PBR流程下的影视模型优化渲染分析

丁炜

摘 要：随着计算机软硬件的不断更新与发展，传统的影视动画模型渲染是基于在多边形模型素模下，通过展UV、绘贴图、布灯光、调材质、测渲染这几大步骤来展开制作。繁琐的参数调节与漫长的渲染等待成了影视模型最终效果展现而必然要付出的时间代价。然而PBR流程的出现使得赋予这些影视素模的材质信息与周围环境信息给予了更加写实的效果展现。特别是它的基于物理渲染算法，简化工作流程，在实际商业项目中节省时间成本，让越来越多的艺术工作者开始尝试这一新的设计领域。

关键词：PBR流程;Zbrush;影视模型;渲染;引擎

0 引言

在影视行业快速发展的背景下，渲染一直是电影制作人较为烦恼的一项工作流程，传统的影视作品渲染非常考验硬件水准，一般使用工业级集群工作站，且耗时长，往往需要几小时至几个礼拜不等，无论是时间的成本还是金钱的核算，这两点的付出到最后总会超乎寻常。直到2012的Siggraph图形大会上，由迪士尼首部基于物理渲染的动画《无敌破坏王》的出现在电影业界和游戏业界引起了不小的轰动。从此迪士尼的著名演说《Physically-based shading at Disney》让基于物理渲染技术正式成为这个行业的视野与焦点。随后UE4，Unity，substancepainter等基于物理渲染（Physically Based Rendering，PBR）的技术被广泛应用和开发。他的提出后如一匹野马，瞬间冲到了游戏材质表现的风口浪尖。游戏界首先迎来了PBR制作流程技术的新高潮，而在影视渲染的今天同样需要PBR流程技术的更新与探索。他的优势在于同一个设置可以适用于不同的光照环境，比较容易制作写实效果，时间成本低，参数是基于真实世界中物理现象变化的设置，直观而明了的效率为不同的制作人员提供了一个统一的工作流程。

1 传统制作流程与PBR的区别

1.1 传统贴图制作的局限性

模型是影视界动画和电影最基本的原材料，模型质量的好坏将直接影响到后续的渲染制作，在传统的影视模型完成后会通过颜色贴图、法线贴图、高光贴图、凹凸贴图、AO贴图、反射贴图等一系列图片的处理与编辑来实现效果。其中粗糙度与光泽度的信息直接包含在了颜色贴图里，这样就会使我们在绘制贴图过程中需要额外花费时间去表现这些质感信息，为了使贴图的质感接近写实，有的贴图美工需要根据自己的理解去人工猜测物理的光源效果，照片素材的叠加和微细节部分处理，这不仅给贴图绘制者增加了大量的工作量，同时对于写实效果的表现也存在一定的缺陷。尤其在微表面、金属与非金属、透明与半透明的表现中如履薄冰。另外高光与阴影贴图不会因为光源方向的变化而自然改变，因为这是一张绘制过后的像素图。特别是在高精度贴图绘制中，有的贴图尺寸较大，运用四方连续的方式让很多的细节表现无法特别的突出，总之带着这些传统的手绘贴图来决定后续的渲染与合成。

1.2 PBR贴图流程的灵活性

PBR，通俗的称呼为基于物理渲染（Physically Based Rendering），他以精确的计算公式和科学的方法论来免除创作者的猜想过程，在任何光照环境下能表现出正确而自然的结果。在活动环境光改变的同时变化着模型表面的物理光照信息，这是一种同步而实时渲染的展现效果。通常的表选手法取决于颜色贴图、金属度贴图、法线贴图和粗糙度贴图，这些图可以通过阿诺得渲染或者Reshift渲染来表现出电影与动画的逼真效果，同时也结合了Unreal Engine 4或者Unity3D等引擎渲染来实现高仿真的次世代游戏效果。由此可见，他的灵活性不仅彻底打破了传统影视效果制作中，因逐帧渲染而产生的漫长等待所需要的时间成本，同时也避免了渲染过程中因某一帧或某一时间段渲染的瑕疵效果而暂停，并重新去调试与修改的必要性。与此同时，原本繁琐的三点式布光或灯光阵列的前期渲染测试步骤，现在因PBR基于物理渲染效果中以一张HDIR的环境球效果的转动来替代一切光源布局和材质信息。这些信息最终将灵活运用于摄像机镜头渲染的任意角度。

2 PBR流程制作模型在影视渲染中的应用

该文选取了一组道具中三种不同材质表现的影视模型，并结合阿诺得渲染与PBR技术制作流程的实现。从模型制作流程到三种材质分别为刚锈（斧头刀刃部分）、玉石（斧头装饰部分）木质（斧头把柄部分），并以高清HDIR全景贴图制作的天空盒作为环境的反射内容来分成以下四大步骤完成。

（1）高模的制作。由于PBR渲染流程中有个重要的环节是法线贴图的制作，高模的细节表象将决定了后续法线细节效果的体现，通常我们会采取ZBrush进行细节的雕刻制作，在这个制作过程中模型的面数会上白成千万。显然這样的面数的模型是无法直接拿来运用的，所以在这个环节中我们只考虑模型本有的特征，特别是一些划痕、破损、粗糙面、光滑等一些模型表面的细节结构。

（2）低模拓扑。当高模的环节制作完成后，我们将其输出后通过topgun或者maya来根据高模形体的轮廓进行拓扑制作。这个环节最重要的是模型的布线规律。而这个拓扑完成的模型也将成为我们最终需要渲染的模型。

（3）展UV与法线烘焙。不管是传统的影视模型制作流程还是如今的PBR流程都是离不开的一个重要环节。这里的UV是从拓扑低模中展出来的，UV的剪切与合并同模型结构之间的转角关系紧密相连。模型结构的转角处大于90度可以不用切开，而通常情况下小于或等于90度的是要切开的。UV之间的紧密摆放不仅可以保证贴图像素的高度利用。也是烘焙法线效果的重要基础。作为凹凸纹理的扩展，它使每个平面的各像素拥有了高度值，包含了许多细节的表面信息，这些细节的体现同样是ZBrush雕刻中不可缺失的部分，能够在平平无奇的低模拓扑形体上，创建出许多种特殊的立体视觉效果。

（4）渲染与合成。我们最终将制作好的低模和法线导入到substance paiter里来完成颜色贴图、法线贴图、反射贴图、金属贴图和高光贴图，利用这几种贴图来结合Arnold的影视渲染来达到对实物的还原。制作完成的最终效果对比如下。

①金属氧化物是指氧元素与另外一种金属化学元素组成的二元化合物。如图1所示。斧头刀刃部分的钢锈片区部分的排布较为自然，而非锈迹部分的金属因带有表面划痕，正在氧化中凹凸起伏的层次感显得格外明显。特别在局部细节中可以看到高光的自然效果，划痕的深浅与金属表面氧化后的小颗粒在强光不同的照射过度下與真实环境的效果相同。

②真玉器无论半透明或不透明，都有温润光泽，油脂光泽、花纹自然，内部纤维状态是不易模仿的。如图2所示。斧头装饰部分的玉石色调在光的作用下显得自然透彻，深浅富有层次感。边缘棱角处从亮到暗的过度使得这块玉石显得格外硬朗，再加上内部自然的花纹，从而模拟出真实玉石的花斑与质感。

③橡木色泽淡雅纹理自然美观，由于橡木水分大，水分脱净比较难，易开裂导致局部纹理会有深浅。如图3所示。斧头把柄部分的橡木在原本自然的纹理模拟下抹上了一点淡淡的清漆，让把柄部分呈现出柔和的高光效果。同时利用法线贴图对木纹的纹理进行刻画，对其自然纹理进行复原。所展现出来的效果以最大的还原来模拟现实特征。

3 总结与展望

PBR技术的发展将为影视模型的渲染制作效果铺垫了一定的基础。未来的影视行业发展少不了PBR技术的融合;为了追求极致的效果，影视模型可以发挥的空间也变得更大。高质量的游戏模型，在模型、贴图方面也有很高的要求，但另一半的效果基本是交给引擎呈现。但随着时下流行的引擎不断发展，可以预见，高端的游戏质量越来越接近电影级别，两者的视效差距只会越来越小。在未来的影视模型的渲染中，高端游戏制作流程加引擎的融入终将替代传统影视模型的渲染，让影视行业的制作效率与时间成本逐步优化。

参考文献

[1]SIGGRAPH 2010 Course： Physically-Based Shading Models in Film and Game Production.

[2]孙立.三维数字技术在博物馆中的应用探究[J].数字技术与应用，2016，（6）：114-115.

[3]张金钊，张金锐.3D立体动画与游戏设计[M].北京：电子工出版社，2008.

[4]Ch. Bouras. Schafer. Advances in 3D multi-user virtual environments[C]. Proceedings of the Seventh IEEE International Symposium on Multimedia （ISM05），2005.