虛幻引擎五對(duì)動(dòng)畫與游戲技術(shù)的革新研究

關(guān)鍵詞：虛幻引擎五;游戲;動(dòng)畫;技術(shù)革新

中圖分類號(hào)：G898 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2021）21-00-03

1 虛幻引擎五概述

目前，在中國(guó)的游戲與動(dòng)畫市場(chǎng)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?yàn)閁nity3D更早進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，使用起來(lái)簡(jiǎn)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(dòng)畫游戲公司經(jīng)多年的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，虛幻引擎整體比Unity3D的效果更為突出，因此未來(lái)虛幻引擎成為動(dòng)畫與游戲世界的主流技術(shù)將是不可避免的趨勢(shì)。而隨著Epic公司虛幻技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，2021年5月，Epic公司發(fā)布了虛幻引擎五的體驗(yàn)版本，供大家使用。在發(fā)布會(huì)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(lái)的實(shí)踐中極大地改變游戲與動(dòng)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(gè)新的概念，被叫作虛擬多邊形幾何體。這個(gè)功能非常強(qiáng)大，開(kāi)發(fā)人員可以盡情地使用虛幻引擎五的Nanite功能開(kāi)發(fā)自己的項(xiàng)目。

在傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫和游戲制作流程中，相關(guān)開(kāi)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(guò)軟件或者服務(wù)器承載能力的面數(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化。但是在虛幻引擎五中，我們可以直接運(yùn)用Nanite導(dǎo)入幾千萬(wàn)個(gè)三角面與多邊形的影視級(jí)別的資源或自己的模型項(xiàng)目，不斷地放置在引擎當(dāng)中。而且在這個(gè)過(guò)程中，所有模型和資源幾乎不會(huì)出現(xiàn)丟幀、緩慢、低質(zhì)量等問(wèn)題，它可以保證較高的幀速率，維持一個(gè)較高的保真度。

Nanite這個(gè)功能可以實(shí)時(shí)檢測(cè)模型，并有效進(jìn)行一種特殊的處理，如畫面在哪里，它就會(huì)精心處理畫面上所能感知到的或者是看到的細(xì)節(jié)，并把它處理到極致，這大大節(jié)省了渲染的時(shí)間，基本上消除了過(guò)去那種多邊形數(shù)量和繪制LODs（細(xì)節(jié)級(jí)別）的限制，可以無(wú)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(dòng)畫的效率，如模型烘焙法線與不斷手動(dòng)調(diào)整細(xì)節(jié)級(jí)別（LODs）等。

在虛幻引擎五體驗(yàn)版剛出來(lái)的時(shí)候，筆者做了一個(gè)小的自然主題公園的場(chǎng)景，運(yùn)用了虛幻引擎五里面Quixel（資源插件）的影視級(jí)別的自然資產(chǎn)。每一塊石頭的精細(xì)程度都達(dá)到了可以清晰地看到其內(nèi)部具有非常明顯的裂紋細(xì)節(jié)的地步，它并沒(méi)有因無(wú)限放大而丟失模型與材質(zhì)的細(xì)節(jié)，從而變得模糊，反而越來(lái)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?cè)谝院蟮膭?chuàng)作中都可以不用再費(fèi)勁地拓?fù)涞湍Ａ?，可以直接使用億萬(wàn)面級(jí)別的資產(chǎn)進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作。

但是，Nanite功能由于剛開(kāi)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(shí)例物體上繪制頂點(diǎn)等。在虛幻引擎五的官方文件中，相關(guān)人員稱會(huì)繼續(xù)優(yōu)化，計(jì)劃支持定點(diǎn)切線，希望能夠在正式版本推出之前盡量?jī)?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(dòng)畫。官方發(fā)布虛幻引擎五時(shí)，提供了一個(gè)“古代山谷”的場(chǎng)景，該場(chǎng)景大概有6 400多個(gè)物體，4億多個(gè)面，達(dá)到100G，這充分顯示了Nanite功能的強(qiáng)大。

2.2 Lumen（動(dòng)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(gè)核心功能，它是一種主要針對(duì)次世代游戲與動(dòng)畫的新技術(shù)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)全局光照和反射系統(tǒng)的解決辦法，采用完全動(dòng)態(tài)間接光照渲染，項(xiàng)目所有場(chǎng)景的燈光、材質(zhì)等屬性都可以隨時(shí)更改，光照可實(shí)時(shí)更新，呈現(xiàn)出更加完美的實(shí)時(shí)渲染效果，節(jié)省了完成最終光照的時(shí)間。

Lumen功能可以對(duì)場(chǎng)景和光照變化作出實(shí)時(shí)反應(yīng)，如陽(yáng)光照進(jìn)屋子里，它的亮度會(huì)發(fā)生微妙的變化，我們不再需要像過(guò)去的游戲動(dòng)畫制作一樣，再去創(chuàng)造一套單獨(dú)的光影UV并對(duì)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(chǎng)景中處理完燈光渲染后，就可以隨時(shí)看到最終的渲染效果，實(shí)現(xiàn)更加完美的實(shí)時(shí)渲染。

在游戲場(chǎng)景或動(dòng)畫制作中，只要使用了Lumen功能，就等于開(kāi)啟了全局光，太陽(yáng)投射光線，進(jìn)而實(shí)時(shí)反射在每一個(gè)物體上，使陰影的光線反射更加真實(shí)。隨著時(shí)間的流逝，我們能夠看到陽(yáng)光或是燈光在物體上的變化，從而形成真實(shí)光照反射的物體。

過(guò)去的游戲動(dòng)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(dòng)烘焙貼圖和燈光，浪費(fèi)了大量的時(shí)間在烘焙和渲染上。

這種實(shí)時(shí)全局光照能夠節(jié)省大量時(shí)間，讓美術(shù)師們擁有更多的時(shí)間創(chuàng)作，不必花太多時(shí)間在一些沒(méi)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(kāi)發(fā)出來(lái)的初衷。

2.3 MetaSounds（音頻制作高性能系統(tǒng)）功能

MetaSounds功能是一個(gè)全新的功能，是制作游戲動(dòng)畫音頻的新方式，有點(diǎn)類似于設(shè)計(jì)表面材質(zhì)的那些節(jié)點(diǎn)式。開(kāi)發(fā)者可根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)，在音頻種類中不斷增加復(fù)雜細(xì)節(jié)和變化，以完全控制音頻數(shù)字信號(hào)處理圖的聲源生成，變成一種程序化的系統(tǒng)，可以隨時(shí)改變音頻的屬性，就像做材質(zhì)那樣，開(kāi)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(dòng)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(kāi)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(diǎn)式頁(yè)面調(diào)整音頻的大小、聲音強(qiáng)度、反應(yīng)速度等屬性。

對(duì)于游戲與動(dòng)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(jí)別的資產(chǎn)，因此對(duì)于Epic公司來(lái)說(shuō)，對(duì)Quixel的收購(gòu)是一場(chǎng)至關(guān)重要的收購(gòu)。在Quixel公司沒(méi)被收購(gòu)之前，美術(shù)師們只能通過(guò)自己創(chuàng)造一些現(xiàn)有的材質(zhì)，如樹(shù)、草、石子等，后來(lái)由于Quixel公司被收購(gòu)，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(gè)重要的資產(chǎn)來(lái)源，增強(qiáng)了便利性。如官方所說(shuō)，“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(huì)互相干擾對(duì)方的工作”。

筆者認(rèn)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(jì)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(guó)外，在中國(guó)下載這些大型資源必定比較緩慢，需要大家合理安排時(shí)間下載，希望以后可以解決這個(gè)問(wèn)題。

3 《黑神話：悟空》游戲動(dòng)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(dòng)作角色扮演游戲，該游戲塑造了孫悟空這個(gè)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(xì)節(jié)、激情洋溢的戰(zhàn)斗體驗(yàn)以及豐富的劇情加持。

這款游戲在2020年8月20日首次公開(kāi)并發(fā)布了虛幻引擎五的實(shí)際測(cè)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(guó)第一個(gè)經(jīng)典且具有鮮明中華文化特色的大型3A級(jí)動(dòng)作類游戲，憑借真實(shí)的畫面效果塑造了一個(gè)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(shí)。開(kāi)發(fā)者們參考了中國(guó)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(tái)佛光寺的蓮花柱等。對(duì)于里面的建筑模型，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)使用的技術(shù)是實(shí)地掃描，這是一種根據(jù)實(shí)景掃描生成高精度照片，運(yùn)用專門的軟件進(jìn)行實(shí)際景象模型的生成應(yīng)用，通過(guò)圖像及影響軟件導(dǎo)出，形成真實(shí)的3D模型，這就是演示片中的場(chǎng)景這么像真實(shí)場(chǎng)景的重要原因之一。

在演示片中我們可以看到，無(wú)論是其中的雕像、物體、場(chǎng)景、人物，還是雪、樹(shù)，都非常真實(shí)且細(xì)節(jié)非常豐富，要達(dá)到這樣的效果，毫無(wú)疑問(wèn)需要強(qiáng)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(qiáng)大的面數(shù)兼容性和無(wú)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(gè)面數(shù)，模型的所有細(xì)節(jié)都凸顯了出來(lái)，沒(méi)有出現(xiàn)低質(zhì)量的問(wèn)題。

在演示片中，有一個(gè)孫悟空在雪地里跟猴妖戰(zhàn)斗的畫面，無(wú)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(shí)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(shí)與自然的。畫面的光線變化也很柔和微妙，隨著陽(yáng)光的變化而變化。以前想達(dá)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(dòng)畫作品具有實(shí)時(shí)渲染與Lumen的動(dòng)態(tài)全局光，陽(yáng)光得以更加自由地照射，因此我們可以隨時(shí)看到陽(yáng)光對(duì)環(huán)境的影響。

在主角飛翔的這個(gè)畫面上，周圍的實(shí)景不斷變化，地圖之間無(wú)縫銜接，沒(méi)有絲毫的違和感，非常自然，好像確實(shí)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(qiáng)大。在孫悟空大戰(zhàn)白龍BOSS的這個(gè)畫面中，我們可以看到，天空、云彩、煙霧等都非常真實(shí)，Lumen的全局光渲染支持了強(qiáng)大的全局光系統(tǒng)。

盡管這款游戲在虛幻五的加持下達(dá)到了中國(guó)游戲動(dòng)畫的一個(gè)新高度，但是仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)人物在戰(zhàn)斗時(shí)，攻擊技能以及攻擊判斷對(duì)象的實(shí)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(guó)的游戲，其實(shí)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(guó)乃至世界的游戲科學(xué)作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。當(dāng)不少玩家看到游戲宣傳動(dòng)畫末尾打出對(duì)于游戲開(kāi)發(fā)公司Epic的特別鳴謝時(shí)，還是不由得心頭一緊，因?yàn)樵谀撤N意義上，“Epic”的意思就是“獨(dú)占”[1]。

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

盡管虛幻引擎正在對(duì)手機(jī)端展開(kāi)優(yōu)化，但不得不說(shuō)，還是有很多限制因素，需要的成本也極高，5 000萬(wàn)美元才能踏進(jìn)3A的大門，更別說(shuō)后續(xù)更多的優(yōu)化。

由于手機(jī)端的限制等因素，在開(kāi)發(fā)成本翻倍的情況下，單品利潤(rùn)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(yǔ)

未來(lái)，虛幻引擎五必定會(huì)對(duì)游戲產(chǎn)生更大的沖擊，會(huì)徹底改變游戲制作流程，帶給用戶沉浸式的體驗(yàn)。《黑神話：悟空》這個(gè)中國(guó)歷史上第一個(gè)東方超級(jí)英雄3A大作，在強(qiáng)大的虛幻引擎五的支持下，必定會(huì)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(duì)新一代游戲3A大作以及新式動(dòng)畫制作流程的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊皓然.《黑神話：悟空》距離平臺(tái)獨(dú)占有多近？[N].電視報(bào)，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(bào)，2021-09-06（005）.

作者簡(jiǎn)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(jì)。