基于物理渲染技术创建次时代角色模型的流程探究

摘要：随着网络科技发展不断升级迭代，虚拟现实（Virtual Reality）技术和次时代引擎技术在高速率、低延迟的5G技术下必会迎来大幅度增长。人们在不断追求高级图形视觉效果过程中，逐渐推动了真实感渲染技术的发展。本文运用符合物理规律的方法，阐述一套基于真实世界光照物理的人物模型创建流程，从而总结本次次时代角色相关服饰、道具的材料性质及质感表现，并分析相关类型创建方式的共通性。

关键词：物理渲染技术;PBR;次时代;角色模型;BRDF

一、基于物理的渲染技术（PBR）概述

“PBR（Physically Based Rendering）是基于物理规律模拟的一种渲染技术，最早用于电影、照片等真实感的渲染。”[1]这类渲染方式通常遵循光源与物体表面间的数值模拟，来表达最终预测的图形外观。而且在实际应用中，可以通过调节具体物理参数的数值表现预期效果。目前基于PBR流程创建次时代角色模型的常见软件有Substance Painter、Substance Designer以及Marmoset Toolbag等，“它们具有高效、理性和真实这三大特点，很好的解决了传统引擎电影渲染技术的问题。”[2]这些特点在创作流程中更多的展现给制作者的是直观的图形结果，能够在同一光照下看到赋予不同材质和贴图的Shader效果。

二、迪士尼原则BRDF（双向反射分布函数）

Disney Principled BRDF是迪士尼在2012年SIGGRAPH中提出的概念。该原则自提出之日起，由于其高度的通用性，能够将复杂的物理材质属性用11种非常直观可见的变量表达出来，所以在游戏界、影视界等引起了大规模的轰动并广泛沿用至今。

在迪士尼原则BRDF的11种调节材质外觀的参数中，每一个参数有效取值范围都为[0，1]，在该参数范围内的任何取值都可以被判定为有效材质属性。通常在M-R工作流创建次时代角色模型中主要以参数BaseColor、Roughness以及Metallic来体现材质外观。其次为更能模拟真实世界光照下不同材质的特性，所以通常会在anisotropic、sheen、sheenTint等参数中调节属性，或者为其绘制单独的贴图，再利用黑白Mask控制不透明度。例如在模拟一些丝绸、绸缎甚至人物和水果的表面绒毛等这种能量守恒的光泽层，就可以用sheen调节权重大小。

三、次时代角色模型创建流程

（一）模型搭建阶段

次时代角色模型创建方式与传统方式大体相同却又略有差异。从宏观角度出发，二者均采用多边形建模、网格建模与面片建模方式。两种创建流程根据不同需求其差异性分别体现在如下描述。传统创建方式下，整个角色通常只需要利用任意一款建模软件即可输出绘制贴图。而次时代角色模型创建过程由于追求更高级、更逼真的视觉图形效果，所以需要运用不同软件的特性来深入模型细节。

（二）Marvelous Designer布料模拟

Marvelous Designer是一款基于三维服装可视化技术，由韩国CLO Virtual Fashion Inc.开发的服装设计与布料模拟软件。目前布料动画技术作为计算机图形学中研究的重要领域之一，“多年来以自身实际需求为目标，并将大量的研究成果应用到了电影制作、三维游戏以及虚拟试衣等领域中。”[3]

在Marvelous Designer软件界面中，服饰创建方式与生活中服装板片裁剪与缝合高度吻合。所以次时代角色模型服饰与服装板片缝合方法相同，只是虚拟空间中多了在虚拟模特上搭建服装造型后再进行布料解算的环节。在软件进行物理解算的过程中能够较完美的模拟服饰在模特身上发生的柔体运动变化和结果。随后根据实际需求选择对板片重新拓扑或者利用Zbrush软件更深入调整细节。

（三）UV展开整理

UV的展开与纹理贴图绘制密不可分，在三维模型上所有记载网格顶点的信息都和二维空间内的点逐一对应。“UV纹理空间使用U方向和V方向来定义二维空间中的轴向。”所以UV展开整理的目的是为了更加便捷、直观的绘制三维图案贴图。

为优化三维模型制作流程的效率、提高模型最终效果，针对UV展开的实际操作流程规定了如下拆分原则：①最大程度保证UV纹理空间内图形不产生变形、扭曲。②尽量避免UV图形之间重叠。③UV图形与图形之间的接缝尽量避免出现在视觉显眼处或者摄像机范围内。④合理规划UV图形的分布和摆放。

（四）运用M-R工作流在Substance Painter中烘焙、绘制贴图

在目前的实践运用中，利用PBR流程创建角色贴图主要有两种工作流。其一M-R（Metallic-Roughness）;其二S-G（Specular-Glossiness）。这两种工作流最大的区别在与对于非金属F0的控制。M-R工作流将非金属F0值恒定于4%，而S-G工作流可以随意控制非金属F0值的大小，所以基于这种随意性，S-G工作流则更需要准确的数值来确保能量守恒法则成立。

1.BaseColor

Basecolor译为固有色、基础色，是物体剔除光影变化后呈现出来的色彩，用于提供模型颜色信息。在Substance Painter绘制次时代角色皮肤质感贴图一般根据需求来决定最终效果。以下步骤为真实感皮肤效果表达提供思路。①建立皮肤固有色图层、提取AO图像信息并叠加红色。②“入射到皮肤组织表面的光束，一部分进入皮肤，被皮肤组织散射与吸收，其散射、吸收的情况由皮肤组织内各种色基，入血红蛋白、胆红素和黑色素决定。”[5]根据光谱学中描述血液含量对皮肤颜色的影响可建立下列颜色遮罩图层：红色、蓝色、紫红色、褐色四个基本颜色。上述颜色分别对应表现为皮肤毛细血管易突显处（鼻部、耳朵、眼眶至颧骨）、血液循环淤堵、血丝、黑色素沉淀（斑点、痣等情况）。③根据实际需求进一步丰富步骤二图层。④创建嘴唇、眼眶内部固有色贴图并提取Curvature贴图信息调节皮肤纹路细节。⑤根据角色丰富妆容或特征、服饰道具固有色同理。

2.Roughness

Roughness译为粗糙程度、粗糙度，PBR流程中表现模型质感的重要手段之一。在实际运用过程中，可以通过Roughness贴图调节同一物体的不同位置的粗糙程度，其目的都是为了增强物体真实感。Substance Painter这款软件为粗糙度的调节提供了更为便捷、直观的操作方式，像创建BaseColor贴图信息一样，只需建立含有Roughness属性的图层便可以实现。以上一步完成的BaseColor贴图信息继续为皮肤添加高光信息：建立含有Roughness属性的遮罩图层为颧骨、鼻梁、额头、关节处绘制高光，服饰高光和盔甲等均以其固有面料和材质决定。

3.Metallic

Metallic译为金属性、金属度，在M-R工作流中可以用Augustine Jean Fresnel提出的菲涅尔效应来解读。“菲涅尔现象是指当表面的观察方向从‘垂直’到‘逐渐与表面平行’的变化过程中，表面的反射能力（包括对光源的反射《即所谓的高光》和周围其他物体的反射）会逐渐加强。”[6]即金属度由无到完美镜面的变化过程。在实际创作中也应根据物体最终呈现的表面属性来决定其金属性，例如金属经过磨损过后或者表面覆盖新的涂层，都需要合理使用Metallic贴图。

（五）Marmoset Toolbag渲染材质贴图并整合

Marmoset Tooolbag是一款实时渲染和预览三维场景的预览软件，需要将之前所建的模型、贴图、材质导入进此软件并依据一定的物理渲染原理整合在一个工作框中，而后再给予不同的HDR（High-Dynamic Range）图像或若干灯光观察模型最终效果。

四、总结

基于物理的渲染技术制作出来的模型贴图具有真实性、高效性和理性的特征，在迪士尼BRDF原则的渲染参数规定下，促使了各大引擎平台进行技术的更新迭代。利用PBR技术制作出来的贴图参数可以在主流引擎平台中互相输入与输出，极大的推动了虚拟现实技术的发展。

综上所述，基于物理渲染技术的发展在人物模型的创建过程中为其规定了基本的参数，创作者可以利用现有的数据对人物形象进行在创造，采用时下流行的三维技术手段，将次时代角色以多种光怪陆离的组合方式展示给观众，满足当下人们对未知事物想象力的精神盛宴。

参考文献：

[1]张雨辰;.浅谈PBR技术对数字文物展示效果的提升[C].2017.

[2]李怡婷.PBR流程在引擎电影中的问题及解决途径[J].戏剧之家，2017：99-100.

[3]吴晓婷.基于位置动力学的布料动画技术研究[D].陕西：西安电子科技大学，2014.DOI：10.7666/d.D727164.

[4]李曙光.三维模型的UV拆分技术分析——以Headus UVLayout为例[J].绥化学院学报，2015：155-159.

[5]黄宝华，陈荣，曾海山，王月云，谢树森.皮肤组织血液含量对皮肤光谱的影响[J].光谱学与光谱分析，2007：97-100.

[6]廖玲.菲涅尔现象及其在Maya中的应用[J].中国科教创新导刊，2012：78-79.

作者簡介：谢崇瑾（1997—），女，汉，重庆永川，硕士，四川音乐学院成都美术学院，三维数字方向。四川 成都，邮编 610500。