高职三维场景课程教学中的Substance painter软件应用

黄雅欣

摘要：隨着我国三维动画产业的快速发展，产业对技术的要求水涨船高，满足各类需求的软件层出不穷，高职院校在学生教育中也应对照产业需求进行教授。Substance Painter是一款纹理材质绘制软件，支持PBR基于物理渲染最新技术，具有实时渲染的功能，让使用者可以在绘制窗口上实时观察贴图纹理变化，简化了制作模型的流程，因能够帮助使用者以更加高效的流程制作出高质量的材质，其在三维动画制作中广受从业者青睐，在三维动画场景教学中也具有重要的作用。文章以Substance painter的功能与三维动画场景教学的概念为研究的切入点，探讨Substance painter在动画场景教学中的应用。

关键词：Substance painter  动画场景教学  软件应用  教学应用

中图分类号：G64    文献标识码：A

Application of Substance Painter Software in the Teaching of 3D Scene in Higher Vocational Education

HUANG Yaxin

（Jianghan Art Vocational College， Qianjiang， Hubei Province，433100 China）

Abstract： With the rapid development of China's 3D animation industry， the requirements of the industry for technology are rising， software to meet various needs is emerging in endlessly， and higher vocational colleges should also teach students according to the needs of the industry. Substance Painter is a texture material rendering software， supports PBR's latest technology based on physical rendering， has the function of real-time rendering， enables users to observe the changes of the map texture in real time in the drawing window， and simplifies the process of making models. It can help users to produce high-quality materials with a more efficient process， so it is widely favored by practitioners in 3D animation production and also plays an important role in 3D animation scene teaching. This paper takes the function of Substance painter and the concept of 3D animation scene teaching as the starting point of research， and discusses the application of Substance painter in animation scene teaching.

Key Words： Substance painter; Animation scene teaching; Software application; Teaching application

1 Substance Painter與动画场景教学的基本概念

1.1 Substance Painter的基本概念及用途

Substance Painter是一款新型的贴图绘制软件，内置全新的3D贴图绘制程序和特色的粒子绘制工具[1]，专为三维从业者制作。这款软件采用的界面和流程都非常清晰，工具排版和Photoshop软件差不多，学习难度不高，使用相对便捷。这个软件在游戏制作、电影后期效果等方面都有比较出色的应用，在次世代3D模型的制作中占据重要地位。支持PBR技术，可以模拟模型上的水、火、灰尘等效果。可以在三维模型上直接绘制纹理，避免了UV接缝造成的问题，功能非常强大。

该软件包含大量的笔刷和材料库，用户可利用里面的工具快速设计出符合要求的图形纹理模型，使想从事纹理绘制，但手绘水平不佳的使用者也可以进行纹理制作，软件里面的功能很多，而且很全面。例如：软件具有智能选材的功能，用户在使用涂料时，系统会自动匹配设计模板，而不必花费额外的时间去应用选择，实用且省时间；软件还有实时的渲染功能与后期处理功能，使用该软件创建的贴图可以进行渲染处理，如果对图像不够满意，还可以通过软件的后期处理功能对图像进行增强，如图1所示。

Substance Painter作为一款单独的贴图绘制软件，它使用起来可以不受其他三维软件的限制，通过导入大多数主流3D软件都能够支持的fbx、obj、3ds、prj、md3、md2、ply、mdl、ase、ask、smd等格式文件进行模型参数的导入。Substance Painter在动画三维场景制作流程中主要负责对场景模型的材质进行绘制，软件中将常用的模型材质效果以画笔笔刷的形式展现出来，使用者可以直接使用笔刷在模型上绘制出所需的贴图效果。用户可以使用非破坏性的，基于节点的，程序化和可编写脚本的工作流程来自主编写纹理和材质。这种软件功能使得Substance Painter可以制作出针对特定模型的定制化效果，因而在追求精细画面的次世代风格模型工作流程中应用广泛。Substance Painter对三维模型纹理贴图绘制的定制化能力强，可以调用大量预设帮助绘制，且有实时渲染功能。软件简单快捷易操作，因此对于教学来说是十分实用的软件，能够为学生在三维动画制作流程中提供助力。

1.2 三维动画场景教学的基本概念

在动画制作过程中，场景都是画面的重要构成部分，是整个作品视觉效果的直接体现。场景主要是指角色表演的环境舞台。不同的场景对应不同的故事背景，随着动画故事的多样化、多类型发展，场景的风格也愈来愈多，对场景制作人员的能力要求也愈来愈高。

目前，我国在动画场景设计方面与日本、美国等动画强国还有一定的差距，其原因则是多方面的，因而培养适应市场需求的动画场景设计人才成为近年来关注的焦点。

2 Substance Painter在动画场景教学中的应用

2.1 趣味应用，激发学习兴趣

为了让学生在动画场景教学中体会到Substance Painter在动画制作中的应用趣味性，激发其学习动画制作兴趣。教师会依据不同的场景风格，播放应用三维场景技术制作的动画片，让学生“身临其境”地感受Substance Painter的作用。获得感性认知。通过这种寓教于乐的体验方式，有效地激发了学生的学习兴趣[2]。以“三维场景制作”课程为例，在临近万圣节的课堂教学，教师可以播放2017年由华特·迪士尼电影工作室、皮克斯动画工作室联合出品的圣诞动画《寻梦环游记》，这是一部三维软件制作的动画片，其灵感源于墨西哥亡灵节，讲述了热爱音乐的小男孩米格和亡灵乐手埃克托在墨西哥式色彩斑斓的死后世界“米特兰”开启了一段追求理想、拯救家人的冒险故事。播放完毕后，教师让学生思考《寻梦环游记》的三维场景制作方法与流程，学生互相交流给出自己的思考，最后教师通过播放制作花絮讲解动画中场景的制作流程。实训导入时，教师可以询问学生“能否通过3D建模软件和Substance Painter重新制作一个动画片中的场景模型？”学生需亲自动手进行实训训练。以任务驱动法作为教学方法，并适时把握节日的时机，播出当前节日的相关影片，学生观看时代入感强，更能产生学习兴趣，为后续教学产生正强化。

2.2 任务驱动，增强学习内驱力

任务驱动教学法是指，在教学过程中将学生要学习的内容或者知识点分配成若干个任务，学生在完成任务的过程中学习相关知识和技能的一种教学方法[3]。

江汉艺术职业学院系1+X数字创意建模职业技能等级证书考核站点，背靠中科视传溯创空间平台，拥有丰富的技能考试试题及相关知识库。在日常教学中，将技能考试与教学结合起来，让学生根据考试技能要求进行实训练习，以任务为驱动，增强学生学习动力。在1+X数字创意建模职业技能等级考试中明确要求考生需要对精细模型的材质进行制作，这就需要使用Substance Painter来进行材质的针对性、定制化制作，提升模型效果。在日常的实训中，学生将以不同的模型作为材质制作的任务对象，通过不同任务对象的训练，加深学生对Substance Painter的理解，如图2所示。

该课程在同年级多个班级进行，分别给予各班对该门课程的意见统筹，给学生发表观点机会。从不同班级学生的反馈来看教师教学，引发教师横向比对反思，应根据不同班级特点因材施教，促进不同班级课堂的纵向活力延伸[4]。通过在不同的专业老师之间纵向对比，能够了解到自身的差距，知道课堂的问题所在何处。

2.3 案例教学，提升应用能力

案例教学法是指以学生为中心、以案例为基础，通过呈现案例情境，将理论与实践紧密结合，引导学生发现问题、分析问题、解决问题，从而掌握理论、形成观点、提高能力的一种教学方式[5]。

通过制作案例进行课程授课，能有效提高学习效率，如以下高精度制作流程。

2.3.1 导出模型

第一步，应用三维软件制作一个模型，并把它的UV和一些贴图准备好。随后，把该模型以OBJ格式导出。

2.3.2 在Substance Painter软件中制作基础材质

首先启动软件，点击菜单“FILE-NEW（新建）”，点击“SELECT”选择OBJ文件，点击“OK”。

在Substance Painter在绘制纹理的时候需要以下贴图：法线贴图、世界空间的法线贴图、ID贴图、AO贴图，CURVATURE（曲面）贴图、位置贴图、厚度贴图[6]。由于此时载入只有模型，没有其他贴图。所以，必须利用该软件的烘焙功能，烘焙出以上贴图。

点击BAKE TEXTURES，左边的是要烘焙的各种辅助贴图，带叹号表示需要添加高模配合烘焙，点击图标添加一个高模。点击下面的烘焙按钮。软件烘焙完上述贴图，自动载入相应的贴图区，无需手动载入。这些烘焙的贴图，都在软件下方的材料架--TEXTURES纹理架子中。

“图层”管理面板，每个图层将会有四个通道，它们是BASE COLOR颜色通道，HEIGHT（类似法线）高度通道，ROUGHNESS粗糙通道、METALLIC金属通道（类似反射通道）。在“属性面板”调节各通道属性。

以木头刷漆模型为例，接下来给模型添加材质。首先选择透明层LAYER1，点击右侧工具，将其删除。Substance Painter自带100多种材质，涵盖了金属、木纹、石材、布料等范围，而且都是程序贴图，参数可以随意调整。在下面的材质面板，搜索中输入WOOD木头。找到这个材质，拖到图层栏中的FILL填充层。

Substance Painter是基于PBR渲染技术，在HDRI环境贴图的照射下，光线非常逼真。而软件自带的材质也很逼真，显示的效果非常好。选择右侧属性面板，把纹理UV旋转一下，调整到合适的角度，但纹理贴贴上以后，由于UV的关系，可能会出现接缝。将projection的投射方式由UV方式更改为平面投射方式可以解决这一问题。在属性面板中可以调整WOOD木头参数，如颜色、表面噪点等。

添加一层油漆材质。把它拖到WOOD木头上面。发现模型的材质变成了蓝色油漆。由于Substance Painter中图层也是有优先级的，最下边的先计算，显示结果是由上层覆盖下层。所以上边的油漆覆盖掉下层的木纹。

此时油漆上有木纹痕迹，这是因为下面的WOOD木头有高度通道，高度信息会影响整个材质的法线贴图。选择WOOD木头那层，点击HEIGHT，关闭它。

2.3.3 在Substance Painter软件中绘制图案

首先添加一个透明层，在视图中，按ALT+SHIFT+鼠标左键，把模型调正。

点击文件FILE——选择输入图像到项目中。选择一个用PS处理背景透明的PNG图像。图片文件导入项目后，点击纹理面板找到目标图像。

在笔刷面板，选择一个笔刷，保留COLOR通道，把图案拖入下面的材质中。

打开映射开关，按住S键，配合鼠标左中右键，平移、缩放、旋转调整图片到模型正中位置。

然后用鼠标左键涂抹。涂抹绘制好之后关闭映射，图案就绘制到模型上了。点击橡皮，擦掉不需要的部分。

2.3.4 在Substance Painter软件中制作材质做旧效果

首先点击油漆那层，添加一个白色MASK遮罩。遮罩的规则是：白色遮罩全部透过，显示该层材质；如果涂纯黑色，则不显示该层材质，露出下面的材质；涂灰色则按颜色深浅呈现半透明。

选择一个SANDPAPER砂纸笔刷。笔刷颜色默认为黑色；点击白色遮罩，表示要对它绘制。按CTRL+鼠标右键调整笔刷大小，CTRL+左键调整流量大小。在模型的棱角处一点点涂抹。不断地变换大小、流量、笔刷样式。绘制过后油漆好像是被擦掉一样，实际上是它的遮罩起作用：涂的黑色部分，禁止油漆显示，灰色的地方，显示一部分，下面的木纹就透露出来了。

选择新的笔刷，SCRATCHES划痕。调整颜色，灰度控制深浅，越黑则重，越白越轻；调整笔刷大小、颜色、流量，绘制表面的划痕。

类似墙面，靠近地面的容易脏。可以通过软件特效功能模仿这种效果：首先双击各个图层，把各个图层更换一下名称。点击填充层按钮，添加一个填充层。改名字为污垢；保留COLOR和HEIGHT通达。高度通道往右偏一点，给一些高度，不要太大；添加一个黑色遮罩，该层材质全部隐藏。点击黑色遮罩添加一个“生成器”，点击生成器按钮，查看弹出的生成器菜单，里边有各种划痕、污垢等生成器。选择ground dirt地面污垢，这个生成器可以借助POSITION贴图工作，可以模拟地面造成的污渍效果。

2.3.5 输出

点击菜单—FILE—导出纹理。首先设置导出贴图的大小，越大越清晰，但越耗资源。然后选择配置，这里可以随意定制要输出的贴图，再由Substance Painter为你转化。常用预设UNITY5 标准。在这个预设里将输出颜色贴图（Albedo）、反射贴图（Metal）、法线贴图（Normal）、发光贴图（Emission）。刪除不需要的贴图类型。最后返回菜单，选择导出按钮。

2.3.6 渲染。

在CINEMA 4D中渲染，因为CINEMA 4D不支持PBR渲染，所以需要操作者手动构建一个环境。

首先建立一个天空，再建立一个材质，在材质发光通道内载入一个HDR贴图，充当反射环境和光源。

再建立一个材质，颜色通道载入颜色贴图；在法线通道载入法线贴图。在粗糙度和反射强度的纹理子通道下，载入相应的贴图。

在渲染设置内打开“ 渲染用全局光渲染”，否则HDR不起作用。

2.3.7 测试。

一个游戏模型制作完成之后，最好的方法就是到Marmoset Toolbag中去测试。

首先将模型文件拖入软件中。双击材质，选择ALBEDO颜色贴图，导入反射贴图，导入法线贴图。

改变场景中的HDRI贴图，调整亮度强度等参数。鼠标的操作方法基本与SUBSTACE PAINTER一致。再更换一下环境，观察效果是否符合预期，有问题及时修改。

案例到此完全结束。随后让学生根据演练的流程开始进行实操，强化自身的动手操作能力与应变能力。

2.4 模拟操作，强化实操能力

通过教师的流程操作，教师可以安排学生在课后选择顺序模式或自由模式有针对性地对内容进行模拟，如上文中提到的高精度模型制作，尝试自己进行实际操作，也可以让学生对高精度模型制作流程进行自主探索，寻找更加适合自己的流程方法，研究Substance Painter在这一系列过程中具有什么样的作用。

2.5 边用边改，完善系统功能

在动画三维场景教学过程中，可以在操作流程的演练或者是讲授内容的过程中，对Substance Painter的操作技巧进行边操作边修改完善，遇到一个问题解决一个问题，增强自身解决问题的能力。通过教学过程中的情况和學生的反馈，总结教学后记，询问其他教师的建议，收集学生作业的完成情况。及时修改、不断完善，使教学效果能够不断地正向提升。

3 结语

综上所述，Substance Painter在动画场景教学中具有重要的作用，其与其他软件进行相互协作，运用好Substance Painter的强大之处，这将会提升动画的制作周期与质量。三维模型的纹理材质制作有多种软件，但Substance Painter能以绘制的形式制作材质，自主性更强，可以针对性地制作模型材质，在三维动画制作流程中广泛使用。由此可见，Substance Painter在动画场景教学中起到了关键性的应用。

参考文献

[1] 闫嘉乐.浅谈近年来游戏美术制作流程的变化[J].文艺生活·下旬刊，2018（3）：278[2] 白耀鹏.矿井入课堂教学情景化：虚拟仿真在教学中的运用[J].现代职业教育，2020（3）：228-229.