基于物理渲染技術創建次時代角色模型的流程探究

摘要：隨著網絡科技發展不斷升級迭代，虛擬現實（Virtual Reality）技術和次時代引擎技術在高速率、低延遲的5G技術下必會迎來大幅度增長。人們在不斷追求高級圖形視覺效果過程中，逐漸推動了真實感渲染技術的發展。本文運用符合物理規律的方法，闡述一套基于真實世界光照物理的人物模型創建流程，從而總結本次次時代角色相關服飾、道具的材料性質及質感表現，并分析相關類型創建方式的共通性。

關鍵詞：物理渲染技術;PBR;次時代;角色模型;BRDF

一、基于物理的渲染技術（PBR）概述

“PBR（Physically Based Rendering）是基于物理規律模擬的一種渲染技術，最早用于電影、照片等真實感的渲染。”[1]這類渲染方式通常遵循光源與物體表面間的數值模擬，來表達最終預測的圖形外觀。而且在實際應用中，可以通過調節具體物理參數的數值表現預期效果。目前基于PBR流程創建次時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、理性和真實這三大特點，很好的解決了傳統引擎電影渲染技術的問題。”[2]這些特點在創作流程中更多的展現給制作者的是直觀的圖形結果，能夠在同一光照下看到賦予不同材質和貼圖的Shader效果。

二、迪士尼原則BRDF（雙向反射分布函數）

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，能夠將復雜的物理材質屬性用11種非常直觀可見的變量表達出來，所以在游戲界、影視界等引起了大規模的轟動并廣泛沿用至今。

在迪士尼原則BRDF的11種調節材質外觀的參數中，每一個參數有效取值范圍都為[0，1]，在該參數范圍內的任何取值都可以被判定為有效材質屬性。通常在M-R工作流創建次時代角色模型中主要以參數BaseColor、Roughness以及Metallic來體現材質外觀。其次為更能模擬真實世界光照下不同材質的特性，所以通常會在anisotropic、sheen、sheenTint等參數中調節屬性，或者為其繪制單獨的貼圖，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調節權重大小。

三、次時代角色模型創建流程

（一）模型搭建階段

次時代角色模型創建方式與傳統方式大體相同卻又略有差異。從宏觀角度出發，二者均采用多邊形建模、網格建模與面片建模方式。兩種創建流程根據不同需求其差異性分別體現在如下描述。傳統創建方式下，整個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。而次時代角色模型創建過程由于追求更高級、更逼真的視覺圖形效果，所以需要運用不同軟件的特性來深入模型細節。

（二）Marvelous Designer布料模擬

Marvelous Designer是一款基于三維服裝可視化技術，由韓國CLO Virtual Fashion Inc.開發的服裝設計與布料模擬軟件。目前布料動畫技術作為計算機圖形學中研究的重要領域之一，“多年來以自身實際需求為目標，并將大量的研究成果應用到了電影制作、三維游戲以及虛擬試衣等領域中。”[3]

在Marvelous Designer軟件界面中，服飾創建方式與生活中服裝板片裁剪與縫合高度吻合。所以次時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行布料解算的環節。在軟件進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生的柔體運動變化和結果。隨后根據實際需求選擇對板片重新拓撲或者利用Zbrush軟件更深入調整細節。

（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格頂點的信息都和二維空間內的點逐一對應。“UV紋理空間使用U方向和V方向來定義二維空間中的軸向?！彼訳V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。

為優化三維模型制作流程的效率、提高模型最終效果，針對UV展開的實際操作流程規定了如下拆分原則：①最大程度保證UV紋理空間內圖形不產生變形、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在視覺顯眼處或者攝像機范圍內。④合理規劃UV圖形的分布和擺放。

（四）運用M-R工作流在Substance Painter中烘焙、繪制貼圖

在目前的實踐運用中，利用PBR流程創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別在與對于非金屬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工作流則更需要準確的數值來確保能量守恒法則成立。

1.BaseColor

Basecolor譯為固有色、基礎色，是物體剔除光影變化后呈現出來的色彩，用于提供模型顏色信息。在Substance Painter繪制次時代角色皮膚質感貼圖一般根據需求來決定最終效果。以下步驟為真實感皮膚效果表達提供思路。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各種色基，入血紅蛋白、膽紅素和黑色素決定?！盵5]根據光譜學中描述血液含量對皮膚顏色的影響可建立下列顏色遮罩圖層：紅色、藍色、紫紅色、褐色四個基本顏色。上述顏色分別對應表現為皮膚毛細血管易突顯處（鼻部、耳朵、眼眶至顴骨）、血液循環淤堵、血絲、黑色素沉淀（斑點、痣等情況）。③根據實際需求進一步豐富步驟二圖層。④創建嘴唇、眼眶內部固有色貼圖并提取Curvature貼圖信息調節皮膚紋路細節。⑤根據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流程中表現模型質感的重要手段之一。在實際運用過程中，可以通過Roughness貼圖調節同一物體的不同位置的粗糙程度，其目的都是為了增強物體真實感。Substance Painter這款軟件為粗糙度的調節提供了更為便捷、直觀的操作方式，像創建BaseColor貼圖信息一樣，只需建立含有Roughness屬性的圖層便可以實現。以上一步完成的BaseColor貼圖信息繼續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、關節處繪制高光，服飾高光和盔甲等均以其固有面料和材質決定。

3.Metallic

Metallic譯為金屬性、金屬度，在M-R工作流中可以用Augustine Jean Fresnel提出的菲涅爾效應來解讀?！胺颇鶢柆F象是指當表面的觀察方向從‘垂直’到‘逐漸與表面平行’的變化過程中，表面的反射能力（包括對光源的反射《即所謂的高光》和周圍其他物體的反射）會逐漸加強。”[6]即金屬度由無到完美鏡面的變化過程。在實際創作中也應根據物體最終呈現的表面屬性來決定其金屬性，例如金屬經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渲染材質貼圖并整合

Marmoset Tooolbag是一款實時渲染和預覽三維場景的預覽軟件，需要將之前所建的模型、貼圖、材質導入進此軟件并依據一定的物理渲染原理整合在一個工作框中，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

基于物理的渲染技術制作出來的模型貼圖具有真實性、高效性和理性的特征，在迪士尼BRDF原則的渲染參數規定下，促使了各大引擎平臺進行技術的更新迭代。利用PBR技術制作出來的貼圖參數可以在主流引擎平臺中互相輸入與輸出，極大的推動了虛擬現實技術的發展。

綜上所述，基于物理渲染技術的發展在人物模型的創建過程中為其規定了基本的參數，創作者可以利用現有的數據對人物形象進行在創造，采用時下流行的三維技術手段，將次時代角色以多種光怪陸離的組合方式展示給觀眾，滿足當下人們對未知事物想象力的精神盛宴。

參考文獻：

[1]張雨辰;.淺談PBR技術對數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.基于位置動力學的布料動畫技術研究[D].陜西：西安電子科技大學，2014.DOI：10.7666/d.D727164.

[4]李曙光.三維模型的UV拆分技術分析——以Headus UVLayout為例[J].綏化學院學報，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皮膚光譜的影響[J].光譜學與光譜分析，2007：97-100.

[6]廖玲.菲涅爾現象及其在Maya中的應用[J].中國科教創新導刊，2012：78-79.

作者簡介：謝崇瑾（1997—），女，漢，重慶永川，碩士，四川音樂學院成都美術學院，三維數字方向。四川 成都，郵編 610500。