運用實時全局光照打造燈光模擬仿真軟件

查雁南

摘 要： VR開發(fā)引擎借助于VR在娛樂行業(yè)的迅猛發(fā)展變得更加高端和智能化。新的VR引擎里增加了更多可調(diào)節(jié)參數(shù)的實時全局光照系統(tǒng)，其效果更加貼近于現(xiàn)實的PBR材質(zhì)系統(tǒng)。借助這些新的技術(shù)，開發(fā)者就可以開發(fā)出滿足各種教學需求的次時代仿真教學軟件。文章主要介紹如何運用新一代Unity5引擎打造燈光模擬仿真軟件。

關鍵詞： 虛擬現(xiàn)實； 實時全局光照； PBR材質(zhì)技術(shù)； 次時代仿真軟件

中圖分類號：TP31 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）06-69-03

Abstract： VR development engine by means of the rapid development of VR in the entertainment industry becomes more sophisticated and intelligent. New VR engine inside added more real-time global illumination systems which have adjustable parameters， its effect is more close to the real PBR material system. With the aid of these new techniques， developers can develop next generation simulation teaching software meeting the various teaching demand. This article mainly introduces how to use the new generation Unity5 engine to build lighting simulation software.

Key words： VR； real-time GI； PBR material； next generation simulation software

1 燈光模擬仿真軟件的設計思路

首先說一說為什么要制作這款軟件，我所在的學院工作室經(jīng)常需要為學院各專業(yè)制作仿真軟件，但是并不是所有的專業(yè)都適合使用虛擬現(xiàn)實仿真軟件[1]來進行教學。在挑選專業(yè)制作仿真軟件時，除了專家經(jīng)常說的三高四難問題，還要考慮老師使用它進行教學的效果好不好，學生使用軟件的體驗怎么樣。所以，我們經(jīng)過多次調(diào)研后，將目標放在了學院藝術(shù)專業(yè)的燈光教學課程。雖然這個專業(yè)也有他們自己的室內(nèi)設計仿真軟件，但其使用效果并不好。第一，只能簡單的切換場景和漫游不能調(diào)節(jié)任何和燈光有關的參數(shù)，不能通過改變燈光的因素來改變整體的環(huán)境氛圍。第二，由于制作軟件并不高級，所以渲染的效果也比較粗糙，給學生帶來的使用體驗并不好。所以綜合上面兩個問題，如果將畫面的效果制作到次時代級別，便可以隨意調(diào)節(jié)燈光的明暗以及變換色彩。最后制作幾個和藝術(shù)專業(yè)相關的有代表性的場景，比如室內(nèi)場景、室外場景、工業(yè)展示、柜臺展示等等。這樣，在課堂上老師就可以通過軟件來細說在各種場景里燈光的使用效果和用途；課后學生也可以通過軟件來練習燈光的調(diào)節(jié)和完成課后作業(yè)。

2 燈光模擬仿真軟件關鍵技術(shù)

如前所述，要想做到燈光隨意調(diào)節(jié)和渲染畫質(zhì)提升，得先弄明白三個關鍵技術(shù)：實時全局光照、PBR材質(zhì)、次時代制作標準。說到次時代，人們腦袋里都會浮現(xiàn)出各種高端大氣上檔次的次時代游戲。他們往往都是用次時代引擎開發(fā)出來的，耳熟能詳?shù)挠校禾摶靡?、CryEngine引擎，以及后來居上的Unity5。這里主要使用的是Unity引擎。

3 Unity5實時全局光的運用

實時全局光照[2]，軟件叫做Realtime GI。非常粗略的來描述：如果說以前的光照系統(tǒng)是由光源-物體-視點組成的話，那么全局光照系統(tǒng)就是由光源-環(huán)境反射光-物體-視點[3]組成的，就是說GI額外包括了環(huán)境反射光的計算，它可以使得渲染出來的場景物體間的光影交互更為真實。如果是離線烘焙的話，環(huán)境反射光就是通過輻射度算法或光線追蹤算法，一點點計算出來的，但是實時渲染沒有這么多的時間。為了實現(xiàn)實時的GI，簡單說來，Unity需要預計算一些信息，這些信息大概包括場景間物體之間的位置、反射關系，以及一個環(huán)境反射樹。在實時渲染時，會自動將場景分解為數(shù)個子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)被用于預計算大量的并行管道。管道之間是深相關的，并解決每一個系統(tǒng)的任務。利用這些信息Unity會動態(tài)生成一張間接光照貼圖，與原先的Lightmap一樣，只不過上面記錄的是物體表面受到間接光的信息，這樣在實時渲染時就會看到物體受到反射光的影響了。

實時全局光照在其他的次時代引擎可能很早就有了，但是在Unity引擎上是5.0之后才更新出來，在舊的版本里燈光渲染烘焙一次成型，根本無法有任何的更改，所以就無法制作燈光的改變。但有了實時全局光照技術(shù)之后，允許在烘焙場景的全局光之后還能更改場景的燈光、環(huán)境光、材質(zhì)屬性，這樣就達到如前文所述的可以隨意改變燈光的顏色和亮度，進而達到同一個場景不同氛圍的效果[4]。如圖1所示。

4 PBR材質(zhì)的使用

運用實時全局光照還不夠，還需要為場景的模型添加材質(zhì)。Unity5使用的是最新的PBR材質(zhì)系統(tǒng)，它與實時全局光照配合起來使用就可以完整的呈現(xiàn)出照片級別的畫質(zhì)[5]。PBR是Physically Based Rendering的縮寫，即：基于物理的渲染。在引擎里面體現(xiàn)材質(zhì)至少需要4張貼圖來體現(xiàn)其本身的物理屬性，即：漫反射（albedo）、表面粗糙度（gloss）、反射率（Reflectivity）、法線凹凸（normal）。但是在制作PBR材質(zhì)貼圖時，并不簡單，如果直接將3DMAX里面的貼圖放在unity里面使用，效果會非常糟糕，這里需要有一定的制作流程。目前市面上已經(jīng)有專門的PBR貼圖制作工具，比如mari、Substance Painter、ddo等等軟件。Substance Painter制作PBR貼圖的流程：①在3DMAX里面制作好高模和低模；②將高模和低模導入到Substance Painter進行貼圖烘焙，需要烘焙的貼圖有normal、ao、world space normal、curvature等貼圖；③在Substance Painter根據(jù)模型制作的要求進行各部分的貼圖繪制；④導出所需要的貼圖。盡管每個軟件制作PBR貼圖的細節(jié)都不同，但流程大同小異。不管是制作金屬曲面的材質(zhì)貼圖，還是光滑曲面的材質(zhì)貼圖，根據(jù)物體的光照屬性[6]進行制作即可。最后完成的效果如圖2所示。

這樣就制作出了次時代級別的燈光模擬仿真軟件，功能齊全，渲染效果也讓人滿意。另外在圖2上不僅僅燈光的位置不同，場景中的物體材質(zhì)也不同。場景中大部分的物體還增加了多種材質(zhì)貼圖的選擇，為學生和老師在給場景調(diào)節(jié)每個燈光和環(huán)境光的同時，還可以具體地調(diào)節(jié)每個物體的顏色和質(zhì)地，方便每個人制作出獨一無二的場景效果。

目前這套燈光模擬仿真軟件還有其他的幾個場景正在開發(fā)中，在制作完全部場景之后，便會將其使用在VR頭盔上。讓最新的虛擬現(xiàn)實技術(shù)也能為傳統(tǒng)教學所用。

5 結(jié)束語

有人認為，在未來幾年里VR將會取代手機成為人們生活中不可或缺的一部分。虛擬現(xiàn)實技術(shù)也將會改變下一代人的衣食住行。在職業(yè)教育領域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為新的媒體技術(shù)，將會成為實訓教學課程的主流，其身臨其境的體驗以及高度逼真的三維場景會讓教學變得更加生動和貼近現(xiàn)實，這將大大提升教師的上課質(zhì)量。

參考文獻（References）：

[1] 張順吉，董婧.虛擬仿真軟件在網(wǎng)絡實驗教學中的應用[J].信

息系統(tǒng)工程，2010.7.

[2] 李偉偉，董杰，李海霞，張桂連.多光源實時全局光照算法的實

現(xiàn)[J].吉林大學學報（信息科學版），2011.2.

[3] 張全貴，王普閆，健卓，方麗英.基于光線跟蹤方法的全局光照

研究[J].計算機科學，2010.4.

[4] 酈文俊.Vray渲染器在室內(nèi)裝飾效果圖制作中的應用方法研

究[J].藝術(shù)科技，2015.5.

[5] 任重，Zhou Kun.復雜環(huán)境光源下的動態(tài)場景實時繪制算法

綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2008.8.

[6] 周鵬.基于光線跟蹤的真實感全局光照問題研究[D].山東大

學博士學位論文，2012.