PBR 流程在游戏模型制作中的实践与应用

郭法宝

（江苏联合职业技术学院徐州财经分院 信息技术系，江苏 徐州 221008）

0 引言

基于物理原理的渲染（Physically-Based Rendering，PBR）是一种较为先进的渲染技术，能够更加真实地模拟光照和材质的效果，目前已经在游戏行业广泛应用。在游戏模型制作中，使用PBR 流程能够提供更好的材质表现和更真实的光照效果，从而增强游戏的视觉效果和沉浸感。通过PBR 流程，游戏开发者可以更加准确地模拟不同材质的外观和光照响应，使得游戏世界更加真实。在毕业设计的创作中，越来越多的学生选择PBR 流程来制作游戏模型，这样可以让作品更具技术感[1]。毕业设计创作是体现学生全面掌握技能和职业素养的重要手段。以游戏道具模型制作为例，使用PBR 流程体现游戏道具模型设计与展示方式，可以使作品具有更好的真实感和视觉冲击力。

1 PBR 流程概述

1.1 PBR 流程的概念和原理

PBR 流程是一种基于物理原理的渲染技术，核心思想是以物理材质的真实性和能量守恒为基础，通过模拟光线在物体表面的反射、折射和散射等物理过程，使渲染结果更加真实和自然。在PBR 流程中，反射模型是核心概念之一，描述了光线在物体表面的反射行为。常见的PBR 反射模型有Lambert模型、Blinn-Phong 模型和Cook-Torrance 模型等。PBR 流程还依赖能量守恒原理，即光线的入射能量必须等于反射、折射和散射等过程的总能量，从而实现渲染结果的真实性和准确性[2]。

PBR 有两种主要的工作流：一种是基于金属的工作流（Metallic-Roughness），一种是基于镜面反射的工作流（Specular-Glossiness）。它们都遵循PBR 的核心原理，最大的区别在于如何识别反射与漫反射。

在PBR 流程中，材质的创建更容易，不再需要猜测，而是根据真实数据设置。材质在所有光照条件下看起来都是正确的，这使得美术工作流程更加稳定。PBR 的两种主要工作流使用的贴图包括法线（Normal）、环境光遮蔽（Ambient Occlusion）、高度（Height）贴图以及基色（BaseColor）贴图。这些贴图保存了金属的反射率、非金属的反射颜色以及凹凸/法线贴图额外提供的深度信息，增强了真实性。

1.2 游戏模型制作中的PBR 工作流程

利用PBR 流程制作游戏模型，通常包括以下5 个步骤[3]。

第一，建立三维模型。使用3D 建模软件建立游戏场景的模型。

第二，制作纹理贴图。根据不同的材质类型和纹理贴图，设置不同的物理属性，如反射、折射、漫反射等。这些属性可以根据不同的材质类型和纹理贴图进行调整，以实现更逼真的效果。

第三，实现材质交互。PBR 流程可以模拟不同材质之间的交互，如金属与非金属的反射、透明物体的折射等。这些交互可以通过设置材质的物理属性和调整纹理贴图来实现。

第四，光照计算。根据光源的位置和属性，计算物体表面的光照效果。PBR 流程可以模拟现实世界中的光照效果，如阴影、反射、高光等。这些效果可以通过调整光源的属性和位置来实现，也可以使用后期处理技术进行增强。

第五，渲染输出。使用渲染引擎对场景进行渲染输出，得到最终的游戏画面。

2 游戏模型制作的发展

随着游戏行业的快速发展，游戏中的角色装备越来越炫酷，场景越来越逼真，画质也贴近现实。其中，游戏模型制作技术起到了重要的作用。也正是游戏模型制作水平的提升，吸引了越来越多的人加入游戏建模行业。游戏建模目前主要分传统手绘建模、次世代建模两个方向[4]。

2.1 传统手绘建模

传统手绘建模是指3D 美术设计师根据原画设计师的构思，将二维的物体通过3D 软件制作出来，最终得到的是模型和贴图。在这个过程中，模型是物体的主要构架，而贴图则用于表现构架上的颜色和样式。

传统手绘建模只需要制作低模，主要依赖手绘贴图来呈现最终效果。因此，传统手绘建模存在“三分模型、七分贴图”的说法。其制作流程是：首先在3ds Max 软件中制作低模，其次进行UV 拆分，最后用手绘贴图来完善模型。

2.2 次世代建模

次世代建模主要是指引入了PBR 流程的3D 建模。次世代是个舶来语，“次世代游戏”指代与同类游戏相比更加先进的游戏，即“下一代游戏”。次世代建模利用高模烘焙的法线贴图回贴到低模上，让低模在游戏引擎里可以即时显示高模的视觉效果[5]。次世代模型面数比较高，采用法线贴图来描绘物体表面细节的凸凹变化，颜色贴图来表现物体的颜色和纹理，高光贴图来表现物体在光线照射条件下体现出的质感。与传统手绘建模相比，次世代建模流程更复杂，模型效果更细致。次世代流程制作的模型在游戏中随着光影变化，质感表现、流光感都会更加真实。

次世代建模制作流程是：根据二维原画设定制作中模→导进ZBrush 软件进行高模雕刻→拓扑低模（即在游戏中的模型）→展分UV →烘焙（将高模细节烘焙到低模上面）→绘制贴图→引擎中调整。

3 基于PBR 流程的游戏模型设计实践

江苏联合职业技术学院徐州财经分院五年制影视动画专业的学生在毕业设计实践应用时，需要完成从设计图到渲染输出的整个流程。在此环节中，使用PBR 流程制作，可以提升作品质量和团队合作能力。

3.1 分析设计图与参考资料

制作模型前，需要先设计原画。根据原画的要求设计模型制作方案，首先要分析模型的各项要求，从整体到个体，分析每一个部件的长宽高比例、层次关系，还有造型。除此之外，还要分析部件用什么方法来制作更有效率，某个模型要分多少张UV才能显现出好的效果。

3.2 制作中模

首先依照原画制作中模。制作中模的过程中，用合理的布线来准确表达模型的结构，要求使用四边形的面进行制作，避免出现多边面、藏点、藏面等问题，避免对后续环节造成麻烦。中模是后续制作高模的基础[6]。在此环节，每一个部件的结构和比例都要准确无误，并整理好大纲视图，将模型合理分组。制作中模的软件有很多，常用的有3ds Max、Maya、Blender 等软件。本文的制作使用3ds Max软件完成。

将盾牌模型分成木头、金属、宝石3 个部分。在3ds Max 软件中使用样条线绘制工具，画出盾牌的基本形状，执行挤出（Extrude）修改器命令，设置数量为0，生成盾牌的框架平面模型。然后，配合右键转换成可编辑多边形的建模方式。根据盾牌的金属饰条的结构在模型上进行布线。由于金属饰条的结构复杂，需要准确表达出曲线、锐角的造型并合理布线，最终选择金属部分执行挤出命令。将金属模型从基础模型中分离出来，单独成为一个模型。剩下的部分即为木头模型，由于是不同的木条结合在一起的结构，因此要注意木条模型的分解和木条之间接缝的处理。最后制作宝石，使用基础球体模型进行制作。宝石结构较为简单，制作出宝石的外轮廓后与金属结合放置在一起。最终效果如图1 所示。

图1 游戏道具中模制作效果图

3.3 制作UV 贴图

UV 展开的目的是将3D 模型表面的纹理映射到2D 平面上，以便进行纹理贴图的制作。在3ds Max 软件中使用编辑UVW 工具展开UV，判断标准是模型上的棋盘格都呈现出正方形的造型，然后把所有的UV 最大化放置在规定的区域内。

在UV 展开的时候，UV 的接缝线要选在模型一些视线看不见的地方切，避免接缝处过渡不自然影响美观，内角小于或等于90°的角一定要切，避免模型泛黑。切好UV 的同时需要分好软硬边，之后摆UV，能打直的UV 尽量打直，以节省UV 空间和后期贴图的修改，最后使用棋盘格检查UV 的最终效果。制作模型的UV 如图2 所示。

图2 制作模型的UV 图

3.4 高模雕刻

为了在ZBrush 软件的雕刻过程中拥有足够多的面数，在展好模型的UV 后，把制作完成的模型导入3ds Max 软件中，在模型细节较多的地方如盾牌边缘和转角的地方进行细化，通过快速循环、连接、切角等工具完成模型的卡线工作，使模型在保持原有结构的前提下产生更多的细节，为高模雕刻打下基础。

在3ds Max 软件里卡好线之后，导入ZBrush软件进行细节的雕刻，制作出划痕、破损、磨边等一些效果。在ZBrush 软件中熟练使用各类雕刻笔刷达成材质的表现，如Standard、ClayBuildup 笔刷绘制雕刻模型，Move 笔刷移动模型调整大型，Damstandard 笔刷雕刻尖锐的细节，Flatten 笔刷使凹凸不同的表面变得平整，还有Smooth 笔刷用于平滑表面，MaskPeny 是遮罩笔刷。通过数位板压感、Z 强度、焦点衰减以及Alpha 遮罩，可以绘制出丰富多彩的纹理效果。

在Zbrush 软件的使用中，模型因为卡线的原因导致面数非常不均匀，从而导致细节有所缺失。对此，可以使用Dynamesh 工具使模型拥有更多且均匀的面用于雕刻。使用Dynamesh 工具时，要注意分辨率的选择。分辨率过高会导致项目卡顿，分辨率过低会导致精度降低。需要注意的是，拆分成组件后使用Dynamesh 工具会更方便后续的雕刻。

3.5 烘焙

烘焙的技术原理是使用Substance Paint 软件将雕刻好的高精度模型的细节烘焙到低模上。能够进行烘焙制作的软件不只Substance Paint，MAYA、Marmoset Toolbag 等软件也可以制作烘焙和AO效果。

本次案例使用Substance Paint 软件进行烘焙操作。打开Substance Paint 软件，创建新的项目，导入展好UV 的低精度模型。烘焙之前，需要将高模和低模再次进行匹配。按Ctrl+Shift+B 组合键进入烘焙页面（版本使用2020 版），选择制作完成的高精度模型，点击“烘焙”即可完成操作。

3.6 制作材质

将低模导入Substance Paint 软件中，修改模型的Base Color 颜 色，调 节Metallic、Roughness、Normal等参数，利用部分材质预设来完成模型的纹理贴图和材质制作。

制作模型材质时，要注意模型不同部位、不同材质之间的区分，更好地还原案例中木材、金属、宝石的质感。模型的整体效果要注重色彩的协调性。

3.7 渲染

模型的材质贴图制作完成后，将PBR 材质不同通道的贴图一起输出，可以在不同的软件或平台进行作品的渲染。输出的贴图一般包括Base Color贴图、Metallic 贴图、Roughness 贴图、Normal 贴图、AO贴图及Hight 贴图等，将其与对应的材质通道一一连接。渲染时需要注意灯光的冷暖对比和模型构图角度，注意适当添加后期效果的调整，来增强画面的质感和色彩。常见的渲染器包括Substance Paint、Vray、Marmoset Toolbag、Keyshot、Arnold 及OC 等。最终的游戏道具模型制作效果如图3 所示。

图3 游戏道具模型制作效果

4 结语

PBR 流程在游戏模型制作中具有广泛的应用前景和实践价值。未来，随着技术的不断发展和创新，PBR 流程将会在游戏行业发挥更加重要的作用，为游戏画面质量和用户体验的提升带来更多的可能性。本文主要探讨PBR 技术在游戏模型制作设计实践中游戏道具模型的实现方式，根据不同的游戏设定，后期还需要不断完善其他材质、纹理和渲染效果的表现，如毛发、布料、水特效等，还可以迁移到服饰、建筑、武器等其他游戏模型上，以此着重强调PBR 流程在游戏模型表现中的真实性和多样性。