基于UE5的實(shí)時(shí)渲染動(dòng)畫《江南煙雨》創(chuàng)作解析

關(guān)鍵詞：虛幻引擎；實(shí)時(shí)渲染動(dòng)畫；制作流程

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）26-0105-04開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，新媒體平臺(tái)不斷涌現(xiàn)，各種影像表達(dá)形式層出不窮，促使人們對(duì)影像的審美需求更加多樣化。動(dòng)畫作為文化和思潮的代表，已深深滲透到人們的日常生活中。然而，傳統(tǒng)動(dòng)畫制作技術(shù)因周期長(zhǎng)、成本高，逐漸無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的需求。在這種背景下，3D實(shí)時(shí)渲染技術(shù)以其高效和靈活性成為三維動(dòng)畫創(chuàng)作的新寵。許多動(dòng)畫開(kāi)發(fā)者轉(zhuǎn)向使用實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，因?yàn)樗梢源蠓s短預(yù)渲染時(shí)間，使創(chuàng)作者能更多地專注于創(chuàng)意與質(zhì)量。本文以寫實(shí)環(huán)境動(dòng)畫短片《江南煙雨》為例，探討基于虛幻引擎5 的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)在動(dòng)畫創(chuàng)作中的應(yīng)用，致力于展現(xiàn)江南之美。該短片以寫實(shí)風(fēng)格為主，追求真實(shí)的環(huán)境與氛圍，因此在植被、傳統(tǒng)建筑和庭院布景所需的3D資產(chǎn)，以及真實(shí)模擬下雨天氣和霧氣效果的技術(shù)難題上，采用了Blender、Quixel Bridge與Ultra Dynamic Sky 等工具進(jìn)行解決。

1 虛幻引擎及其主要優(yōu)勢(shì)

1.1 虛幻引擎概述

虛幻引擎是由Epic Games公司開(kāi)發(fā)的游戲引擎，為游戲開(kāi)發(fā)者提供了完整的開(kāi)發(fā)工具鏈。通過(guò)整合眾多已編寫的可編輯計(jì)算機(jī)游戲系統(tǒng)組件和交互式實(shí)時(shí)圖像應(yīng)用程序的核心組件，虛幻引擎幫助開(kāi)發(fā)者高效快速地構(gòu)建高質(zhì)量的游戲內(nèi)容。它為游戲設(shè)計(jì)者提供了豐富的工具，涵蓋場(chǎng)景建模、材質(zhì)編輯、動(dòng)畫設(shè)計(jì)、聲音處理等多個(gè)方面。借助這些工具，開(kāi)發(fā)者無(wú)須從零開(kāi)始創(chuàng)建所有內(nèi)容，而是可以利用引擎提供的框架和組件快速搭建游戲世界，并實(shí)現(xiàn)所需的游戲效果。

1.2 虛幻引擎主要優(yōu)勢(shì)

虛幻引擎之所以能夠被應(yīng)用于動(dòng)畫創(chuàng)作，主要得益于其強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。Qiuxel Bridge插件提供了大量的掃描資源，虛擬幾何體系統(tǒng)（Nanite） 和動(dòng)態(tài)全局光照技術(shù)（Lumen） 則使得虛幻引擎能夠更高效、更快速地協(xié)助動(dòng)畫創(chuàng)作者進(jìn)行工作。Nanite允許渲染數(shù)十億個(gè)多邊形細(xì)節(jié)，幾乎無(wú)須手動(dòng)創(chuàng)建LOD（細(xì)節(jié)等級(jí)），大幅度提升效率。Lumen提供的動(dòng)態(tài)全局光照系統(tǒng)則能夠?qū)崿F(xiàn)逼真的光影效果，即使在復(fù)雜的場(chǎng)景中也能保持高幀率，這對(duì)于追求高品質(zhì)視覺(jué)效果的動(dòng)畫制作來(lái)說(shuō)尤為重要。

1） 虛擬微多邊形幾何體——Nanite。

虛幻引擎5發(fā)布時(shí)引入了一種革命性的幾何渲染技術(shù)，稱為Nanite。在傳統(tǒng)渲染中，每個(gè)物體由稱為多邊形的微小平面組成。隨著場(chǎng)景中多邊形數(shù)量的增加，渲染所需的計(jì)算資源也會(huì)急劇增加，導(dǎo)致渲染時(shí)間變長(zhǎng)。為解決這個(gè)問(wèn)題，游戲開(kāi)發(fā)人員通常使用細(xì)節(jié)級(jí)別（Level of Detail，簡(jiǎn)稱LOD） 系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化渲染性能。然而，LOD系統(tǒng)的使用也存在一定的局限性，因?yàn)樗枰诒３忠曈X(jué)效果和性能之間做出權(quán)衡。Nanite技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題，它支持高精度Mesh資產(chǎn)的直接渲染，是基于Mesh Shader或GPU Driven Rendering的幾何管線，具有較高級(jí)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)細(xì)分或遮擋剔除，從而達(dá)到一個(gè)三角形和一個(gè)像素等效對(duì)應(yīng)級(jí)別的渲染。Nanite技術(shù)允許開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)建具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)多邊形的對(duì)象，而無(wú)須依賴傳統(tǒng)的LOD系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)幾何體進(jìn)行動(dòng)態(tài)變形，在保持高細(xì)節(jié)的同時(shí)，有效減少渲染所需的多邊形數(shù)量，從而顯著提升渲染性能。

Nanite技術(shù)在發(fā)布時(shí)僅支持靜態(tài)物體，隨著虛幻引擎的不斷更新，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展。在虛幻引擎5.1版本中，引入了Nanite植被功能，使開(kāi)發(fā)者能夠創(chuàng)建出細(xì)節(jié)豐富的自然環(huán)境。在虛幻引擎5.3版本中，Nanite技術(shù)支持了地形渲染，這意味著在使用虛幻引擎創(chuàng)建建筑、角色、植物或地形時(shí)，可以充分利用Nanite技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)限細(xì)節(jié)的渲染效果，同時(shí)保持出色的性能表現(xiàn)。Nanite技術(shù)的引入，不僅為游戲開(kāi)發(fā)人員提供了更廣闊的創(chuàng)作空間，還對(duì)影視制作領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化。它使制作者能夠更加真實(shí)地呈現(xiàn)場(chǎng)景和角色，為觀眾帶來(lái)更沉浸式的視覺(jué)體驗(yàn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，Nanite技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)這一領(lǐng)域的創(chuàng)新。

2） 全局動(dòng)態(tài)光照系統(tǒng)——Lumen。

從計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看，其核心目標(biāo)之一就是追求更加逼真和生動(dòng)的畫面效果。其中，照明技術(shù)的研究與發(fā)展發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。早期的圖形技術(shù)就在不斷研究計(jì)算機(jī)照明與渲染器的深度融合，旨在使圖形更貼近真實(shí)世界。全局照明方案的出現(xiàn)，更是將計(jì)算機(jī)圖像的逼真度提升到了一個(gè)全新的水平。全局照明方案之所以能夠?qū)崿F(xiàn)如此逼真的效果，與材質(zhì)和燈光的制作密切相關(guān)。這需要制作人員進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，以確保每一幀、每一個(gè)鏡頭的細(xì)節(jié)都能達(dá)到最佳狀態(tài)。

Lumen是虛幻引擎5中的一種全動(dòng)態(tài)全局光照解決方案，其最主要的特點(diǎn)是無(wú)須硬件就能實(shí)現(xiàn)光線追蹤的效果，并且支持實(shí)時(shí)的全動(dòng)態(tài)全局光照（Global Il?lumination， GI） ，無(wú)須預(yù)先烘焙，間接光照會(huì)根據(jù)直接光照或幾何體的變動(dòng)實(shí)時(shí)發(fā)生改變[1]。Lumen可以根據(jù)玩家的實(shí)時(shí)操作和運(yùn)動(dòng)方式，動(dòng)態(tài)地調(diào)整照明效果。該解決方案能夠輕松渲染物體的鏡面反射和漫反射，并隨著物體的移動(dòng)實(shí)時(shí)做出反應(yīng)和變化。甚至可以通過(guò)材質(zhì)的設(shè)定，定義發(fā)光源和發(fā)光體。這意味著在游戲中，不僅可以模擬現(xiàn)實(shí)世界的光照效果，還可以創(chuàng)造出獨(dú)特且超越現(xiàn)實(shí)的照明效果。這為游戲設(shè)計(jì)師提供了更大的創(chuàng)作空間，也為動(dòng)畫創(chuàng)作者提供了更多可能。

Lumen技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)天氣和陽(yáng)光角度的實(shí)時(shí)變化，并且可以自動(dòng)生成和實(shí)時(shí)渲染。玩家在游戲中可以體驗(yàn)到更真實(shí)生動(dòng)的自然環(huán)境。設(shè)計(jì)師也不需要再進(jìn)行復(fù)雜的光照貼圖、光照預(yù)烘焙、反射捕捉等工作，大大提高了工作效率。虛幻引擎5在動(dòng)畫制作中的最大優(yōu)勢(shì)就是“所見(jiàn)即所得”，顯著縮短制作周期。

2 實(shí)時(shí)渲染動(dòng)畫《江南煙雨》創(chuàng)作流程

2.1 基于Blender 的建筑布局設(shè)計(jì)與精細(xì)模型制作

在建筑場(chǎng)景的創(chuàng)作中，布局設(shè)計(jì)和模型制作的準(zhǔn)確性直接影響動(dòng)畫的視覺(jué)效果與空間體驗(yàn)。短片《江南煙雨》采用開(kāi)源3D圖形軟件Blender進(jìn)行江南風(fēng)格建筑院落的布局設(shè)計(jì)與模型構(gòu)建，旨在通過(guò)虛擬空間真實(shí)還原江南建筑的韻味與特色。

在布局設(shè)計(jì)階段，依據(jù)江南建筑的傳統(tǒng)空間理念，首先使用Blender中的基本3D圖形工具，如立方體、圓柱體和平面等，構(gòu)建庭院的初步布局。在這個(gè)過(guò)程中，注意模型尺寸問(wèn)題，過(guò)大的尺寸會(huì)影響后續(xù)創(chuàng)作。完成布局設(shè)計(jì)后，在Blender中制作精細(xì)模型，這一階段側(cè)重建筑細(xì)節(jié)的刻畫與表現(xiàn)。利用Blender 提供的豐富建模功能，如擠出、切割、鏡像等，對(duì)初步布局中的各建筑元素進(jìn)行精細(xì)化建模，主要包括門樓、亭子、對(duì)稱式雙層閣樓和后院閣樓。為了確保模型在虛幻引擎中的實(shí)時(shí)渲染性能，建模過(guò)程中要嚴(yán)格控制三角形數(shù)量，并對(duì)模型面數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以在保持視覺(jué)效果的同時(shí)減少不必要的性能開(kāi)支。

2.2 導(dǎo)入虛幻引擎，初步創(chuàng)建材質(zhì)

在完成Blender中的建筑模型UV拆分后，可以將模型導(dǎo)入虛幻引擎。在這一過(guò)程中，使用Datasmith插件將模型導(dǎo)出為虛幻引擎可識(shí)別的格式。此格式不僅保留了模型的幾何體精度，還保證了UV映射的完整性，便于后續(xù)在虛幻引擎中添加材質(zhì)。

在將模型導(dǎo)入虛幻引擎之前，首先需要在引擎中創(chuàng)建基礎(chǔ)的照明條件。具體操作包括：在項(xiàng)目設(shè)置中找到渲染目錄，將動(dòng)態(tài)全局光照方法和反射均調(diào)整為高品質(zhì)的Lumen模式，并激活軟件光線追蹤功能，以提升場(chǎng)景的光照質(zhì)量。接著，在場(chǎng)景中布置天空光照，設(shè)置定向光源，增加天空大氣和體積云效果，并引入指數(shù)級(jí)高度霧，構(gòu)建出層次豐富且真實(shí)感強(qiáng)的光照環(huán)境。這些設(shè)置為后續(xù)場(chǎng)景的各項(xiàng)操作提供了便利條件。

在將模型導(dǎo)入虛幻引擎后，場(chǎng)景主體建筑就搭建完成了。但為了使模型看起來(lái)生動(dòng)逼真，還需要為其添加材質(zhì)。為了加快項(xiàng)目的制作進(jìn)度，使用了官方的Quixel Megascans材質(zhì)庫(kù)，因?yàn)樗峁┝烁哔|(zhì)量、真實(shí)感強(qiáng)的材質(zhì)貼圖。在短片創(chuàng)作中，主要利用Megas?cans制作墻體的混凝土材質(zhì)和木質(zhì)結(jié)構(gòu)材質(zhì)，并使用Substance Painter來(lái)創(chuàng)建建筑的瓦片材質(zhì)。

在完成建筑材質(zhì)的添加后，使用Megascans提供的貼花材質(zhì)（Decal Materials） 來(lái)進(jìn)一步豐富建筑表面的細(xì)節(jié)。貼花材質(zhì)可以為模型表面添加裝飾性圖案，如劃痕、污漬和貼紙等，這極大地增強(qiáng)了場(chǎng)景的真實(shí)感和視覺(jué)效果，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)性能的占用較小。

2.3 雕刻地形，創(chuàng)建植被

在構(gòu)建虛擬場(chǎng)景或游戲環(huán)境時(shí)，地形編輯和植被創(chuàng)建是兩個(gè)關(guān)鍵部分。在虛幻引擎5中，地形編輯工具可用于雕刻地形，并可搭配Quixel Megascans的掃描模型進(jìn)行高效布景。此外，還可以利用植被模式來(lái)創(chuàng)建場(chǎng)景植被，從而進(jìn)一步豐富和完善整個(gè)場(chǎng)景。

2.3.1 地形編輯與水塘布景

在虛幻引擎中，地形編輯模式為創(chuàng)作者提供了豐富的雕刻工具，使得創(chuàng)作者可以根據(jù)需要自由塑造地形。為了營(yíng)造出“小橋流水人家”的意境，使用了地形編輯模式中的多種雕刻筆刷。通過(guò)調(diào)整筆刷大小和強(qiáng)度，精確雕刻出水塘的形狀和深度。為提高制作效率并增強(qiáng)場(chǎng)景真實(shí)感，使用了Quixel Megascans中的高質(zhì)量掃描模型進(jìn)行布景，如石砌、石板、石階等。最后，統(tǒng)一調(diào)整這些掃描模型的整體色調(diào)，使得池塘場(chǎng)景更加真實(shí)細(xì)膩。

2.3.2 植被創(chuàng)建

植被在場(chǎng)景制作中發(fā)揮著顯著作用。合理的植物規(guī)劃不僅能夠軟化建筑的生硬線條，賦予其美感，還可以通過(guò)林緣線的布置，巧妙地控制空間的開(kāi)合變化，從而使建筑更好地融入自然環(huán)境。此外，園林植物隨著季節(jié)變化而展現(xiàn)出不同色彩的環(huán)境，大大增加了建筑的感染力和生命力。

在創(chuàng)建場(chǎng)景植被時(shí)，主要使用虛幻商城提供的植被資產(chǎn)。這些資產(chǎn)包含了不同種類、具有豐富紋理和材質(zhì)細(xì)節(jié)的樹木，可以為場(chǎng)景增添極高的真實(shí)感。借助虛幻引擎的植物模式，這些植被資產(chǎn)可以輕松地放置在地形上，打造出自然和諧的植被環(huán)境。

在植被的繪制過(guò)程中，嚴(yán)格遵循“大中小”的原則。首先，在庭院外圍繪制大型樹木，作為背景，奠定整個(gè)場(chǎng)景的基調(diào)。接著，在庭院內(nèi)添加中小型植物，營(yíng)造層次豐富、自然多樣的植被效果。除此之外，為場(chǎng)景添加更多細(xì)節(jié)：在池塘中增加荷花和荷葉等水生植被，增添一抹清新與生機(jī)；在對(duì)稱式雙層閣樓周圍，布置竹子、花卉等植物，使整個(gè)場(chǎng)景更加完善。

2.4 調(diào)整細(xì)節(jié)，營(yíng)造環(huán)境氛圍

為了充分展現(xiàn)江南煙雨所特有的朦朧、濕潤(rùn)與靜謐的氛圍，塑造場(chǎng)景的情感色彩和風(fēng)格特色是關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)場(chǎng)景的環(huán)境氛圍時(shí)，使用Ultra Dynamic Sky插件能夠提供非常真實(shí)的光照條件，并模擬各種天氣效果，為“煙雨朦朧”的環(huán)境氛圍營(yíng)造提供了良好的技術(shù)支持。

為了真實(shí)地模擬“煙雨朦朧”這種環(huán)境氛圍，主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的調(diào)整：

1） 照明與天氣效果。使用Ultra Dynamic Sky插件模擬雨天的光線和天空效果，使整個(gè)場(chǎng)景呈現(xiàn)出朦朧、柔和的光線，從而增強(qiáng)煙雨的氛圍感。

2） 材質(zhì)屬性調(diào)整。通過(guò)調(diào)整場(chǎng)景中靜態(tài)網(wǎng)格體和掃描模型的材質(zhì)屬性，降低表面粗糙度，使其看起來(lái)如同被雨水打濕。這種濕潤(rùn)的質(zhì)地能夠有效增強(qiáng)煙雨環(huán)境的真實(shí)感。

3） 色調(diào)調(diào)整。對(duì)場(chǎng)景的色調(diào)和色彩飽和度進(jìn)行調(diào)整，使之更貼合煙雨天氣。例如，增加灰藍(lán)色調(diào)，減少鮮艷色彩的使用，以營(yíng)造出雨天獨(dú)特的氛圍。

2.5 渲染輸出

在傳統(tǒng)渲染流程中，通常會(huì)渲染出序列幀，然后在影視剪輯軟件中進(jìn)行后期剪輯與合成。而虛幻引擎5的影片渲染隊(duì)列（Movie Render Queue） 模塊提供了強(qiáng)大的支持，具有極高自由度，可以在一定程度上替代Adobe Premiere等后期剪輯合成軟件的部分功能[2]。

完成環(huán)境氛圍的調(diào)整后，可以開(kāi)始將三維場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為動(dòng)畫短片，主要借助虛幻引擎提供的影片渲染隊(duì)列工具。影片渲染隊(duì)列的鏡頭動(dòng)畫制作功能非常強(qiáng)大，能夠?qū)霐z像機(jī)和目標(biāo)物體，創(chuàng)造出精彩的攝像機(jī)動(dòng)畫。每個(gè)攝像機(jī)和物體都可以設(shè)置關(guān)鍵幀動(dòng)畫，通過(guò)動(dòng)畫曲線調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度與鏡頭效果。利用UE5 進(jìn)行制作并實(shí)時(shí)導(dǎo)出渲染，提供所見(jiàn)即所得的體驗(yàn)，是制作過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

影片渲染隊(duì)列具有眾多優(yōu)點(diǎn)，在本次項(xiàng)目制作中主要利用其攝影機(jī)功能。UE5的攝影機(jī)參數(shù)與現(xiàn)實(shí)中的專業(yè)電影級(jí)攝影機(jī)完全一致，可以設(shè)置諸如焦距、光圈等參數(shù)，并支持多種鏡頭運(yùn)動(dòng)。如圖5展示鏡頭效果圖，可以通過(guò)影片渲染隊(duì)列進(jìn)行景深效果的處理，實(shí)現(xiàn)逼真的影片效果。

3 結(jié)論

虛擬技術(shù)中的“視覺(jué)表現(xiàn)技術(shù)”“聽(tīng)覺(jué)表現(xiàn)技術(shù)”“力/觸覺(jué)表現(xiàn)技術(shù)”以及“嗅/味覺(jué)表現(xiàn)技術(shù)”已經(jīng)日益成熟，并在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[4-5]?；赨E5的3D動(dòng)畫創(chuàng)作是一種新穎且引人入勝的方法。這種方法不僅能夠整合傳統(tǒng)3D動(dòng)畫流程中的模型、動(dòng)作和貼圖等元素，還能夠通過(guò)環(huán)境光混合器等功能模擬逼真的光照條件，實(shí)時(shí)完成動(dòng)畫渲染。此外，虛幻引擎還具備其他傳統(tǒng)三維軟件所不具備的模型承載能力，這主要得益于其強(qiáng)大的虛擬幾何體系統(tǒng)。在必要時(shí)，用戶甚至可以運(yùn)用藍(lán)圖和C++等編程工具來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的效果。在制作動(dòng)畫短片《江南煙雨》并撰寫本文的過(guò)程中，UE5不斷推出5.2、5.3等版本更新，其功能也愈加強(qiáng)大。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)UE5將在3D動(dòng)畫創(chuàng)作中提供越來(lái)越多的支持。