PBR流程在引擎電影中的問題及解決途徑

【摘 要】PBR流程顛覆了傳統cg電影的渲染技術，降低了學習成本，提高工作效率。然而，PBR流程仍然存在某些材質表達缺失、作品cg化、相關理論知識抽象、學習理解困難等諸多問題。在全面分析問題的基礎上，提出了軟件引擎選擇、材質球屬性調節等問題的解決途徑。

【關鍵詞】PBR流程；離線渲染；材質表達；風格化

中圖分類號：J905 文獻標志碼：A 文章編號：1007-0125（2017）10-0099-02

近年來，隨著引擎電影渲染技術的迅猛發展，其應用領域也在不斷擴大，并已形成一條成熟的經濟產業鏈。在傳統渲染流程中，藝術家利用光線與物體表面的關系、陰影的位置、亮度和明暗以及材質與光影互動來模擬“真實”的畫面，使得引擎電影渲染作品的畫面效果更加真實、震撼、富有藝術性。然而隨著計算機技術的不斷進步，這一技術開始暴露一些問題：學習成本高、參數調節困難、教程滯后、學習渠道少、需要大量技術經驗支持等，導致這一技術無法滿足大眾的需求。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）的軟件應運而生，它們具有高效、理性和真實這三大特點，很好地解決了傳統引擎電影渲染技術的問題。現如今，PBR流程已被廣泛運用于實時渲染和離線渲染中。引擎電影渲染技術發展至今，致力于模擬真實的現實世界，其不計成本地追求畫面真實度，讓獨立藝術工作者望而止步。PBR流程的出現改變了這一現狀，它基于物理算法，簡化工作流程，解放部分程序的工作壓力，促使程序將更多的精力放在更重要的地方，在實際的商業項目中節約時間與資源，呈現更真實的效果，越來越多的人逐漸開始嘗試這一新技術。

迪士尼是第一家使用PBR流程的企業，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渲染技術已經發展了二十多年，自1995年第一部完全使用計算機技術制作的電影作品《玩具總動員》上映以來，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。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題，但是它在材質的表達上已經達到了本時代的巔峰。在數字媒體技術發展的當下，引擎電影渲染作品正借鑒各個領域優勢，這也促使PBR流程在引擎電影渲染作品中的運用，使得它有了新的魅力。

一、PBR流程在引擎電影中的優勢

PBR流程具有高效、參數化和真實這三大特點。PBR流程運用于引擎電影中，很大程度上為獨立藝術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，這一點在實際項目中尤為重要，并且可以投入到絕大多數引擎電影的制作過程中。與傳統渲染流程相比，PBR流程參數調節減少，學習成本降低，表達能力變強，參數基于物理更易調節。一般在項目中，獨立工作室中高水平（TA級）的美術做出來的東西是可以達到或者超越PBR流程的。但是在流程未有一個規范、系統的框架下，且場景愈發復雜的情況中，美術的自由發揮則極易導致項目的崩潰，最終致使項目的夭折。PBR流程則是克服了以上問題，其強大的工作流程，確保大量作品風格的統一。PBR流程不需要純手動在ps中繪制細節，只需要交給Quixel SUITE這類基于PBR框架下的貼圖生成軟件，自動進行計算隨即可生成各個貼圖，將項目中美術的工作量從周縮減到小時。而且PBR流程與幾大引擎可以直接對接，只要制作貼圖前設置好將要使用的引擎，就可以導出與該引擎匹配的貼圖，基本上在substance painter這類PBR流程軟件中顯示的效果就是最終呈現在引擎里的效果，在很大程度上減輕了純美術方面的負擔，不用反復修改，提高工作效率。其次，PBR流程具有參數化的特點。藝術工作者的主觀想法必然滲透在其作品中。在把設計轉化成產品時，PBR工作流提供了類似于公式般的直觀效果。以金屬為例，傳統次世代更多的是做到藝術上的接近金屬材質，未有一個參數化的標準。這種抽象的思維藝術工作者可以理解，但是換成圈外人可能就難以消化。PBR流程理清了思路，趨向于及時反饋和所見即所得。最后，PBR流程還具有真實這一特點，PBR流程與傳統渲染流程主要區別在于模擬方式不同，傳統渲染模擬現象，需要什么效果就專門寫個材質來模擬，而PBR模擬的是物理過程，遵從物理法則。PBRshader在模擬真實方面已經超越了原先的材質系統，能夠讓模型在統一光照下在Specular和Gloss上很清楚地看到不同Shader下的相同物體的材質表現差別。

二、PBR流程在引擎電影中的問題及解決途徑

（一）掌握難度大

目前，PBR流程仍處于發展階段。因為PBR流程最初是服務于游戲美術行業的，所以對于已經完備知識體系的電影工作者來說，理解PBR流程中的材質是有一定困難的，PBR流程的參數調節幾乎無法與既有的經驗對應。首先，PBR流程與傳統渲染流程相比在材質貼圖的使用上有較大差距。在metallic屬性上，Metallic實際上等同于傳統渲染流程中的FO，即菲涅爾反射中與攝像機垂直的面額反射率。BPR流程中fo值為1時是金屬，值為0時是電介質。其次，在傳統離線渲染流程中，藝術工作者對于材質屬性的調節往往是按照自己主觀的想法、經驗和知識，而在PBR流程中僅rougness和F0可以控制反射強弱，束縛藝術工作者的創作空間。由此可見，按照傳統引擎電影渲染流程的方法調節PBR流程的參數是不可取的。因此，PBR流程引擎電影渲染技術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。當然貼圖材質也可以減少使用或不使用純手繪的傳統方式，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、血跡等全部都通過軟件生成，所見即所得。通過這種方式，可以大大減低PBR引擎電影渲染流程的難度。

（二）作品風格單一且油膩

大多數觀看過基于PBR流程的引擎電影的觀眾都有一種感覺，畫面絢麗，卻沒有了自己的風格，有些鏡頭依舊暴露其cg化的弊端。第一，引擎電影過于油膩。具體表現在某些引擎電影中應該是光滑、濕潤或者是反光的地方卻給人一種蒙上了一層油的感覺，或者很多坑坑洼洼的地方卻沒有劃痕。其實這都是濫用specular和grunge的貼圖的結果。在只使用高強度的specular不使用HDR（天空球）的情況下就會出現像蠟一樣白色的高光，造成畫面油膩的錯覺。一般情況下，油膩感是來自于引擎，PBR流程讓人們不再憑感覺調節材質參數，而是根據真實的物理屬性調節，如果美術沒有胡亂調節參數，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試調，彌補軟件與軟件間的參數差距，對一個商業項目來說非常的不劃算。第二，離線渲染作品缺乏藝術性。由于PBR流程的主要優勢在模擬真實，減少可調節參數，降低出錯率，以達到風格統一這一目的，但是這也導致了一個嚴重的問題。某些軟件也考慮到了這一方面，所以它會在基本的PBR參數上增加一個參數來稍微控制一下FO的強度。比如虛幻4引擎的材質屬性的調節中就有一個specular屬性，這個specular屬性與傳統的specular屬性不同。它實際上控制的是讓FO能夠從0.02到0.06（自然界中非金屬物質FO為0.02到0.05）進行變化。讓藝術家有更多可調節的參數，促使作品風格化。基于PBR流程的引擎電影可以通過天空球來豐富反射，避免白花花的高光出現。

（三）材質表達缺失

pbr流程技術的主要優勢在電介質和金屬這兩大材質的表達。雖然它已經可以非常優秀地模擬人們日常生活中遇到的大多數材質，但是材質庫還有待完善。一般而言，引擎電影中都會運用到各種各樣的材質，而pbr流程中缺失對透明材質和皮膚3s材質的表達。不僅如此，PBR流程通常只計算shadow和mask，對于粗糙度大的表面多次反彈沒有計算。如果將PBR流程運用到整個引擎電影制作過程中，必然會出現錯誤。當然這些問題也不是不可以解決的。第一，對于可接受范圍內的差異可以通過iray這種GPU渲染器來彌補。第二，對于透明材質和皮膚3s材質球的缺失可以通過減少出現次數或避免出現這類材質的物體來彌補，或者選擇同時支持PBR流程和自帶sss材質球和透明材質的渲染器來制作，比如maya的anrold渲染器中的Skin sss和Skin材質。現今獲得成功的基于PBR流程的離線渲染作品多為充滿未來感的動畫片。所以由于側重點不同，PBR流程的離線渲染作品題材應多為科幻、架空，增加場景的科技感，避免地面濕潤、積水的場景使用。第三，可以通過利用視覺誘導的方式，引導觀眾的視線。在影片中設置視覺中心，將無法避免出現的透明材質和sss皮膚材質隱藏在視覺中心以外，使觀眾注意力主觀跟隨視覺中心移動，弱化缺點，從而彌補材質缺失帶來的不真實感和突兀。

三、結論

PBR流程將越來越多地廣泛運用于引擎電影中，顛覆以往的制作流程。隨著epic公司宣布虛幻4引擎免費開放使用，開發者僅需支付5%的版權費用，越來越多的游戲公司將注意力從游戲轉移到電影制作上，購買大IP制作同主題電影。PBR流程的出現極大地提高了畫面效果，降低了引擎電影的制作門檻，其效果甚至開始達到影視級別的效果。但是PBR流程才剛剛起步，其還存在諸多問題，作品cg化、風格過于統一、透明材質及3s材質表達缺失等。通過本文前面的闡述，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來渲染場景，可以更好地發揮PBR流程的優勢，降低制作難度。

第二，在場景中使用天空球可以很好解決物體反射油膩的問題，增加場景真實度，同時理性地使用specular貼圖也能在一定程度上改善油膩感。引擎電影的風格化可以通過編寫shader的代碼達到，并將制作難度降低。

第三，基于PBR流程的引擎電影應側重于科幻、架空題材的作品，減少水和其他物體交互的場景出現概率，并通過誘導的方式吸引觀眾視線，盡可能地減少因材質缺失帶來的影響。

相信不久的將來，富有高效、理性和真實的PBR流程引擎電影會越來越多地進入觀眾的視野。

參考文獻：

[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.基于材質的事實渲染場景組織技術[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2009（06）.

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

作者簡介：

李怡婷（1995-），女，江蘇揚州人，南京信息工程大學數字媒體藝術本科生。