PBR方法制作次世代3D游戲道具全流程＊

何勰緋，粟云露

(廣州工程技術職業學院信息工程學院，廣東 廣州 510999)

0 引言

隨著移動終端技術的迅速發展，人們對于網絡游戲在自由度、真實性、多樣性上的追求也逐步提高，次世代游戲逐漸成為當下主流的游戲類型之一。次世代游戲相較于傳統游戲，運用了更為先進的材質貼圖、物理渲染等技術，以及統一標準化的工作流程，讓玩家在游戲中體驗到前所未有、更為真實的3D視覺效果。

1 次世代

“次世代技術”是指尚未廣泛應用的先進技術。“次世代游戲”則是指超前于當前傳統游戲的新型技術而制作出的游戲。

次世代游戲和傳統游戲相比，在模型優化上有了極大程度的提高。次世代游戲采用全新的烘培技術，相比于傳統的方法更便捷，全新的紋理繪制，效果比傳統游戲更直接，更高效，借助高端引擎提高網絡游戲的畫面效果，使游戲模型與場景看起來更真實，給玩家帶來更加刺激的感官體驗；新穎的操作方式以及良好的互動性受到了廣大玩家的關注與喜愛，這些特點顛覆了人們對于傳統電子游戲的認知，次世代游戲也開始在游戲產業中迅速發展，逐漸成為當下主流的游戲類型之一。

隨著網絡技術的提高以及硬件設備的普及，人們越發追求較好的畫面真實感，這使得次世代技術應時而生，很好的滿足了當下的需求，其基于物理規則的渲染，效果更加貼近真實，推動如今游戲中的3D 體感裝置、虛擬真實技術不斷開發，愈發成熟，次世代游戲技術已然成為游戲產業中先進技術的代表，甚至被歸為第九藝術。次世代游戲在不斷地沖擊著游戲文化、影視娛樂市場的同時，也潛移默化地改變著人們對于游戲藝術的追求，如圖1所示。

圖1 次世代3D游戲制作流程

2 次世代PBR流程

3D 游戲道具制作流程包括：3DMax 制作中模，ZBrush 雕刻高模，Maya 拓撲低模，MayaUV 拆分，Toolbag 或Substance Painter 烘焙貼圖，Substance Painter繪制材質，Marmoset Toolbag渲染等（圖1所示），而從烘焙到材質貼圖這后半部分的流程就稱為PBR流程[1]。

次世代PBR 流程統一且有具體的規范，貼圖制作不再手工化，制作效率大大提高，不需要再考慮光照的影響，按照這個流程制作次世代游戲模型，使工作效率有了質的飛躍。正是由于統一性、標準性，制作的總體流程順序不變，所以開發者可以根據情況選擇更合適的軟件進行階段性開發。例如，Maya、Blender也可以建中模，并不僅僅局限于3D Max；拓撲可以使用Maya 完成以外，也可以使用3D Max、TopoGun 等軟件達到預期效果；模型UV 的展開，可以用Rizom UV 來達到與3D Max 相同的效果，而且Rizom UV 效果更加，更便捷，更迅速，操作更簡單；部分烘培過程如Normal 貼圖，也可以選用3D Max 或 者Maya 來進行烘培。

3 認識次世代PBR材質

3.1 認識PBR材質

PBR（Physicallly-Based Rendering），是一種基于物理規則的渲染技術。簡單來說，就是一種能對光在物體表面的真實物理反應提供更精確著色與渲染方法。在渲染管道中的不同環節，它也會被稱為物理著色（Physically Based Shading，PBS），PBS 通常是指著色，而PBR 通常是指渲染和光照，被游戲業廣泛使用。

3.2 PBR材質的應用效果

PBR 最早應用于照片級真實渲染的電影，如《猩球崛起》、《頭號玩家》就是運用了PBR 流程技術，影片畫質的真實感和細致程度得到提升，優化了制作流程，縮短了影片的制作周期，優化了次世代游戲流程。

隨著計算機硬件設備性能的提高和5G 網絡的廣泛應用，PBR 材質貼圖在電腦端與虛擬現實設備端中廣泛運用，移動端游戲里也能流暢運行。游戲中的人物、道具、場景都做得精致到位。人物皮膚光滑細嫩，發絲清晰亮澤，光影表現明暗有致立體感大大加強[2]，材質表現更加精致到位（如圖2），無論是場景，還是裝飾紋理都體現了PBR 流程的優越性，使玩家得到沉浸式逼真的感官體驗，目前幾款知名的3D 引擎比如UnrealEngine、CryEngine、Unity 3D 等，均使用了PBR材質貼圖流程[3]。

圖2 PBR材質的效果

3.3 PBR材質貼圖的優越性

傳統的渲染技術流程通常使用Diffuse、Specular、Normal這三種貼圖來表現模型的基本屬性、細節和質感。通過Diffuse貼圖來表現模型的基本顏色，有時會將AO 貼圖疊加Diffuse 貼圖上；通過Specular 貼圖來調控模型的質感；通過Normal貼圖來突顯模型上的高低紋理細節。傳統的渲染技術是基于貼圖的，Diffuse貼圖上的光照信息通常是通過繪制或烘焙上去的模擬光影，不同的模型使用同一張Normal 貼圖或Specular 貼圖整體上類似[4]。運用次世代PBR 游戲流程，能更好的表現出表面的污漬、破損、灰塵，以及把手部分的布料、金屬材質，如圖3 所示。污漬更加自然、破損也更貼近生活，把手的布料表現得是那么細膩清晰，而大體的金屬質感也是十分的逼真，PBR 材質流程是基于物理規則的渲染技術，而模擬出來的，無論是真實感效果的紋理表現，還是流程制作的效率，與傳統渲染技術（如圖4）相比更具優勢[5]。

圖3 PBR材質

圖4 傳統手繪

3.4 PBR主要貼圖材質簡介

PBR 的渲染流程主要使用了Albedo、Normal、Metallic、Roughness 這四張貼圖來表現模型的明暗層次、紋理、金屬程度、光滑程度。Albedo 相對于Diffuse貼圖的區別是：僅保留模型對象的固有色，無需光照信息，光影信息交給渲染本身來完成，即不需要通過繪制或烘焙去模擬對象的光影情況，在節省時間的同時，提高了流程制作的效率[6]。Normal 貼圖和傳統流程都是紋理呈現，最大區別在于Metallic、Roughness貼圖，Metallic表示材質的金屬度，Roughness控制材質貼圖的粗糙度，兩者都是0到1的值域。

以Metallic 為例，0 表示絕緣體材料，就比如橡膠、木材、混凝土、玻璃、布料等等無金屬性的材料，1 表示導體金屬材料，就比如金、銀、銅、鐵、鎂、鋁、鎢，Metallic 是指定紋理貼圖是否是金屬，對于如生銹、腐蝕、破損等混合表面的金屬材質，值域在0 到1 之間，調整數值就可以調控材質金屬度。

4 次世代PBR 3D游戲道具制作

4.1 制作前的準備工作[7]

在制作模型前，要找到預想中的參考，次世代模型的制作，更加需要優質的參考，大至造型結構，小至紋理細節。

4.2 制作中模

模型制作的方法和軟件有很多，如3D Max、Maya、Blender。以3D Max 軟件制作為例，先創建平面，將參考圖導入其中，再創建基本幾何體，轉為可編輯多邊形，配合修改器命令，如切角、擠出、插入等，搭建中模[8]。

4.3 高模雕刻

在3D Max 里制作好中模，導入ZBrush 進行細節的雕刻，如劃痕、破損、磨邊等一些效果（如圖10）。在ZBrush 中，熟練的使用雕刻筆刷，如Standard、ClayBuildup 筆刷繪制雕刻模型，Move 筆刷移動模型調整大型，Damstandard 筆刷雕刻尖銳的細節，Flatten筆刷給凹凸不同的表面變得平整，還有Smooth筆刷用于平滑表面，MaskPeny 是遮罩筆刷，通過數位板壓感，Z 強度、焦點衰減，以及Alpha 遮罩，可以繪制出豐富多彩的紋理效果。

4.4 低模拓補

導入高模，進行低模拓補。創建端點，三點首尾相連圍成三角面，或者四點首尾相連圍成四邊面，不斷的用三角面、四邊面，去包裹高模。拓補有兩點要注意，線段與線段之間不能出現交叉，面與面之間不能重疊。

4.5 低模展UV

拓補好的模型導入進Rizom UV 軟件，可以快速、便捷的完成UV 的展開，相比較Maya、3D Max 會稍微快一些。模型展開之后，將UV排布整齊緊湊。

4.6 烘培材質貼圖

低模、高模完成之后烘培法線(Normal)貼圖。開發者可以借助次世代游戲主流的材質貼圖軟件Substance Painter 工具制作PBR 材質。Substance Painter 是實時渲染的3D 繪畫軟件，支持PBR 基于物理規則的渲染流程，按照材質在現實世界中體現出來的物理屬性，渲染模型，運用智能遮罩、智能材質、程序紋理、物理筆刷等實現材質貼圖的快速創作[9]。將制作好的低模導入Substance Painter 中，再添加高模的模型，在烘培時，把高模的紋理細節烘培到低模上。借助的載體就是法線(Normal)貼圖，烘培法線貼圖外，把世界位置(World space)貼圖、位置(Position)貼圖、ID貼圖、AO(Ambient Occlusion)、曲率貼圖、厚度貼圖，這些貼圖在繪制之前就要把信息全部烘焙出來，繪制好的貼圖效果展示[10（]如圖5）。Substance Painter軟件自帶了許多硬表面材質，對于金屬感較強的模型對象和硬表面模型，材質貼圖創作會更加輕松自如。為模型增添更加豐富的細節，比如墻壁的花紋，磨損，臟跡等效果都可以在Substance Painter中實現。

圖5 六種貼圖效果展示

4.7 模型渲染

將模型、貼圖導入進八猴(Marmoset Toolbag)進行渲染，也可在虛幻引擎4(Unreal Engine 4)中進行實時渲染，調節參數，觀察效果，檢查模型材質貼圖是否有問題

5 總結[11]

次世代PBR 流程的出現讓3D 模型的真實感有了質的飛躍，而次世代PBR 流程的紋理貼圖不僅僅在虛擬動畫廣泛運用，也走向了模擬仿真，不論是在虛擬現實技術還是在增強現實技術中，模型仿真度越高用戶的沉浸感越強，不僅如此，正式由于PBR 基于實際物理學原理的標準作為研究方向，所呈現的效果才會越真實，才會更貼近現實生活，虛擬現實技術和增強現實技術的發展才如火如荼，未來的發展令人期待。