎電影中的問(wèn)題及解決途徑

【摘 要】PBR流程顛覆了傳統(tǒng)cg電影的渲染技術(shù)，降低了學(xué)習(xí)成本，提高工作效率。然而，PBR流程仍然存在某些材質(zhì)表達(dá)缺失、作品cg化、相關(guān)理論知識(shí)抽象、學(xué)習(xí)理解困難等諸多問(wèn)題。在全面分析問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了軟件引擎選擇、材質(zhì)球?qū)傩哉{(diào)節(jié)等問(wèn)題的解決途徑。

【關(guān)鍵詞】PBR流程；離線渲染；材質(zhì)表達(dá)；風(fēng)格化

中圖分類(lèi)號(hào)：J905 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-0125（2017）10-0099-02

近年來(lái)，隨著引擎電影渲染技術(shù)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，并已形成一條成熟的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈。在傳統(tǒng)渲染流程中，藝術(shù)家利用光線與物體表面的關(guān)系、陰影的位置、亮度和明暗以及材質(zhì)與光影互動(dòng)來(lái)模擬“真實(shí)”的畫(huà)面，使得引擎電影渲染作品的畫(huà)面效果更加真實(shí)、震撼、富有藝術(shù)性。然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這一技術(shù)開(kāi)始暴露一些問(wèn)題：學(xué)習(xí)成本高、參數(shù)調(diào)節(jié)困難、教程滯后、學(xué)習(xí)渠道少、需要大量技術(shù)經(jīng)驗(yàn)支持等，導(dǎo)致這一技術(shù)無(wú)法滿足大眾的需求。因此Substance Painter、Substance Designer和Quixel SUITE等基于物理算法的PBR流程（physically based rendering，基于物理的渲染的算法）的軟件應(yīng)運(yùn)而生，它們具有高效、理性和真實(shí)這三大特點(diǎn)，很好地解決了傳統(tǒng)引擎電影渲染技術(shù)的問(wèn)題?，F(xiàn)如今，PBR流程已被廣泛運(yùn)用于實(shí)時(shí)渲染和離線渲染中。引擎電影渲染技術(shù)發(fā)展至今，致力于模擬真實(shí)的現(xiàn)實(shí)世界，其不計(jì)成本地追求畫(huà)面真實(shí)度，讓獨(dú)立藝術(shù)工作者望而止步。PBR流程的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它基于物理算法，簡(jiǎn)化工作流程，解放部分程序的工作壓力，促使程序?qū)⒏嗟木Ψ旁诟匾牡胤?，在?shí)際的商業(yè)項(xiàng)目中節(jié)約時(shí)間與資源，呈現(xiàn)更真實(shí)的效果，越來(lái)越多的人逐漸開(kāi)始嘗試這一新技術(shù)。

迪士尼是第一家使用PBR流程的企業(yè)，目前總共有兩套PBR流程，一套是迪士尼的，一套是皮克斯的。純cg渲染技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了二十多年，自1995年第一部完全使用計(jì)算機(jī)技術(shù)制作的電影作品《玩具總動(dòng)員》上映以來(lái)，離線渲染作品首次被大眾熟知。2011年《怪物史瑞克》的票房大賣(mài)。2016年由游戲衍生出的引擎電影《最終幻想15·王者之劍》的票房一路飄紅，雖然劇情把控還存在諸多問(wèn)題，但是它在材質(zhì)的表達(dá)上已經(jīng)達(dá)到了本時(shí)代的巔峰。在數(shù)字媒體技術(shù)發(fā)展的當(dāng)下，引擎電影渲染作品正借鑒各個(gè)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)，這也促使PBR流程在引擎電影渲染作品中的運(yùn)用，使得它有了新的魅力。

一、PBR流程在引擎電影中的優(yōu)勢(shì)

PBR流程具有高效、參數(shù)化和真實(shí)這三大特點(diǎn)。PBR流程運(yùn)用于引擎電影中，很大程度上為獨(dú)立藝術(shù)家提供高效的工作流和低廉的制作成本。首先，PBR流程具有高效的顯著特點(diǎn)，這一點(diǎn)在實(shí)際項(xiàng)目中尤為重要，并且可以投入到絕大多數(shù)引擎電影的制作過(guò)程中。與傳統(tǒng)渲染流程相比，PBR流程參數(shù)調(diào)節(jié)減少，學(xué)習(xí)成本降低，表達(dá)能力變強(qiáng)，參數(shù)基于物理更易調(diào)節(jié)。一般在項(xiàng)目中，獨(dú)立工作室中高水平（TA級(jí)）的美術(shù)做出來(lái)的東西是可以達(dá)到或者超越PBR流程的。但是在流程未有一個(gè)規(guī)范、系統(tǒng)的框架下，且場(chǎng)景愈發(fā)復(fù)雜的情況中，美術(shù)的自由發(fā)揮則極易導(dǎo)致項(xiàng)目的崩潰，最終致使項(xiàng)目的夭折。PBR流程則是克服了以上問(wèn)題，其強(qiáng)大的工作流程，確保大量作品風(fēng)格的統(tǒng)一。PBR流程不需要純手動(dòng)在ps中繪制細(xì)節(jié)，只需要交給Quixel SUITE這類(lèi)基于PBR框架下的貼圖生成軟件，自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算隨即可生成各個(gè)貼圖，將項(xiàng)目中美術(shù)的工作量從周縮減到小時(shí)。而且PBR流程與幾大引擎可以直接對(duì)接，只要制作貼圖前設(shè)置好將要使用的引擎，就可以導(dǎo)出與該引擎匹配的貼圖，基本上在substance painter這類(lèi)PBR流程軟件中顯示的效果就是最終呈現(xiàn)在引擎里的效果，在很大程度上減輕了純美術(shù)方面的負(fù)擔(dān)，不用反復(fù)修改，提高工作效率。其次，PBR流程具有參數(shù)化的特點(diǎn)。藝術(shù)工作者的主觀想法必然滲透在其作品中。在把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品時(shí)，PBR工作流提供了類(lèi)似于公式般的直觀效果。以金屬為例，傳統(tǒng)次世代更多的是做到藝術(shù)上的接近金屬材質(zhì)，未有一個(gè)參數(shù)化的標(biāo)準(zhǔn)。這種抽象的思維藝術(shù)工作者可以理解，但是換成圈外人可能就難以消化。PBR流程理清了思路，趨向于及時(shí)反饋和所見(jiàn)即所得。最后，PBR流程還具有真實(shí)這一特點(diǎn)，PBR流程與傳統(tǒng)渲染流程主要區(qū)別在于模擬方式不同，傳統(tǒng)渲染模擬現(xiàn)象，需要什么效果就專(zhuān)門(mén)寫(xiě)個(gè)材質(zhì)來(lái)模擬，而PBR模擬的是物理過(guò)程，遵從物理法則。PBRshader在模擬真實(shí)方面已經(jīng)超越了原先的材質(zhì)系統(tǒng)，能夠讓模型在統(tǒng)一光照下在Specular和Gloss上很清楚地看到不同Shader下的相同物體的材質(zhì)表現(xiàn)差別。

二、PBR流程在引擎電影中的問(wèn)題及解決途徑

（一）掌握難度大

目前，PBR流程仍處于發(fā)展階段。因?yàn)镻BR流程最初是服務(wù)于游戲美術(shù)行業(yè)的，所以對(duì)于已經(jīng)完備知識(shí)體系的電影工作者來(lái)說(shuō)，理解PBR流程中的材質(zhì)是有一定困難的，PBR流程的參數(shù)調(diào)節(jié)幾乎無(wú)法與既有的經(jīng)驗(yàn)對(duì)應(yīng)。首先，PBR流程與傳統(tǒng)渲染流程相比在材質(zhì)貼圖的使用上有較大差距。在metallic屬性上，Metallic實(shí)際上等同于傳統(tǒng)渲染流程中的FO，即菲涅爾反射中與攝像機(jī)垂直的面額反射率。BPR流程中fo值為1時(shí)是金屬，值為0時(shí)是電介質(zhì)。其次，在傳統(tǒng)離線渲染流程中，藝術(shù)工作者對(duì)于材質(zhì)屬性的調(diào)節(jié)往往是按照自己主觀的想法、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，而在PBR流程中僅rougness和F0可以控制反射強(qiáng)弱，束縛藝術(shù)工作者的創(chuàng)作空間。由此可見(jiàn)，按照傳統(tǒng)引擎電影渲染流程的方法調(diào)節(jié)PBR流程的參數(shù)是不可取的。因此，PBR流程引擎電影渲染技術(shù)可以使用具有代表性的兩種渲染器：anrold、vray，或者其他支持pbr流程的渲染器例如render man。當(dāng)然貼圖材質(zhì)也可以減少使用或不使用純手繪的傳統(tǒng)方式，多使用基于PBR流程的substance painter等貼圖生成軟件制作，貼圖臟漬、磨損、血跡等全部都通過(guò)軟件生成，所見(jiàn)即所得。通過(guò)這種方式，可以大大減低PBR引擎電影渲染流程的難度。

（二）作品風(fēng)格單一且油膩

大多數(shù)觀看過(guò)基于PBR流程的引擎電影的觀眾都有一種感覺(jué)，畫(huà)面絢麗，卻沒(méi)有了自己的風(fēng)格，有些鏡頭依舊暴露其cg化的弊端。第一，引擎電影過(guò)于油膩。具體表現(xiàn)在某些引擎電影中應(yīng)該是光滑、濕潤(rùn)或者是反光的地方卻給人一種蒙上了一層油的感覺(jué)，或者很多坑坑洼洼的地方卻沒(méi)有劃痕。其實(shí)這都是濫用specular和grunge的貼圖的結(jié)果。在只使用高強(qiáng)度的specular不使用HDR（天空球）的情況下就會(huì)出現(xiàn)像蠟一樣白色的高光，造成畫(huà)面油膩的錯(cuò)覺(jué)。一般情況下，油膩感是來(lái)自于引擎，PBR流程讓人們不再憑感覺(jué)調(diào)節(jié)材質(zhì)參數(shù)，而是根據(jù)真實(shí)的物理屬性調(diào)節(jié)，如果美術(shù)沒(méi)有胡亂調(diào)節(jié)參數(shù)，那么造成油膩感的主要原因就是引擎，但是這需要大量的人力物力來(lái)試調(diào)，彌補(bǔ)軟件與軟件間的參數(shù)差距，對(duì)一個(gè)商業(yè)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)非常的不劃算。第二，離線渲染作品缺乏藝術(shù)性。由于PBR流程的主要優(yōu)勢(shì)在模擬真實(shí)，減少可調(diào)節(jié)參數(shù)，降低出錯(cuò)率，以達(dá)到風(fēng)格統(tǒng)一這一目的，但是這也導(dǎo)致了一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。某些軟件也考慮到了這一方面，所以它會(huì)在基本的PBR參數(shù)上增加一個(gè)參數(shù)來(lái)稍微控制一下FO的強(qiáng)度。比如虛幻4引擎的材質(zhì)屬性的調(diào)節(jié)中就有一個(gè)specular屬性，這個(gè)specular屬性與傳統(tǒng)的specular屬性不同。它實(shí)際上控制的是讓FO能夠從0.02到0.06（自然界中非金屬物質(zhì)FO為0.02到0.05）進(jìn)行變化。讓藝術(shù)家有更多可調(diào)節(jié)的參數(shù)，促使作品風(fēng)格化?；赑BR流程的引擎電影可以通過(guò)天空球來(lái)豐富反射，避免白花花的高光出現(xiàn)。

（三）材質(zhì)表達(dá)缺失

pbr流程技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在電介質(zhì)和金屬這兩大材質(zhì)的表達(dá)。雖然它已經(jīng)可以非常優(yōu)秀地模擬人們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降拇蠖鄶?shù)材質(zhì)，但是材質(zhì)庫(kù)還有待完善。一般而言，引擎電影中都會(huì)運(yùn)用到各種各樣的材質(zhì)，而pbr流程中缺失對(duì)透明材質(zhì)和皮膚3s材質(zhì)的表達(dá)。不僅如此，PBR流程通常只計(jì)算shadow和mask，對(duì)于粗糙度大的表面多次反彈沒(méi)有計(jì)算。如果將PBR流程運(yùn)用到整個(gè)引擎電影制作過(guò)程中，必然會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。當(dāng)然這些問(wèn)題也不是不可以解決的。第一，對(duì)于可接受范圍內(nèi)的差異可以通過(guò)iray這種GPU渲染器來(lái)彌補(bǔ)。第二，對(duì)于透明材質(zhì)和皮膚3s材質(zhì)球的缺失可以通過(guò)減少出現(xiàn)次數(shù)或避免出現(xiàn)這類(lèi)材質(zhì)的物體來(lái)彌補(bǔ)，或者選擇同時(shí)支持PBR流程和自帶sss材質(zhì)球和透明材質(zhì)的渲染器來(lái)制作，比如maya的anrold渲染器中的Skin sss和Skin材質(zhì)?，F(xiàn)今獲得成功的基于PBR流程的離線渲染作品多為充滿未來(lái)感的動(dòng)畫(huà)片。所以由于側(cè)重點(diǎn)不同，PBR流程的離線渲染作品題材應(yīng)多為科幻、架空，增加場(chǎng)景的科技感，避免地面濕潤(rùn)、積水的場(chǎng)景使用。第三，可以通過(guò)利用視覺(jué)誘導(dǎo)的方式，引導(dǎo)觀眾的視線。在影片中設(shè)置視覺(jué)中心，將無(wú)法避免出現(xiàn)的透明材質(zhì)和sss皮膚材質(zhì)隱藏在視覺(jué)中心以外，使觀眾注意力主觀跟隨視覺(jué)中心移動(dòng)，弱化缺點(diǎn)，從而彌補(bǔ)材質(zhì)缺失帶來(lái)的不真實(shí)感和突兀。

三、結(jié)論

PBR流程將越來(lái)越多地廣泛運(yùn)用于引擎電影中，顛覆以往的制作流程。隨著epic公司宣布虛幻4引擎免費(fèi)開(kāi)放使用，開(kāi)發(fā)者僅需支付5%的版權(quán)費(fèi)用，越來(lái)越多的游戲公司將注意力從游戲轉(zhuǎn)移到電影制作上，購(gòu)買(mǎi)大IP制作同主題電影。PBR流程的出現(xiàn)極大地提高了畫(huà)面效果，降低了引擎電影的制作門(mén)檻，其效果甚至開(kāi)始達(dá)到影視級(jí)別的效果。但是PBR流程才剛剛起步，其還存在諸多問(wèn)題，作品cg化、風(fēng)格過(guò)于統(tǒng)一、透明材質(zhì)及3s材質(zhì)表達(dá)缺失等。通過(guò)本文前面的闡述，得出以下幾種解決方案：

第一，改變引擎電影的制作方式，使用Substance painter或者Quixel suit這類(lèi)基于PBR流程的貼圖軟件制作貼圖的臟漬、銹跡等紋理，用vray或者anrold來(lái)渲染場(chǎng)景，可以更好地發(fā)揮PBR流程的優(yōu)勢(shì)，降低制作難度。

第二，在場(chǎng)景中使用天空球可以很好解決物體反射油膩的問(wèn)題，增加場(chǎng)景真實(shí)度，同時(shí)理性地使用specular貼圖也能在一定程度上改善油膩感。引擎電影的風(fēng)格化可以通過(guò)編寫(xiě)shader的代碼達(dá)到，并將制作難度降低。

第三，基于PBR流程的引擎電影應(yīng)側(cè)重于科幻、架空題材的作品，減少水和其他物體交互的場(chǎng)景出現(xiàn)概率，并通過(guò)誘導(dǎo)的方式吸引觀眾視線，盡可能地減少因材質(zhì)缺失帶來(lái)的影響。

相信不久的將來(lái)，富有高效、理性和真實(shí)的PBR流程引擎電影會(huì)越來(lái)越多地進(jìn)入觀眾的視野。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ureal Engine 4 官方幫助文檔，Physically Based Materials.

[2]Anrold for maya & Houdini官方幫助文檔.

[3]周煒，葛娟，劉瀏，李華.基于材質(zhì)的事實(shí)渲染場(chǎng)景組織技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2009（06）.

[4]陸莎，田興彥.基于游戲引擎的引擎電影創(chuàng)作[J].微計(jì)算機(jī)信息，Microcomputer Information，2012（06）.

作者簡(jiǎn)介：

李怡婷（1995-），女，江蘇揚(yáng)州人，南京信息工程大學(xué)數(shù)字媒體藝術(shù)本科生。