適用于VR/AR專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)的基于物理渲染的材質(zhì)庫(kù)研究和應(yīng)用

查雁南

摘要：近年來(lái)，我所在的學(xué)院計(jì)算機(jī)仿真研發(fā)中心使用了現(xiàn)今流行的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了十?dāng)?shù)款虛擬仿真軟件，覆蓋了地產(chǎn)、藝術(shù)設(shè)計(jì)、餐飲、旅游、石油化工、公共安全、軌道交通以及電力系統(tǒng)等行業(yè)。并打造了服務(wù)于學(xué)校師生和合作企業(yè)的VR/AR專業(yè)應(yīng)用平臺(tái)，來(lái)提升學(xué)校以及相關(guān)企業(yè)在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）行業(yè)可持續(xù)發(fā)展性。其中對(duì)于基于物理渲染系統(tǒng)的材質(zhì)庫(kù)的推廣和使用，大大提升了學(xué)校和企業(yè)在VR視覺(jué)開(kāi)發(fā)上的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);基于物理的渲染;材質(zhì)庫(kù)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，VR系統(tǒng)搭載的硬件有PC端、頭盔端、移動(dòng)端、行業(yè)定制端等，近年來(lái)，VR行業(yè)隨著從業(yè)人數(shù)的增長(zhǎng)，國(guó)家推廣以及社會(huì)應(yīng)用層面的普及，漸漸的由階梯式成長(zhǎng)變得穩(wěn)定下來(lái)，硬件的更新也趨于平緩，在未來(lái)幾年，VR集成商重硬件輕內(nèi)容的行業(yè)模式難以為繼，開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)的VR軟件將會(huì)成為首要目標(biāo)，而在VR內(nèi)容開(kāi)發(fā)方面大部分的團(tuán)隊(duì)都把人力資源用在程序開(kāi)發(fā)上，在三維技術(shù)，也就是視覺(jué)開(kāi)發(fā)上投入明顯不夠。

現(xiàn)市面上的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件的視覺(jué)內(nèi)容開(kāi)發(fā)水平參差不齊，經(jīng)過(guò)對(duì)各大領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的對(duì)比和研究之后發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)原因：一，在VR市場(chǎng)發(fā)展初期，軟件作為硬件的附屬品，往往不考慮其本身的實(shí)用性，利用各行業(yè)對(duì)于新概念的好奇心，開(kāi)發(fā)了太多同質(zhì)化的低端VR軟件，用于配合硬件占領(lǐng)市場(chǎng);二，在VR市場(chǎng)深化發(fā)展的今天，低端VR產(chǎn)品已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)生存，開(kāi)發(fā)有競(jìng)爭(zhēng)力的新技術(shù)產(chǎn)品需要投入的人力和技術(shù)升級(jí)成本比較大，企業(yè)難以轉(zhuǎn)型成高端的VR內(nèi)容集成商;三，產(chǎn)品沒(méi)有和行業(yè)背景深度關(guān)聯(lián)，在虛擬視覺(jué)場(chǎng)景和虛擬道具的制作上達(dá)不到身臨其境的真實(shí)體驗(yàn)，在體感設(shè)備的程序交互設(shè)計(jì)上也是老三樣，別人怎么交互，我也照抄，沒(méi)有創(chuàng)新，沒(méi)有考慮到使用者的真實(shí)的實(shí)用需求，這樣毫無(wú)沉浸感的虛擬體驗(yàn)犧牲了VR軟件最大的優(yōu)勢(shì)

在目前的軟件引擎條件下，要以較低開(kāi)發(fā)成本，開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的VR產(chǎn)品，最優(yōu)的辦法就是在視覺(jué)開(kāi)發(fā)流程中使用帶有基于物理渲染（Physically-based rendering簡(jiǎn)稱PBR）的材質(zhì)。比如開(kāi)發(fā)房地產(chǎn)類的VR軟件，我們就需要一套建筑方面的材質(zhì)庫(kù)，開(kāi)發(fā)醫(yī)療科技的VR軟件，就需要一套生物材質(zhì)庫(kù)。

基于物理渲染系統(tǒng)，是目前市面上最為流行的虛擬引擎渲染系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)VR內(nèi)容開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)大部分使用的是unity3d，少部分使用unreal 4，這2款開(kāi)發(fā)引擎都搭載了具有基于物理渲染特性的實(shí)時(shí)渲染系統(tǒng)。PBR最大的特點(diǎn)就是在不同的虛擬燈光環(huán)境下，其材質(zhì)的表現(xiàn)和實(shí)際物體在該燈光下表現(xiàn)的物理特性一致，在虛擬的環(huán)境里面實(shí)現(xiàn)了該物體的真實(shí)的反射和折射，這就對(duì)材質(zhì)本身所反映出來(lái)的物理數(shù)據(jù)要求比較高，如果制作出來(lái)的材質(zhì)本身的物理數(shù)據(jù)不正確，表現(xiàn)出來(lái)的視覺(jué)效果就會(huì)有偏差。而要想達(dá)到好的效果就得使用被認(rèn)可的達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平的PBR材質(zhì)庫(kù)，下面我將從3個(gè)途徑來(lái)講講如何獲取較為優(yōu)質(zhì)的PBR材質(zhì)，用來(lái)提升VR內(nèi)容的視覺(jué)真實(shí)性。

首先，最容易獲取PBR材質(zhì)的方法就是直接購(gòu)買了，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的PBR材質(zhì)提供商，國(guó)外有一些公司提供成套的材質(zhì)庫(kù)。其中最大的且最優(yōu)質(zhì)的材質(zhì)庫(kù)提供商有2家：Megasacn和Substance Source。Megascan的材質(zhì)大部分是由其員工通過(guò)大型的材質(zhì)掃描儀進(jìn)行掃描之后再進(jìn)行人工的再處理，這種處理方式造成了其價(jià)格比較昂貴，雖然每個(gè)材質(zhì)的文件數(shù)據(jù)比較龐大，但是其在虛擬引擎里面表現(xiàn)出來(lái)的效果在所有材質(zhì)庫(kù)里面算是最好的。而Substrance Source的材質(zhì)庫(kù)則是通過(guò)PBR節(jié)點(diǎn)式制作軟件Substance Designer生產(chǎn)出來(lái)的，這種由底層PBR節(jié)點(diǎn)生成的材質(zhì)，具備非常高的可調(diào)節(jié)性，并且占用的文件比較小。官方也經(jīng)常會(huì)將民間的材質(zhì)高手通過(guò)Substance Designer制作出來(lái)的優(yōu)質(zhì)材質(zhì)收錄到官方材質(zhì)庫(kù)里面。

其次，想要獲得一些項(xiàng)目需求的PBR材質(zhì)的時(shí)候，我們可以通過(guò)相關(guān)的PBR材質(zhì)編輯器，Megasacn和Substance Source都有自家配套的材質(zhì)編輯器：Mixer和Alchemist。通過(guò)材質(zhì)編輯器我們就可以對(duì)原有的材質(zhì)通過(guò)程序或者畫筆蒙版進(jìn)行堆疊，制作成項(xiàng)目需要的PRB材質(zhì)。Substance Source的程序材質(zhì)屬性，Alchemist既可以改變材質(zhì)本身的相關(guān)屬性，比如顏色、特征、對(duì)比度等，還可以進(jìn)行多個(gè)材質(zhì)的堆疊。在材質(zhì)編輯的多樣化方面Alchemist是非常突出的。

最后，如果使用現(xiàn)有的材質(zhì)庫(kù)，或者通過(guò)再編輯的方式還不能滿足項(xiàng)目要求，那就可以購(gòu)買一臺(tái)小型的PBR材質(zhì)掃描儀。你想要制作什么材質(zhì)，就把該物體放入到掃描儀里面掃描并得到材質(zhì)貼圖。目前只有美國(guó)提供有PRB材質(zhì)掃描儀的購(gòu)買，下圖是我在某個(gè)創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目里面使用PBR掃描儀獲取的瓷磚材質(zhì)：

以上就是獲取PBR材質(zhì)庫(kù)的常用方法，通過(guò)長(zhǎng)期的項(xiàng)目積累，可以將使用過(guò)的PBR材質(zhì)分類保存，這樣遇到同樣類型的項(xiàng)目的時(shí)候，就會(huì)有更高的起點(diǎn)，而不需要再進(jìn)行海量的搜索，長(zhǎng)期使用PBR材質(zhì)庫(kù)進(jìn)行項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，不僅能提高項(xiàng)目的質(zhì)量，還會(huì)加深開(kāi)發(fā)人員對(duì)于PBR的深度理解，這樣良性循環(huán)之下，項(xiàng)目的檔次才會(huì)越來(lái)越高。