计算机三维动画中的Substance贴图应用

吕 鑫,郝莎莎

(1.安阳师范学院计算机与信息工程学院,河南安阳 455002;2.安阳师范学院美术学院,河南安阳 455002)

计算机三维动画中的Substance贴图应用

吕 鑫1,郝莎莎2

(1.安阳师范学院计算机与信息工程学院,河南安阳 455002;2.安阳师范学院美术学院,河南安阳 455002)

随着计算机图形技术的日趋完善,人们对三维动画的视觉要求越来越高。为了有效提高三维动画中贴图的质量和制作效率,将Substance贴图技术应用到三维动画的制作流程中。这种贴图方式是基于Allegorithmic公司技术研发的一种革命性的贴图形式,具有体积小,模拟效果好等特点。本文研究如何将Substance实际应用于动画中,并介绍了如何实现Substance贴图的方法。

Substance;贴图;计算机动画

三维软件中的模型需要通过贴图来实现模拟物体外表,增加物体美观性,这项技术就是纹理映射。纹理映射技术已经趋于成熟,在计算机动画中主要有两种常用贴图方式,2D贴图和3D贴图。2D纹理贴图通常是将贴图2D的纹理贴图投射到3D的物体对象表面,或用作环境贴图来为场景创建背景。2D贴图中大多数是由程序生成,可称之为程序2D贴图;另一种2D贴图是位图贴图,也是2D贴图中较为常用的方式,它可以允许用户使用自定义图片投射到物体表面,结合三维软件中的定义UV坐标的命令来给指定物体定义UV坐标信息,使自定义图片正确显示。3D贴图是根据程序以三维方式生成的图案。3D贴图不需要贴图坐标即可进行渲染。但是这种贴图方式对计算机硬件要求较高,目前的解决方式是需要通过纹理压缩来实现高质量的细节贴图。

1 传统贴图在应用中的问题

2D纹理映射技术有着天生的缺陷。一是2D纹理贴图与分辨率有关。当纹理贴图较小时,投射到3D物体表面的纹理会呈现马赛克或模糊不清的效果。较大分辨率的贴图可以使3D物体表面呈现较多的细节。较大分辨率也会占用更多的计算资源,占用有限的存储量和带宽。由于位图是由彩色像素的固定矩阵生成的图像,所以放大会有像素格出现,这使得动画在设计镜头时尽量避免近景或特写镜头;二是纹理走样。在位图贴图中,出现了显示扭曲、接缝明显或不正确显示等问题。3D贴图虽然可以解决部分2D贴图的问题,但3D贴图应用的对象具有贴图坐标时才会在视口中显示3D贴图,而且3D贴图对硬件要求较高,渲染图像时间较长,需要占用大量的计算资源。

2 基于Substance的动态2D纹理贴图

Substance是基于Allegorithmic公司技术研发的一种革命性的材质形式。它具有很小的体积,可以最大限度的缩小文件量。这种贴图方式介于2D与3D贴图方式之间,可以很好模拟写实感的材质。其内置80个程序性材质,可以实现动态调整贴图并且可以100%显示实时动态效果,调节参数中还包括自定义解析度等许多可以自定义的参数设置。一个Substance是一个Map集,用编辑器中所产生的参数(Diffuse,Normal, Specular,Bump等)来共同定义整个材质的最终效果。Substance文件也可以输出成为传统贴图方式的文件。它的出现顺应了目前计算机动画及游戏中的要求和大趋势。

Substance是动态2D纹理,因此把传统贴图从受分辨率限制的方式中解脱出来,动态2D纹理占用的内存和磁盘空间很小,适合于通过Allegorithmic Substance Air中间件服务导出到游戏引擎当中。目前Unreal○REngine 3,Emergent Gamebryo○R,Unity以及Autodesk○R3ds Max2012,Maya2012,Flame已经将其集成其中。

3 使用substance在计算机动画的应用

这种动态2D贴图的方式在游戏制作中已经开始普遍应用,但在动画制作中还应用较少,下面是以Max为应用环境来实现Substanc的应用。

3.1 Substance的界面

在3DS Max中,实现对Substance材质的编辑,最好使用Slate材质编辑器(SME)进行设置编辑。Substance的界面包含:Global Substance Settings,Substance Package Browser,Texture Size,Information,Coordinates,Noise几项卷展栏。在Substance Package Browser中加载了Substance材质后,会增加一个很重要的参数卷展栏,即Cardboard Parameters。在这个卷展栏中可以设置Substance的具体参数,实现动态实时显示纹理结果。每种材质贴图都有自己默认的参数集,用户可根据需要调节参数,除特殊说明外,大多数参数可用值范围为0.0到1.0之间。

另一个重要的设置是“Random Seed”参数,该设置也是大多数Substance的公用设置,这也是与其他3DS Max中贴图不同之处。更改该值可以更改纹理的细节,同时保持总体外观不变。该参数的最大好处可以将同一纹理应用在同一场景中的不同物体,而不会出现雷同纹理的情况。

3.2 Substance置换和贴图输出

3.2.1 Substance的置换

Substance贴图的独特之处是它们提供三种不同的置换输出:“Bump”提供高频率的详细置换;“Displacement”提供具有更广置换的低频率输出;“Height”将二者组合到一个输出中。可以根据需要使用输出来最大程度地减少内存使用和渲染时间。例如,可以使用“Displacement”输出来置换网格,而将“Bump”(或“Noraml”)输出作为凹凸贴图。当单独使用“Bump”和“Displacement”输出时,需要配合使用Substance贴图参数卷展栏上提供的“Relief Balance”设置来指定二者之间的平衡。“Relief Balance”值的范围为0.0到32.0之间,32.0是默认值。较高的“Relief Balance”值适用于“Bump”输出,而较低的参数值适用于“Displacement”输出。

3.2.2 Substance的贴图输出

与3DS Max中的大多数其他贴图不同,Substance贴图通常有多个输出。这意味着可以将一个Substance中的不同输出连接到材质中的不同输入,结果因连接不同而各不相同。通常一个Substance具有Diffuse,Specular,Normal,Bump,Displacement等多个不同的输出通道。但是不是所有Substance都具有以上通道,根据选择不同的Substance而具有相应不同的输出通道。

3.3 Substance贴图的应用实例

首先建立好动画中的所需的模型。下面将为场景中的墙面和地面赋予材质贴图。

1)在3DS Max中使用Slate材质编辑器,从材质/贴图浏览器中的“材质”列表中,将材质拖动到活动视图中。在此使用的是标准材质。将这个材质赋予给场景中的“墙”物体。

2)从材质/贴图浏览器中的“贴图”列表,将Substance贴图拖动到标准材质上的漫反射输入插孔。

3)在视图中双击Substance贴图节点,其参数出现在材质编辑器右侧的参数编辑器中。

4)在第一个卷展栏“Substance Package Browser”上,单击“Load Substance……”按钮。将打开查找Substance文件对话框。默认情况下,它显示两个包含Substance文件的文件夹:“Noises”和“Textures”。

5)对于本示例,打开“Textures”文件夹,然后打开BrickWall 02 Substance文件。打开Substance文件之后,3DS Max在Substance节点和材质节点之间自动插入贴图输出选择器贴图节点。对于同时产生一些不同输出类型(或通道)的大多数Substance而言,此节点是必需的。(某些Substance仅产生一种输出类型;这些Substance不需要贴图输出选择器。)可以使用贴图输出选择器更改连接到材质输入插孔的Substance贴图输出类型,而不必重新连接两个节点。由于Substance贴图产生不同类型的输出,可以将同一贴图应用于不同的材质输入。

6)从材质/贴图浏览器中的贴图列表,将法线凹凸贴图拖动到材质上的“Bump”输入插孔。

7)在“法线凹凸贴图”节点上的“Normal”输入插孔和Substance贴图上的“Normal”输出插孔之间拖动。连线后3DS Max会再次在两个节点之间自动插入贴图输出选择器节点。如果依次双击每个贴图输出选择器节点,可以看到第一个节点设置为“Displacement”通道,而第二个节点设置为“Normal”通道。

8)将材质应用于对象,并渲染场景,查看贴图效果。使用同样的方法再赋予地面Substance贴图。

4 结束语

基于Substance贴图,突破了纹理贴图需要依赖分辨率的限制。利用Substance的各种特性,可以大大提高制作效率,完善画面效果。对于Substance应用于动画中的探索才刚刚起步,还有许多问题有待解决,例如在动画中需要各种风格,而目前的Substance只能模拟写实材质的表现,如何能增加更多的画面效果风格需要我们进一步学习和研究。

[1] W Randi L.Derakhshani,Dariush Derakhshani.Autodesk3ds Max2012Essentials[M].America:Sybex,2011.

[2] Kelly L.Murdock.3ds Max Bible[M].America:JO HN W ILEY&SONS INC,2011.

[3] 杨雪果.3ds Max高级程序贴图的艺术[M].北京:中国铁道出版社,2010.

[4] 王岩,陈邑.3ds Max材质与贴图技术精粹[M].北京:机械工业出版社,2007.

(责任编辑:姜久超)

Substance Mapping Application in Computer 3-D Animation

LV Xin1,HAO Sha-sha2
(1.College of Computer and Information Engineering,Anyang Normal University,455002,Anyang,Henan,China; 2.College of Art,Anyang Normal University,455002,Anyang,Henan,China)

With the perfection of computer graphics technology,people demand more and more on three-dimensional animated visual effect.In order to effectively improve the quality of three-dimensional animation,mapping and production efficiency,the Substance mapping technology is adopted in three-dimensional animation process.This mapping approach is a revolutionary mapping form,based on Allegorithmic's technology,which has the chracteristics of small volume and good simulated reality results.This paper studies on how to apply Substance in animation,and introduce how to realize the Substance mapping.

Substance;mapping;computer animation

T P391.4

A

1008-3782(2012)02-0056-03

2011-11-07

吕 鑫(1977-),男,河南安阳人,硕士,安阳师范学院讲师,主要研究方向为计算机动画。