PBR方法制作次世代3D游戏道具全流程＊

何勰绯，粟云露

(广州工程技术职业学院信息工程学院，广东 广州 510999)

0 引言

随着移动终端技术的迅速发展，人们对于网络游戏在自由度、真实性、多样性上的追求也逐步提高，次世代游戏逐渐成为当下主流的游戏类型之一。次世代游戏相较于传统游戏，运用了更为先进的材质贴图、物理渲染等技术，以及统一标准化的工作流程，让玩家在游戏中体验到前所未有、更为真实的3D视觉效果。

1 次世代

“次世代技术”是指尚未广泛应用的先进技术。“次世代游戏”则是指超前于当前传统游戏的新型技术而制作出的游戏。

次世代游戏和传统游戏相比，在模型优化上有了极大程度的提高。次世代游戏采用全新的烘培技术，相比于传统的方法更便捷，全新的纹理绘制，效果比传统游戏更直接，更高效，借助高端引擎提高网络游戏的画面效果，使游戏模型与场景看起来更真实，给玩家带来更加刺激的感官体验；新颖的操作方式以及良好的互动性受到了广大玩家的关注与喜爱，这些特点颠覆了人们对于传统电子游戏的认知，次世代游戏也开始在游戏产业中迅速发展，逐渐成为当下主流的游戏类型之一。

随着网络技术的提高以及硬件设备的普及，人们越发追求较好的画面真实感，这使得次世代技术应时而生，很好的满足了当下的需求，其基于物理规则的渲染，效果更加贴近真实，推动如今游戏中的3D 体感装置、虚拟真实技术不断开发，愈发成熟，次世代游戏技术已然成为游戏产业中先进技术的代表，甚至被归为第九艺术。次世代游戏在不断地冲击着游戏文化、影视娱乐市场的同时，也潜移默化地改变着人们对于游戏艺术的追求，如图1所示。

图1 次世代3D游戏制作流程

2 次世代PBR流程

3D 游戏道具制作流程包括：3DMax 制作中模，ZBrush 雕刻高模，Maya 拓扑低模，MayaUV 拆分，Toolbag 或Substance Painter 烘焙贴图，Substance Painter绘制材质，Marmoset Toolbag渲染等（图1所示），而从烘焙到材质贴图这后半部分的流程就称为PBR流程[1]。

次世代PBR 流程统一且有具体的规范，贴图制作不再手工化，制作效率大大提高，不需要再考虑光照的影响，按照这个流程制作次世代游戏模型，使工作效率有了质的飞跃。正是由于统一性、标准性，制作的总体流程顺序不变，所以开发者可以根据情况选择更合适的软件进行阶段性开发。例如，Maya、Blender也可以建中模，并不仅仅局限于3D Max；拓扑可以使用Maya 完成以外，也可以使用3D Max、TopoGun 等软件达到预期效果；模型UV 的展开，可以用Rizom UV 来达到与3D Max 相同的效果，而且Rizom UV 效果更加，更便捷，更迅速，操作更简单；部分烘培过程如Normal 贴图，也可以选用3D Max 或 者Maya 来进行烘培。

3 认识次世代PBR材质

3.1 认识PBR材质

PBR（Physicallly-Based Rendering），是一种基于物理规则的渲染技术。简单来说，就是一种能对光在物体表面的真实物理反应提供更精确着色与渲染方法。在渲染管道中的不同环节，它也会被称为物理着色（Physically Based Shading，PBS），PBS 通常是指着色，而PBR 通常是指渲染和光照，被游戏业广泛使用。

3.2 PBR材质的应用效果

PBR 最早应用于照片级真实渲染的电影，如《猩球崛起》、《头号玩家》就是运用了PBR 流程技术，影片画质的真实感和细致程度得到提升，优化了制作流程，缩短了影片的制作周期，优化了次世代游戏流程。

随着计算机硬件设备性能的提高和5G 网络的广泛应用，PBR 材质贴图在电脑端与虚拟现实设备端中广泛运用，移动端游戏里也能流畅运行。游戏中的人物、道具、场景都做得精致到位。人物皮肤光滑细嫩，发丝清晰亮泽，光影表现明暗有致立体感大大加强[2]，材质表现更加精致到位（如图2），无论是场景，还是装饰纹理都体现了PBR 流程的优越性，使玩家得到沉浸式逼真的感官体验，目前几款知名的3D 引擎比如UnrealEngine、CryEngine、Unity 3D 等，均使用了PBR材质贴图流程[3]。

图2 PBR材质的效果

3.3 PBR材质贴图的优越性

传统的渲染技术流程通常使用Diffuse、Specular、Normal这三种贴图来表现模型的基本属性、细节和质感。通过Diffuse贴图来表现模型的基本颜色，有时会将AO 贴图叠加Diffuse 贴图上；通过Specular 贴图来调控模型的质感；通过Normal贴图来突显模型上的高低纹理细节。传统的渲染技术是基于贴图的，Diffuse贴图上的光照信息通常是通过绘制或烘焙上去的模拟光影，不同的模型使用同一张Normal 贴图或Specular 贴图整体上类似[4]。运用次世代PBR 游戏流程，能更好的表现出表面的污渍、破损、灰尘，以及把手部分的布料、金属材质，如图3 所示。污渍更加自然、破损也更贴近生活，把手的布料表现得是那么细腻清晰，而大体的金属质感也是十分的逼真，PBR 材质流程是基于物理规则的渲染技术，而模拟出来的，无论是真实感效果的纹理表现，还是流程制作的效率，与传统渲染技术（如图4）相比更具优势[5]。

图3 PBR材质

图4 传统手绘

3.4 PBR主要贴图材质简介

PBR 的渲染流程主要使用了Albedo、Normal、Metallic、Roughness 这四张贴图来表现模型的明暗层次、纹理、金属程度、光滑程度。Albedo 相对于Diffuse贴图的区别是：仅保留模型对象的固有色，无需光照信息，光影信息交给渲染本身来完成，即不需要通过绘制或烘焙去模拟对象的光影情况，在节省时间的同时，提高了流程制作的效率[6]。Normal 贴图和传统流程都是纹理呈现，最大区别在于Metallic、Roughness贴图，Metallic表示材质的金属度，Roughness控制材质贴图的粗糙度，两者都是0到1的值域。

以Metallic 为例，0 表示绝缘体材料，就比如橡胶、木材、混凝土、玻璃、布料等等无金属性的材料，1 表示导体金属材料，就比如金、银、铜、铁、镁、铝、钨，Metallic 是指定纹理贴图是否是金属，对于如生锈、腐蚀、破损等混合表面的金属材质，值域在0 到1 之间，调整数值就可以调控材质金属度。

4 次世代PBR 3D游戏道具制作

4.1 制作前的准备工作[7]

在制作模型前，要找到预想中的参考，次世代模型的制作，更加需要优质的参考，大至造型结构，小至纹理细节。

4.2 制作中模

模型制作的方法和软件有很多，如3D Max、Maya、Blender。以3D Max 软件制作为例，先创建平面，将参考图导入其中，再创建基本几何体，转为可编辑多边形，配合修改器命令，如切角、挤出、插入等，搭建中模[8]。

4.3 高模雕刻

在3D Max 里制作好中模，导入ZBrush 进行细节的雕刻，如划痕、破损、磨边等一些效果（如图10）。在ZBrush 中，熟练的使用雕刻笔刷，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笔刷给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。

4.4 低模拓补

导入高模，进行低模拓补。创建端点，三点首尾相连围成三角面，或者四点首尾相连围成四边面，不断的用三角面、四边面，去包裹高模。拓补有两点要注意，线段与线段之间不能出现交叉，面与面之间不能重叠。

4.5 低模展UV

拓补好的模型导入进Rizom UV 软件，可以快速、便捷的完成UV 的展开，相比较Maya、3D Max 会稍微快一些。模型展开之后，将UV排布整齐紧凑。

4.6 烘培材质贴图

低模、高模完成之后烘培法线(Normal)贴图。开发者可以借助次世代游戏主流的材质贴图软件Substance Painter 工具制作PBR 材质。Substance Painter 是实时渲染的3D 绘画软件，支持PBR 基于物理规则的渲染流程，按照材质在现实世界中体现出来的物理属性，渲染模型，运用智能遮罩、智能材质、程序纹理、物理笔刷等实现材质贴图的快速创作[9]。将制作好的低模导入Substance Painter 中，再添加高模的模型，在烘培时，把高模的纹理细节烘培到低模上。借助的载体就是法线(Normal)贴图，烘培法线贴图外，把世界位置(World space)贴图、位置(Position)贴图、ID贴图、AO(Ambient Occlusion)、曲率贴图、厚度贴图，这些贴图在绘制之前就要把信息全部烘焙出来，绘制好的贴图效果展示[10（]如图5）。Substance Painter软件自带了许多硬表面材质，对于金属感较强的模型对象和硬表面模型，材质贴图创作会更加轻松自如。为模型增添更加丰富的细节，比如墙壁的花纹，磨损，脏迹等效果都可以在Substance Painter中实现。

图5 六种贴图效果展示

4.7 模型渲染

将模型、贴图导入进八猴(Marmoset Toolbag)进行渲染，也可在虚幻引擎4(Unreal Engine 4)中进行实时渲染，调节参数，观察效果，检查模型材质贴图是否有问题

5 总结[11]

次世代PBR 流程的出现让3D 模型的真实感有了质的飞跃，而次世代PBR 流程的纹理贴图不仅仅在虚拟动画广泛运用，也走向了模拟仿真，不论是在虚拟现实技术还是在增强现实技术中，模型仿真度越高用户的沉浸感越强，不仅如此，正式由于PBR 基于实际物理学原理的标准作为研究方向，所呈现的效果才会越真实，才会更贴近现实生活，虚拟现实技术和增强现实技术的发展才如火如荼，未来的发展令人期待。