GPU引擎技术于动画次世代材质的运用研究

苏锋

摘要：随着数字影视和游戏的高速发展，对于作为运行平台的计算机而言必须要有更高的运算能力才能支持运行的流畅度。对于当今的主流游戏而言，显卡的实时渲染能力成了画面的最重要因素之一。在主流游戏的设计与制作当中，GPU引擎技术作为最直接最流畅的显示方式成了最主要的实施手段。显卡引擎的技术发展可以大大降低CPU作为核心渲染器的系统负担。各大软件技术供应商基于GPU引擎技术开发的各种软件技术不仅仅可以运用于主流游戏，增加画面的真实感和流畅性，而且可以把这种技术运用于数字影视开发，以此增加制作过程中的画面质感并减少生产中的繁琐环节，达到高效和节能的双重效果。

关键词：GPU;引擎技术;次世代;动画

一、现状与分析

随着次世代影视与游戏动画的高速发展，对于动画材质的生产质量和效率要求也大大提高，既要有丰富的细节经得起推敲，也要有实时的速度进行交互，以常规的CPU渲染方式去获得实时的高质量画面通常是难以实现的，因为存在大量的物理引擎运算，这些运算极其复杂，有些仅仅单帧的光线追踪渲染画面，以单机运算就需要耗时几十小时甚至上百小时以上，更加别提能够实时交互了。

数字动画作为一种数字媒体艺术，之所在影视特效上以能够以假乱真，很大程度上取决与数字模型的材质渲染效果。通过三维软件计算并合成的视觉效果采用了物理运算技术，能在强大硬件的基础上迅速演算出视觉画面。与传统的胶片动画生产流程相比，数字动画生成的素材更加具有实时性，可编辑性，高效性。数字动画的渲染方式最常见的计算方式是CPU渲染，也就是中央处理器渲染，优点是效果极其真实，层次丰富。缺点是渲染速度缓慢，尤其是影视级的渲染尺寸。

二、GPU技术运用分析

GPU技术的推出是保证渲染画面的真实性和实时性一体化的新型技术，基于显卡的物理加速特性。在保证显存与GPU主频和渲染管数量足够多的情况下，能够保证三维次世代动画的真实再现。发展至今，无论是三维软件还是一些设计插件都逐渐使用了GPU技术，这些技术的实现和完善在次世代动画和影视上逐渐壮大。有些动画制作部门甚至完全使用了这些技术去作为制作影视动画的主流方式。具体的功能可以从下面两类软件去分析：

首先，三维设计软件是主流。以著名的Autodesk公司旗下的Mudbox为例，这是一款基于GPU技术的三维雕刻工具，设计者能够在人机交互的情况下，给场景内的物体进行高光、颜色、凹凸、法线等相关细节的设计。同样可以对物体进行细节与形状的修整，和以往的必须通过平面软件绘制颜色与法线，然后三维软件渲染才能看见效果的CPU设计方式相比，这种所见即所得的实时方式毫无疑问效率更高。

另一款比较类似的软件是Mari，一款基于显卡处理器的贴图材质绘制软件，制作者能够直接在物体表面绘制材质和层级，和Mudbox类似，但是能够支持的贴图尺寸更大，画面越精细。属于一种电影级别的次世代材质软件。设计师可以直观地使用遮罩或是贴图直接在物体表面绘制细节，例如电影《阿凡达》里面的飞龙就是用这个当时还处于Demo阶段的软件绘制完成的贴图，由于使用起来极其方便，很快就变成了商业版本。用这款三维绘图软件唯一真正的限制就在于使用者的显卡性能。也就是GPU的引擎性能。大多要求能够流畅运行的平台基础是专业显卡。对于GPU的运算主频和显存要求甚高。但是一旦GPU硬件能够满足设计需要，此后能给设计师打开的将是天马行空的创意世界。

与此类似的软件还有制作游戏贴图常用的Bodypaint，可以在三维的模型上面直接绘制并观察详细细节，例如在人物的素模上直接绘制皮肤或是衣服的颜色和细节，包括一些盔甲或是毛发的颜色和质感，同样可以在GPU的支持下进行分层绘制，由于大多游戲支持的面数有限，以角色模型为例，一个电影级的精细模型大约在500-1000万面左右，但是游戏为了保证人机交互流畅，一般面面数都会严格控制，单机游戏一般都控制在1-2万各面，网络游戏的角色模型还要更加低，仅有500-1500左右的面。面数的过低可以保证游戏的流畅度，但是模型的细节必然大打折扣，既然游戏模型在那么在低模细节不足的情况下，就必须通过材质的绘制给它添加上应有的细节。这些材质绘制软件的细节绘制功能大多大同小异。

在次世代的动画设计中，我们会经常使用高模转低模的方式获得一些细节的贴图，例如在三维软件例如maya或者zbrush内制作好模型的全部细节，然后再通过降低精细度获得低模，通过烘焙的方式把高模的全部细节转化为一张有细节信息的法线贴图（normal map），再赋予低模之上，之后再导入游戏引擎或是影视渲染都会得到和高精细度模型一样的效果图，而渲染的时间却会因为面数的大量减少而缩短了很多时间。大大提高了影视制作和游戏开发的效率。

其次，为了响应次世代游戏的高质量画面与繁琐的生产工艺，一类基于GPU渲染引擎的材质绘制工具包应开发而生，包括Substance painter，Quixel suite之类的材质软件。以Quixel suite为例，这种软件需要设计者制作完成影视或是游戏的高模，然后通过拓扑软件得到低模，再把低模进行分UV的工作，然后再结合高低模型烘焙出ID，AO和Normal之类的图形文件，最后把这些图形文件导进去Quixel suite引擎内，通过选择预定的材质库就能快速生成效果极其逼真的交互式渲染画面，虽然中期的工作比较繁琐，但是后期材质的选择与修改极其方便与直观。

三、结语与展望

随着图形显卡性能的高速发展，基于GPU引擎的三维设计软件将会日益壮大，而使用起来却越发直观化，人性化，由此一来，设计师能够逐渐从繁琐复杂的流程中解放出来，把思路集中在设计效果上，从而推出更加激动人心，具有视上震撼力的次世代动画。

参考文献：

[1] 吴恩华，柳有权.基于图形处理器（GPU）的通用计算[J].计算机辅助设计与图形学报，2004，16（5）：601-602

[2] 厉旭杰.GPU加速的图像匹配技术[J].计算机工程与应用，2012，48（2）：173-175

（作者单位：广东技术师范大学天河学院）