PBR流程在引擎电影中的问题及解决途径

【摘 要】PBR流程颠覆了传统cg电影的渲染技术，降低了学习成本，提高工作效率。然而，PBR流程仍然存在某些材质表达缺失、作品cg化、相关理论知识抽象、学习理解困难等诸多问题。在全面分析问题的基础上，提出了软件引擎选择、材质球属性调节等问题的解决途径。

【关键词】PBR流程；离线渲染；材质表达；风格化

中图分类号：J905 文献标志码：A 文章编号：1007-0125（2017）10-0099-02

近年来，随着引擎电影渲染技术的迅猛发展，其应用领域也在不断扩大，并已形成一条成熟的经济产业链。在传统渲染流程中，艺术家利用光线与物体表面的关系、阴影的位置、亮度和明暗以及材质与光影互动来模拟“真实”的画面，使得引擎电影渲染作品的画面效果更加真实、震撼、富有艺术性。然而随着计算机技术的不断进步，这一技术开始暴露一些问题：学习成本高、参数调节困难、教程滞后、学习渠道少、需要大量技术经验支持等，导致这一技术无法满足大众的需求。因此Substance Painter、Substance Designer和Quixel SUITE等基于物理算法的PBR流程（physically based rendering，基于物理的渲染的算法）的软件应运而生，它们具有高效、理性和真实这三大特点，很好地解决了传统引擎电影渲染技术的问题。现如今，PBR流程已被广泛运用于实时渲染和离线渲染中。引擎电影渲染技术发展至今，致力于模拟真实的现实世界，其不计成本地追求画面真实度，让独立艺术工作者望而止步。PBR流程的出现改变了这一现状，它基于物理算法，简化工作流程，解放部分程序的工作压力，促使程序将更多的精力放在更重要的地方，在实际的商业项目中节约时间与资源，呈现更真实的效果，越来越多的人逐渐开始尝试这一新技术。

迪士尼是第一家使用PBR流程的企业，目前总共有两套PBR流程，一套是迪士尼的，一套是皮克斯的。纯cg渲染技术已经发展了二十多年，自1995年第一部完全使用计算机技术制作的电影作品《玩具总动员》上映以来，离线渲染作品首次被大众熟知。2011年《怪物史瑞克》的票房大卖。2016年由游戏衍生出的引擎电影《最终幻想15·王者之剑》的票房一路飘红，虽然剧情把控还存在诸多问题，但是它在材质的表达上已经达到了本时代的巅峰。在数字媒体技术发展的当下，引擎电影渲染作品正借鉴各个领域优势，这也促使PBR流程在引擎电影渲染作品中的运用，使得它有了新的魅力。

一、PBR流程在引擎电影中的优势

PBR流程具有高效、参数化和真实这三大特点。PBR流程运用于引擎电影中，很大程度上为独立艺术家提供高效的工作流和低廉的制作成本。首先，PBR流程具有高效的显著特点，这一点在实际项目中尤为重要，并且可以投入到绝大多数引擎电影的制作过程中。与传统渲染流程相比，PBR流程参数调节减少，学习成本降低，表达能力变强，参数基于物理更易调节。一般在项目中，独立工作室中高水平（TA级）的美术做出来的东西是可以达到或者超越PBR流程的。但是在流程未有一个规范、系统的框架下，且场景愈发复杂的情况中，美术的自由发挥则极易导致项目的崩溃，最终致使项目的夭折。PBR流程則是克服了以上问题，其强大的工作流程，确保大量作品风格的统一。PBR流程不需要纯手动在ps中绘制细节，只需要交给Quixel SUITE这类基于PBR框架下的贴图生成软件，自动进行计算随即可生成各个贴图，将项目中美术的工作量从周缩减到小时。而且PBR流程与几大引擎可以直接对接，只要制作贴图前设置好将要使用的引擎，就可以导出与该引擎匹配的贴图，基本上在substance painter这类PBR流程软件中显示的效果就是最终呈现在引擎里的效果，在很大程度上减轻了纯美术方面的负担，不用反复修改，提高工作效率。其次，PBR流程具有参数化的特点。艺术工作者的主观想法必然渗透在其作品中。在把设计转化成产品时，PBR工作流提供了类似于公式般的直观效果。以金属为例，传统次世代更多的是做到艺术上的接近金属材质，未有一个参数化的标准。这种抽象的思维艺术工作者可以理解，但是换成圈外人可能就难以消化。PBR流程理清了思路，趋向于及时反馈和所见即所得。最后，PBR流程还具有真实这一特点，PBR流程与传统渲染流程主要区别在于模拟方式不同，传统渲染模拟现象，需要什么效果就专门写个材质来模拟，而PBR模拟的是物理过程，遵从物理法则。PBRshader在模拟真实方面已经超越了原先的材质系统，能够让模型在统一光照下在Specular和Gloss上很清楚地看到不同Shader下的相同物体的材质表现差别。

二、PBR流程在引擎电影中的问题及解决途径

（一）掌握难度大

目前，PBR流程仍处于发展阶段。因为PBR流程最初是服务于游戏美术行业的，所以对于已经完备知识体系的电影工作者来说，理解PBR流程中的材质是有一定困难的，PBR流程的参数调节几乎无法与既有的经验对应。首先，PBR流程与传统渲染流程相比在材质贴图的使用上有较大差距。在metallic属性上，Metallic实际上等同于传统渲染流程中的FO，即菲涅尔反射中与摄像机垂直的面额反射率。BPR流程中fo值为1时是金属，值为0时是电介质。其次，在传统离线渲染流程中，艺术工作者对于材质属性的调节往往是按照自己主观的想法、经验和知识，而在PBR流程中仅rougness和F0可以控制反射强弱，束缚艺术工作者的创作空间。由此可见，按照传统引擎电影渲染流程的方法调节PBR流程的参数是不可取的。因此，PBR流程引擎电影渲染技术可以使用具有代表性的两种渲染器：anrold、vray，或者其他支持pbr流程的渲染器例如render man。当然贴图材质也可以减少使用或不使用纯手绘的传统方式，多使用基于PBR流程的substance painter等贴图生成软件制作，贴图脏渍、磨损、血迹等全部都通过软件生成，所见即所得。通过这种方式，可以大大减低PBR引擎电影渲染流程的难度。

（二）作品风格单一且油腻

大多数观看过基于PBR流程的引擎电影的观众都有一种感觉，画面绚丽，却没有了自己的风格，有些镜头依旧暴露其cg化的弊端。第一，引擎电影过于油腻。具体表现在某些引擎电影中应该是光滑、湿润或者是反光的地方却给人一种蒙上了一层油的感觉，或者很多坑坑洼洼的地方却没有划痕。其实这都是滥用specular和grunge的贴图的结果。在只使用高强度的specular不使用HDR（天空球）的情况下就会出现像蜡一样白色的高光，造成画面油腻的错觉。一般情况下，油腻感是来自于引擎，PBR流程让人们不再凭感觉调节材质参数，而是根据真实的物理属性调节，如果美术没有胡乱调节参数，那么造成油腻感的主要原因就是引擎，但是这需要大量的人力物力来试调，弥补软件与软件间的参数差距，对一个商业项目来说非常的不划算。第二，离线渲染作品缺乏艺术性。由于PBR流程的主要优势在模拟真实，减少可调节参数，降低出错率，以达到风格统一这一目的，但是这也导致了一个严重的问题。某些软件也考虑到了这一方面，所以它会在基本的PBR参数上增加一个参数来稍微控制一下FO的强度。比如虚幻4引擎的材质属性的调节中就有一个specular属性，这个specular属性与传统的specular属性不同。它实际上控制的是让FO能够从0.02到0.06（自然界中非金属物质FO为0.02到0.05）进行变化。让艺术家有更多可调节的参数，促使作品风格化。基于PBR流程的引擎电影可以通过天空球来丰富反射，避免白花花的高光出现。

（三）材质表达缺失

pbr流程技术的主要优势在电介质和金属这两大材质的表达。虽然它已经可以非常优秀地模拟人们日常生活中遇到的大多数材质，但是材质库还有待完善。一般而言，引擎电影中都会运用到各种各样的材质，而pbr流程中缺失对透明材质和皮肤3s材质的表达。不仅如此，PBR流程通常只计算shadow和mask，对于粗糙度大的表面多次反弹没有计算。如果将PBR流程运用到整个引擎电影制作过程中，必然会出现错误。当然这些问题也不是不可以解决的。第一，对于可接受范围内的差异可以通过iray这种GPU渲染器来弥补。第二，对于透明材质和皮肤3s材质球的缺失可以通过减少出现次数或避免出现这类材质的物体来弥补，或者选择同时支持PBR流程和自带sss材质球和透明材质的渲染器来制作，比如maya的anrold渲染器中的Skin sss和Skin材质。现今获得成功的基于PBR流程的离线渲染作品多为充满未来感的动画片。所以由于侧重点不同，PBR流程的离线渲染作品题材应多为科幻、架空，增加场景的科技感，避免地面湿润、积水的场景使用。第三，可以通过利用视觉诱导的方式，引导观众的视线。在影片中设置视觉中心，将无法避免出現的透明材质和sss皮肤材质隐藏在视觉中心以外，使观众注意力主观跟随视觉中心移动，弱化缺点，从而弥补材质缺失带来的不真实感和突兀。

三、结论

PBR流程将越来越多地广泛运用于引擎电影中，颠覆以往的制作流程。随着epic公司宣布虚幻4引擎免费开放使用，开发者仅需支付5%的版权费用，越来越多的游戏公司将注意力从游戏转移到电影制作上，购买大IP制作同主题电影。PBR流程的出现极大地提高了画面效果，降低了引擎电影的制作门槛，其效果甚至开始达到影视级别的效果。但是PBR流程才刚刚起步，其还存在诸多问题，作品cg化、风格过于统一、透明材质及3s材质表达缺失等。通过本文前面的阐述，得出以下几种解决方案：

第一，改变引擎电影的制作方式，使用Substance painter或者Quixel suit这类基于PBR流程的贴图软件制作贴图的脏渍、锈迹等纹理，用vray或者anrold来渲染场景，可以更好地发挥PBR流程的优势，降低制作难度。

第二，在场景中使用天空球可以很好解决物体反射油腻的问题，增加场景真实度，同时理性地使用specular贴图也能在一定程度上改善油腻感。引擎电影的风格化可以通过编写shader的代码达到，并将制作难度降低。

第三，基于PBR流程的引擎电影应侧重于科幻、架空题材的作品，减少水和其他物体交互的场景出现概率，并通过诱导的方式吸引观众视线，尽可能地减少因材质缺失带来的影响。

相信不久的将来，富有高效、理性和真实的PBR流程引擎电影会越来越多地进入观众的视野。

参考文献：

[1]Ureal Engine 4 官方帮助文档，Physically Based Materials.

[2]Anrold for maya & Houdini官方帮助文档.

[3]周炜，葛娟，刘浏，李华.基于材质的事实渲染场景组织技术[J].计算机辅助设计与图形学学报，2009（06）.

[4]陆莎，田兴彦.基于游戏引擎的引擎电影创作[J].微计算机信息，Microcomputer Information，2012（06）.

作者简介：

李怡婷（1995-），女，江苏扬州人，南京信息工程大学数字媒体艺术本科生。