基于物理渲染技術(shù)創(chuàng)建次時(shí)代角色模型的流程探究

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展不斷升級(jí)迭代，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)和次時(shí)代引擎技術(shù)在高速率、低延遲的5G技術(shù)下必會(huì)迎來大幅度增長(zhǎng)。人們?cè)诓粩嘧非蟾呒?jí)圖形視覺效果過程中，逐漸推動(dòng)了真實(shí)感渲染技術(shù)的發(fā)展。本文運(yùn)用符合物理規(guī)律的方法，闡述一套基于真實(shí)世界光照物理的人物模型創(chuàng)建流程，從而總結(jié)本次次時(shí)代角色相關(guān)服飾、道具的材料性質(zhì)及質(zhì)感表現(xiàn)，并分析相關(guān)類型創(chuàng)建方式的共通性。

關(guān)鍵詞：物理渲染技術(shù);PBR;次時(shí)代;角色模型;BRDF

一、基于物理的渲染技術(shù)（PBR）概述

“PBR（Physically Based Rendering）是基于物理規(guī)律模擬的一種渲染技術(shù)，最早用于電影、照片等真實(shí)感的渲染。”[1]這類渲染方式通常遵循光源與物體表面間的數(shù)值模擬，來表達(dá)最終預(yù)測(cè)的圖形外觀。而且在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過調(diào)節(jié)具體物理參數(shù)的數(shù)值表現(xiàn)預(yù)期效果。目前基于PBR流程創(chuàng)建次時(shí)代角色模型的常見軟件有Substance Painter、Substance Designer以及Marmoset Toolbag等，“它們具有高效、理性和真實(shí)這三大特點(diǎn)，很好的解決了傳統(tǒng)引擎電影渲染技術(shù)的問題。”[2]這些特點(diǎn)在創(chuàng)作流程中更多的展現(xiàn)給制作者的是直觀的圖形結(jié)果，能夠在同一光照下看到賦予不同材質(zhì)和貼圖的Shader效果。

二、迪士尼原則BRDF（雙向反射分布函數(shù)）

Disney Principled BRDF是迪士尼在2012年SIGGRAPH中提出的概念。該原則自提出之日起，由于其高度的通用性，能夠?qū)?fù)雜的物理材質(zhì)屬性用11種非常直觀可見的變量表達(dá)出來，所以在游戲界、影視界等引起了大規(guī)模的轟動(dòng)并廣泛沿用至今。

在迪士尼原則BRDF的11種調(diào)節(jié)材質(zhì)外觀的參數(shù)中，每一個(gè)參數(shù)有效取值范圍都為[0，1]，在該參數(shù)范圍內(nèi)的任何取值都可以被判定為有效材質(zhì)屬性。通常在M-R工作流創(chuàng)建次時(shí)代角色模型中主要以參數(shù)BaseColor、Roughness以及Metallic來體現(xiàn)材質(zhì)外觀。其次為更能模擬真實(shí)世界光照下不同材質(zhì)的特性，所以通常會(huì)在anisotropic、sheen、sheenTint等參數(shù)中調(diào)節(jié)屬性，或者為其繪制單獨(dú)的貼圖，再利用黑白Mask控制不透明度。例如在模擬一些絲綢、綢緞甚至人物和水果的表面絨毛等這種能量守恒的光澤層，就可以用sheen調(diào)節(jié)權(quán)重大小。

三、次時(shí)代角色模型創(chuàng)建流程

（一）模型搭建階段

次時(shí)代角色模型創(chuàng)建方式與傳統(tǒng)方式大體相同卻又略有差異。從宏觀角度出發(fā)，二者均采用多邊形建模、網(wǎng)格建模與面片建模方式。兩種創(chuàng)建流程根據(jù)不同需求其差異性分別體現(xiàn)在如下描述。傳統(tǒng)創(chuàng)建方式下，整個(gè)角色通常只需要利用任意一款建模軟件即可輸出繪制貼圖。而次時(shí)代角色模型創(chuàng)建過程由于追求更高級(jí)、更逼真的視覺圖形效果，所以需要運(yùn)用不同軟件的特性來深入模型細(xì)節(jié)。

（二）Marvelous Designer布料模擬

Marvelous Designer是一款基于三維服裝可視化技術(shù)，由韓國(guó)CLO Virtual Fashion Inc.開發(fā)的服裝設(shè)計(jì)與布料模擬軟件。目前布料動(dòng)畫技術(shù)作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中研究的重要領(lǐng)域之一，“多年來以自身實(shí)際需求為目標(biāo)，并將大量的研究成果應(yīng)用到了電影制作、三維游戲以及虛擬試衣等領(lǐng)域中?！盵3]

在Marvelous Designer軟件界面中，服飾創(chuàng)建方式與生活中服裝板片裁剪與縫合高度吻合。所以次時(shí)代角色模型服飾與服裝板片縫合方法相同，只是虛擬空間中多了在虛擬模特上搭建服裝造型后再進(jìn)行布料解算的環(huán)節(jié)。在軟件進(jìn)行物理解算的過程中能夠較完美的模擬服飾在模特身上發(fā)生的柔體運(yùn)動(dòng)變化和結(jié)果。隨后根據(jù)實(shí)際需求選擇對(duì)板片重新拓?fù)浠蛘呃肸brush軟件更深入調(diào)整細(xì)節(jié)。

（三）UV展開整理

UV的展開與紋理貼圖繪制密不可分，在三維模型上所有記載網(wǎng)格頂點(diǎn)的信息都和二維空間內(nèi)的點(diǎn)逐一對(duì)應(yīng)?！癠V紋理空間使用U方向和V方向來定義二維空間中的軸向。”所以UV展開整理的目的是為了更加便捷、直觀的繪制三維圖案貼圖。

為優(yōu)化三維模型制作流程的效率、提高模型最終效果，針對(duì)UV展開的實(shí)際操作流程規(guī)定了如下拆分原則：①最大程度保證UV紋理空間內(nèi)圖形不產(chǎn)生變形、扭曲。②盡量避免UV圖形之間重疊。③UV圖形與圖形之間的接縫盡量避免出現(xiàn)在視覺顯眼處或者攝像機(jī)范圍內(nèi)。④合理規(guī)劃UV圖形的分布和擺放。

（四）運(yùn)用M-R工作流在Substance Painter中烘焙、繪制貼圖

在目前的實(shí)踐運(yùn)用中，利用PBR流程創(chuàng)建角色貼圖主要有兩種工作流。其一M-R（Metallic-Roughness）;其二S-G（Specular-Glossiness）。這兩種工作流最大的區(qū)別在與對(duì)于非金屬F0的控制。M-R工作流將非金屬F0值恒定于4%，而S-G工作流可以隨意控制非金屬F0值的大小，所以基于這種隨意性，S-G工作流則更需要準(zhǔn)確的數(shù)值來確保能量守恒法則成立。

1.BaseColor

Basecolor譯為固有色、基礎(chǔ)色，是物體剔除光影變化后呈現(xiàn)出來的色彩，用于提供模型顏色信息。在Substance Painter繪制次時(shí)代角色皮膚質(zhì)感貼圖一般根據(jù)需求來決定最終效果。以下步驟為真實(shí)感皮膚效果表達(dá)提供思路。①建立皮膚固有色圖層、提取AO圖像信息并疊加紅色。②“入射到皮膚組織表面的光束，一部分進(jìn)入皮膚，被皮膚組織散射與吸收，其散射、吸收的情況由皮膚組織內(nèi)各種色基，入血紅蛋白、膽紅素和黑色素決定?！盵5]根據(jù)光譜學(xué)中描述血液含量對(duì)皮膚顏色的影響可建立下列顏色遮罩圖層：紅色、藍(lán)色、紫紅色、褐色四個(gè)基本顏色。上述顏色分別對(duì)應(yīng)表現(xiàn)為皮膚毛細(xì)血管易突顯處（鼻部、耳朵、眼眶至顴骨）、血液循環(huán)淤堵、血絲、黑色素沉淀（斑點(diǎn)、痣等情況）。③根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)一步豐富步驟二圖層。④創(chuàng)建嘴唇、眼眶內(nèi)部固有色貼圖并提取Curvature貼圖信息調(diào)節(jié)皮膚紋路細(xì)節(jié)。⑤根據(jù)角色豐富妝容或特征、服飾道具固有色同理。

2.Roughness

Roughness譯為粗糙程度、粗糙度，PBR流程中表現(xiàn)模型質(zhì)感的重要手段之一。在實(shí)際運(yùn)用過程中，可以通過Roughness貼圖調(diào)節(jié)同一物體的不同位置的粗糙程度，其目的都是為了增強(qiáng)物體真實(shí)感。Substance Painter這款軟件為粗糙度的調(diào)節(jié)提供了更為便捷、直觀的操作方式，像創(chuàng)建BaseColor貼圖信息一樣，只需建立含有Roughness屬性的圖層便可以實(shí)現(xiàn)。以上一步完成的BaseColor貼圖信息繼續(xù)為皮膚添加高光信息：建立含有Roughness屬性的遮罩圖層為顴骨、鼻梁、額頭、關(guān)節(jié)處繪制高光，服飾高光和盔甲等均以其固有面料和材質(zhì)決定。

3.Metallic

Metallic譯為金屬性、金屬度，在M-R工作流中可以用Augustine Jean Fresnel提出的菲涅爾效應(yīng)來解讀?！胺颇鶢柆F(xiàn)象是指當(dāng)表面的觀察方向從‘垂直’到‘逐漸與表面平行’的變化過程中，表面的反射能力（包括對(duì)光源的反射《即所謂的高光》和周圍其他物體的反射）會(huì)逐漸加強(qiáng)?！盵6]即金屬度由無到完美鏡面的變化過程。在實(shí)際創(chuàng)作中也應(yīng)根據(jù)物體最終呈現(xiàn)的表面屬性來決定其金屬性，例如金屬經(jīng)過磨損過后或者表面覆蓋新的涂層，都需要合理使用Metallic貼圖。

（五）Marmoset Toolbag渲染材質(zhì)貼圖并整合

Marmoset Tooolbag是一款實(shí)時(shí)渲染和預(yù)覽三維場(chǎng)景的預(yù)覽軟件，需要將之前所建的模型、貼圖、材質(zhì)導(dǎo)入進(jìn)此軟件并依據(jù)一定的物理渲染原理整合在一個(gè)工作框中，而后再給予不同的HDR（High-Dynamic Range）圖像或若干燈光觀察模型最終效果。

四、總結(jié)

基于物理的渲染技術(shù)制作出來的模型貼圖具有真實(shí)性、高效性和理性的特征，在迪士尼BRDF原則的渲染參數(shù)規(guī)定下，促使了各大引擎平臺(tái)進(jìn)行技術(shù)的更新迭代。利用PBR技術(shù)制作出來的貼圖參數(shù)可以在主流引擎平臺(tái)中互相輸入與輸出，極大的推動(dòng)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展。

綜上所述，基于物理渲染技術(shù)的發(fā)展在人物模型的創(chuàng)建過程中為其規(guī)定了基本的參數(shù)，創(chuàng)作者可以利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)對(duì)人物形象進(jìn)行在創(chuàng)造，采用時(shí)下流行的三維技術(shù)手段，將次時(shí)代角色以多種光怪陸離的組合方式展示給觀眾，滿足當(dāng)下人們對(duì)未知事物想象力的精神盛宴。

參考文獻(xiàn)：

[1]張雨辰;.淺談PBR技術(shù)對(duì)數(shù)字文物展示效果的提升[C].2017.

[2]李怡婷.PBR流程在引擎電影中的問題及解決途徑[J].戲劇之家，2017：99-100.

[3]吳曉婷.基于位置動(dòng)力學(xué)的布料動(dòng)畫技術(shù)研究[D].陜西：西安電子科技大學(xué)，2014.DOI：10.7666/d.D727164.

[4]李曙光.三維模型的UV拆分技術(shù)分析——以Headus UVLayout為例[J].綏化學(xué)院學(xué)報(bào)，2015：155-159.

[5]黃寶華，陳榮，曾海山，王月云，謝樹森.皮膚組織血液含量對(duì)皮膚光譜的影響[J].光譜學(xué)與光譜分析，2007：97-100.

[6]廖玲.菲涅爾現(xiàn)象及其在Maya中的應(yīng)用[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2012：78-79.

作者簡(jiǎn)介：謝崇瑾（1997—），女，漢，重慶永川，碩士，四川音樂學(xué)院成都美術(shù)學(xué)院，三維數(shù)字方向。四川 成都，郵編 610500。