GPU引擎技術(shù)于動畫次世代材質(zhì)的運用研究

蘇鋒

摘要：隨著數(shù)字影視和游戲的高速發(fā)展，對于作為運行平臺的計算機而言必須要有更高的運算能力才能支持運行的流暢度。對于當今的主流游戲而言，顯卡的實時渲染能力成了畫面的最重要因素之一。在主流游戲的設(shè)計與制作當中，GPU引擎技術(shù)作為最直接最流暢的顯示方式成了最主要的實施手段。顯卡引擎的技術(shù)發(fā)展可以大大降低CPU作為核心渲染器的系統(tǒng)負擔(dān)。各大軟件技術(shù)供應(yīng)商基于GPU引擎技術(shù)開發(fā)的各種軟件技術(shù)不僅僅可以運用于主流游戲，增加畫面的真實感和流暢性，而且可以把這種技術(shù)運用于數(shù)字影視開發(fā)，以此增加制作過程中的畫面質(zhì)感并減少生產(chǎn)中的繁瑣環(huán)節(jié)，達到高效和節(jié)能的雙重效果。

關(guān)鍵詞：GPU;引擎技術(shù);次世代;動畫

一、現(xiàn)狀與分析

隨著次世代影視與游戲動畫的高速發(fā)展，對于動畫材質(zhì)的生產(chǎn)質(zhì)量和效率要求也大大提高，既要有豐富的細節(jié)經(jīng)得起推敲，也要有實時的速度進行交互，以常規(guī)的CPU渲染方式去獲得實時的高質(zhì)量畫面通常是難以實現(xiàn)的，因為存在大量的物理引擎運算，這些運算極其復(fù)雜，有些僅僅單幀的光線追蹤渲染畫面，以單機運算就需要耗時幾十小時甚至上百小時以上，更加別提能夠?qū)崟r交互了。

數(shù)字動畫作為一種數(shù)字媒體藝術(shù)，之所在影視特效上以能夠以假亂真，很大程度上取決與數(shù)字模型的材質(zhì)渲染效果。通過三維軟件計算并合成的視覺效果采用了物理運算技術(shù)，能在強大硬件的基礎(chǔ)上迅速演算出視覺畫面。與傳統(tǒng)的膠片動畫生產(chǎn)流程相比，數(shù)字動畫生成的素材更加具有實時性，可編輯性，高效性。數(shù)字動畫的渲染方式最常見的計算方式是CPU渲染，也就是中央處理器渲染，優(yōu)點是效果極其真實，層次豐富。缺點是渲染速度緩慢，尤其是影視級的渲染尺寸。

二、GPU技術(shù)運用分析

GPU技術(shù)的推出是保證渲染畫面的真實性和實時性一體化的新型技術(shù)，基于顯卡的物理加速特性。在保證顯存與GPU主頻和渲染管數(shù)量足夠多的情況下，能夠保證三維次世代動畫的真實再現(xiàn)。發(fā)展至今，無論是三維軟件還是一些設(shè)計插件都逐漸使用了GPU技術(shù)，這些技術(shù)的實現(xiàn)和完善在次世代動畫和影視上逐漸壯大。有些動畫制作部門甚至完全使用了這些技術(shù)去作為制作影視動畫的主流方式。具體的功能可以從下面兩類軟件去分析：

首先，三維設(shè)計軟件是主流。以著名的Autodesk公司旗下的Mudbox為例，這是一款基于GPU技術(shù)的三維雕刻工具，設(shè)計者能夠在人機交互的情況下，給場景內(nèi)的物體進行高光、顏色、凹凸、法線等相關(guān)細節(jié)的設(shè)計。同樣可以對物體進行細節(jié)與形狀的修整，和以往的必須通過平面軟件繪制顏色與法線，然后三維軟件渲染才能看見效果的CPU設(shè)計方式相比，這種所見即所得的實時方式毫無疑問效率更高。

另一款比較類似的軟件是Mari，一款基于顯卡處理器的貼圖材質(zhì)繪制軟件，制作者能夠直接在物體表面繪制材質(zhì)和層級，和Mudbox類似，但是能夠支持的貼圖尺寸更大，畫面越精細。屬于一種電影級別的次世代材質(zhì)軟件。設(shè)計師可以直觀地使用遮罩或是貼圖直接在物體表面繪制細節(jié)，例如電影《阿凡達》里面的飛龍就是用這個當時還處于Demo階段的軟件繪制完成的貼圖，由于使用起來極其方便，很快就變成了商業(yè)版本。用這款三維繪圖軟件唯一真正的限制就在于使用者的顯卡性能。也就是GPU的引擎性能。大多要求能夠流暢運行的平臺基礎(chǔ)是專業(yè)顯卡。對于GPU的運算主頻和顯存要求甚高。但是一旦GPU硬件能夠滿足設(shè)計需要，此后能給設(shè)計師打開的將是天馬行空的創(chuàng)意世界。

與此類似的軟件還有制作游戲貼圖常用的Bodypaint，可以在三維的模型上面直接繪制并觀察詳細細節(jié)，例如在人物的素模上直接繪制皮膚或是衣服的顏色和細節(jié)，包括一些盔甲或是毛發(fā)的顏色和質(zhì)感，同樣可以在GPU的支持下進行分層繪制，由于大多游戲支持的面數(shù)有限，以角色模型為例，一個電影級的精細模型大約在500-1000萬面左右，但是游戲為了保證人機交互流暢，一般面面數(shù)都會嚴格控制，單機游戲一般都控制在1-2萬各面，網(wǎng)絡(luò)游戲的角色模型還要更加低，僅有500-1500左右的面。面數(shù)的過低可以保證游戲的流暢度，但是模型的細節(jié)必然大打折扣，既然游戲模型在那么在低模細節(jié)不足的情況下，就必須通過材質(zhì)的繪制給它添加上應(yīng)有的細節(jié)。這些材質(zhì)繪制軟件的細節(jié)繪制功能大多大同小異。

在次世代的動畫設(shè)計中，我們會經(jīng)常使用高模轉(zhuǎn)低模的方式獲得一些細節(jié)的貼圖，例如在三維軟件例如maya或者zbrush內(nèi)制作好模型的全部細節(jié)，然后再通過降低精細度獲得低模，通過烘焙的方式把高模的全部細節(jié)轉(zhuǎn)化為一張有細節(jié)信息的法線貼圖（normal map），再賦予低模之上，之后再導(dǎo)入游戲引擎或是影視渲染都會得到和高精細度模型一樣的效果圖，而渲染的時間卻會因為面數(shù)的大量減少而縮短了很多時間。大大提高了影視制作和游戲開發(fā)的效率。

其次，為了響應(yīng)次世代游戲的高質(zhì)量畫面與繁瑣的生產(chǎn)工藝，一類基于GPU渲染引擎的材質(zhì)繪制工具包應(yīng)開發(fā)而生，包括Substance painter，Quixel suite之類的材質(zhì)軟件。以Quixel suite為例，這種軟件需要設(shè)計者制作完成影視或是游戲的高模，然后通過拓撲軟件得到低模，再把低模進行分UV的工作，然后再結(jié)合高低模型烘焙出ID，AO和Normal之類的圖形文件，最后把這些圖形文件導(dǎo)進去Quixel suite引擎內(nèi)，通過選擇預(yù)定的材質(zhì)庫就能快速生成效果極其逼真的交互式渲染畫面，雖然中期的工作比較繁瑣，但是后期材質(zhì)的選擇與修改極其方便與直觀。

三、結(jié)語與展望

隨著圖形顯卡性能的高速發(fā)展，基于GPU引擎的三維設(shè)計軟件將會日益壯大，而使用起來卻越發(fā)直觀化，人性化，由此一來，設(shè)計師能夠逐漸從繁瑣復(fù)雜的流程中解放出來，把思路集中在設(shè)計效果上，從而推出更加激動人心，具有視上震撼力的次世代動畫。

參考文獻：

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（作者單位：廣東技術(shù)師范大學(xué)天河學(xué)院）