适用于VR/AR专业应用平台的基于物理渲染的材质库研究和应用

查雁南

摘要：近年来，我所在的学院计算机仿真研发中心使用了现今流行的虚拟现实技术开发了十数款虚拟仿真软件，覆盖了地产、艺术设计、餐饮、旅游、石油化工、公共安全、轨道交通以及电力系统等行业。并打造了服务于学校师生和合作企业的VR/AR专业应用平台，来提升学校以及相关企业在虚拟现实（VR）行业可持续发展性。其中对于基于物理渲染系统的材质库的推广和使用，大大提升了学校和企业在VR视觉开发上的效率和质量。

关键词：虚拟现实;基于物理的渲染;材质库

中图分类号：TP311 文献标识码：A

在虚拟现实（VR）应用软件开发领域，VR系统搭载的硬件有PC端、头盔端、移动端、行业定制端等，近年来，VR行业随着从业人数的增长，国家推广以及社会应用层面的普及，渐渐的由阶梯式成长变得稳定下来，硬件的更新也趋于平缓，在未来几年，VR集成商重硬件轻内容的行业模式难以为继，开发优质的VR软件将会成为首要目标，而在VR内容开发方面大部分的团队都把人力资源用在程序开发上，在三维技术，也就是视觉开发上投入明显不够。

现市面上的虚拟现实仿真软件的视觉内容开发水平参差不齐，经过对各大领域的虚拟现实软件的对比和研究之后发现有以下几个原因：一，在VR市场发展初期，软件作为硬件的附属品，往往不考虑其本身的实用性，利用各行业对于新概念的好奇心，开发了太多同质化的低端VR软件，用于配合硬件占领市场;二，在VR市场深化发展的今天，低端VR产品已经无法继续生存，开发有竞争力的新技术产品需要投入的人力和技术升级成本比较大，企业难以转型成高端的VR内容集成商;三，产品没有和行业背景深度关联，在虚拟视觉场景和虚拟道具的制作上达不到身临其境的真实体验，在体感设备的程序交互设计上也是老三样，别人怎么交互，我也照抄，没有创新，没有考虑到使用者的真实的实用需求，这样毫无沉浸感的虚拟体验牺牲了VR软件最大的优势

在目前的软件引擎条件下，要以较低开发成本，开发具有竞争力的VR产品，最优的办法就是在视觉开发流程中使用带有基于物理渲染（Physically-based rendering简称PBR）的材质。比如开发房地产类的VR软件，我们就需要一套建筑方面的材质库，开发医疗科技的VR软件，就需要一套生物材质库。

基于物理渲染系统，是目前市面上最为流行的虚拟引擎渲染系统，国内VR内容开发团队大部分使用的是unity3d，少部分使用unreal 4，这2款开发引擎都搭载了具有基于物理渲染特性的实时渲染系统。PBR最大的特点就是在不同的虚拟灯光环境下，其材质的表现和实际物体在该灯光下表现的物理特性一致，在虚拟的环境里面实现了该物体的真实的反射和折射，这就对材质本身所反映出来的物理数据要求比较高，如果制作出来的材质本身的物理数据不正确，表现出来的视觉效果就会有偏差。而要想达到好的效果就得使用被认可的达到标准水平的PBR材质库，下面我将从3个途径来讲讲如何获取较为优质的PBR材质，用来提升VR内容的视觉真实性。

首先，最容易获取PBR材质的方法就是直接购买了，目前国内还没有成熟的PBR材质提供商，国外有一些公司提供成套的材质库。其中最大的且最优质的材质库提供商有2家：Megasacn和Substance Source。Megascan的材质大部分是由其员工通过大型的材质扫描仪进行扫描之后再进行人工的再处理，这种处理方式造成了其价格比较昂贵，虽然每个材质的文件数据比较庞大，但是其在虚拟引擎里面表现出来的效果在所有材质库里面算是最好的。而Substrance Source的材质库则是通过PBR节点式制作软件Substance Designer生产出来的，这种由底层PBR节点生成的材质，具备非常高的可调节性，并且占用的文件比较小。官方也经常会将民间的材质高手通过Substance Designer制作出来的优质材质收录到官方材质库里面。

其次，想要获得一些项目需求的PBR材质的时候，我们可以通过相关的PBR材质编辑器，Megasacn和Substance Source都有自家配套的材质編辑器：Mixer和Alchemist。通过材质编辑器我们就可以对原有的材质通过程序或者画笔蒙版进行堆叠，制作成项目需要的PRB材质。Substance Source的程序材质属性，Alchemist既可以改变材质本身的相关属性，比如颜色、特征、对比度等，还可以进行多个材质的堆叠。在材质编辑的多样化方面Alchemist是非常突出的。

最后，如果使用现有的材质库，或者通过再编辑的方式还不能满足项目要求，那就可以购买一台小型的PBR材质扫描仪。你想要制作什么材质，就把该物体放入到扫描仪里面扫描并得到材质贴图。目前只有美国提供有PRB材质扫描仪的购买，下图是我在某个创业项目里面使用PBR扫描仪获取的瓷砖材质：

以上就是获取PBR材质库的常用方法，通过长期的项目积累，可以将使用过的PBR材质分类保存，这样遇到同样类型的项目的时候，就会有更高的起点，而不需要再进行海量的搜索，长期使用PBR材质库进行项目的开发，不仅能提高项目的质量，还会加深开发人员对于PBR的深度理解，这样良性循环之下，项目的档次才会越来越高。