建立下個時代的高畫質遊戲美術資源生產管線(一):攝影測量建模

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3D遊戲美術生產管線從最早的蘭伯特光照模型(基於傳統手繪生產流程)，到馮布林光照模型(加入法線，高光貼圖)，到如今流行的PBR(加入了反射率，物質屬性等概念)，已經迭代了數代，遊戲美術的製作工藝和流程也變得越發複雜。隨著計算機算力提升和顯示裝置的高畫質化，玩家對畫面品質的要求也不斷提高，傳統的遊戲美術生產流程無論從效率還是質量已經無法滿足使用者的需求。建立符合下個時代質量標準的遊戲美術生產管線已經成了每個有追求的遊戲公司的共識。作為遊戲美術從業人員，也要儘快升級自己的知識技能體系，主動迎接變革，才能跟上時代的步伐。

總覽國內遊戲圈子，對於美術生產管線的知識分享少之又少，本文打算從模型，貼圖，繫結，動畫和動作捕捉，shader，關卡，光照，後期，程式藍圖，最佳化等全面梳理基於下個時代美術生產管線，也算對這幾年自己工作和研究的一個總結。

第一篇我們聊聊攝影測量建模。

一、為什麼要使用攝影測量建模(photoscan)？

要回答這個問題，我們先回過頭來看看傳統美術生產管線。

早期的遊戲渲染管線通常只支援一個漫反射，缺乏完整的材質與光照概念，這就意味著遊戲的畫面效果好壞完全取決於美術資源的品質。為了做出漂亮的畫面，美術會在貼圖上表現儘可能多的細節，把材料的質感，反射，光影都用貼圖表現，也就是美術通常所說的手繪貼圖流程。如果美術的功底足夠紮實，做出來的產品畫面看去上往往也有不錯的效果。國內遊戲行業發展初期，不少廠家就以擅長製作高品質的手繪遊戲美術素材打響了招牌，比如完美、西山居等等。隨著時代發展，這種做法已經逐步被淘汰，僅在某些低預算的手遊和端遊中使用。


這種做法流程相對簡單，美術做完模型和貼圖匯入引擎就完事，不需要做額外設定。製作週期也較短，通常3-7天就可以完成一件美術資產的生產。

隨著實時渲染管線的進步，法線貼圖概念被引入到了遊戲中。關於法線貼圖的原理已經有很多文章介紹，在此不再贅述。簡單描述法線貼圖的概念就是將具有高細節的模型透過對映烘焙方式製作出法線貼圖，然後貼在低細節模型的法線貼圖通道上，使其表面擁有高細節模型的光影渲染效果，能在僅增加少量效能消耗的同時大大提升畫面表現力，從而達到最佳化動畫和遊戲的渲染效果。這個流程也就是業內俗稱的次時代流程。法線貼圖在上上個主機時代，也就是PS3和xbox360時代開始大規模應用。



法線貼圖的應用雖然大大豐富了模型的細節表現力，但是物體的材質屬性依然無法準確在遊戲的渲染管線中還原，只能透過美術人員的經驗繪製高光貼圖來模擬物體對光源反射效果。這樣就暴露了兩個問題：

1，透過經驗繪製出來的貼圖沒有統一的驗收標準，只能憑製作人員的審美和美術水平來估算效果，而美術人員的能力和經驗都是參差不齊的，這樣會導致產品品質不可控。

2，高品質的法線貼圖需要透過製作有極高細節的模型來獲得，而製作高細節模型需要花費大量時間，原本3-7天的工作量被增加到0.3-3個月，遊戲美術資產的生產週期被大大拉長，遊戲的開發成本也隨之成倍增加。隨著遊戲體量的增長，這個成本就算大廠也開始覺得難以接受。

當行業進入PS4時代，基於物理渲染的管線開始普及，也就是業內俗稱PBR。最早由迪士尼提出並應用與影視渲染。這方面的介紹文章也很多，這篇就不囉嗦了。PBR渲染管線主要解決了在真實光照環境下，物體的材質質感問題，使得遊戲畫面的擬真度再次大大提升。當然隨之提升的還有美術資源的製作標準和遊戲的開發成本。當物體的質感可以透過預設的引數來相對準確的還原的時候，剩下的問題就只有一個，如果快速獲得高品質的法線貼圖，或者更直接的說，如何快速獲得一個高質量的高細節模型。這時，攝影測量技術就進入了開發者的視線。



攝影測量建模，或者簡稱照片建模技術也不是什麼新鮮玩意，在影視行業和工業領域已經應用多年。簡單來說，照片建模就是對一個物體拍多張相片(最好是360度一圈)，透過演算法重建出3D模型的細節。目前各大圖形軟體廠商都有自己的照片建模工具，比較常用的有capturingreality，Photoscan，Autodesk 123D 等。國內也有不少廠商提供這方面的服務。如果只是想接觸一下其實門檻很低，拍一圈照片，匯入到軟體中，點選生成，等待十幾分鍾就能看到結果，拿手機就可以測試。


雖然理論上任何裝置拍攝的照片都可以。當然實際使用上肯定是畫素越高重建效果越好，透過手機拍攝出來的照片生成的模型只有大致輪廓，缺少準確細節，所以無法用於工業生產中。為了得到高質量的模型，除了拍攝裝置要支援超高解析度以外，還要控制鏡頭位置和焦距，避免出現變焦，抖動，景深；控制拍攝環境，避免出現大量高光，陰影，透明物體和黑色物體；控制拍攝時間，同一物件的一套素材照片最好同時拍攝完成；控制被拍攝物件的狀態，儘量保持靜止，這樣才能得到符合產品要求的模型。於是就出現了這玩意。


透過搭建相機矩陣，可以固定鏡頭位置，拍攝角度，距離，時間，同時將拍攝背景環境進行改造，配合鏡頭偏振光濾鏡，可以將反射干擾降到最低，從而得到質量穩定的照片素材。當然，這樣也大大提高了生產門檻，畢竟要搭一套這玩意還是挺麻煩的。這也是國內大部分公司沒有采用這套流程的一部分原因。如果沒有相關的技術儲備，可以選擇外包，國內也有很多家公司做這個，比如知乎上的大佬 @京一不二的公司就是專門做掃描的，給好萊塢和國內多部影視和遊戲提供過照片掃面服務。如果是預算有限的團隊可以選擇自己搭，我們就是比較了各家外包的價格之後，覺得還是自己搭比較便宜，於是就攝影器材城買了50個入門級單反，定製了一套架子。成本加起來也就十幾萬，軟體自己寫，基本夠用。在搭建過程中 @京一不二大佬也提供了很多幫助，在此表示感謝。

照片建模生成的模型佈線都是雜亂無序的三角面，貼圖也是雜亂無序的畫素碎片，無法直接用於產品中。所以還需要對模型進行清理和拓撲，通常使用的工具是wrap和zbrush。值得一提的是拓撲神器wrap，熟練情況下幾分鐘就可以完成模型的拓撲工作。比手動拓撲的效率高几百倍，因為是節點化操作，工程複用也很容易，尤其適合模型的批次處理。wrap也有zbrush外掛，但是更建議使用軟體本體，方便工程管理。這方面的教程很多，這裡就不展開說了，有興趣瞭解的也可以加我的q群908353590獲取我寫的製作文件討論。



透過照片建模和標準化的拓撲及繫結流程，可以把高質量的模型製作週期從幾個月縮短到幾天，並且由於紋理和模型都是基於現實產生，也可以極大降低對製作人員水平的依賴。將每個生產環節進行細分，並規範操作標準，就算是實習生或程式設計師也可以產出符合品質的美術資源，對生產力的提升是巨大的。國外的3A廠商已經逐步用掃描流程代替了傳統美術資源生產管線。比較典型的就是卡婊，自從生化危機7開始打通了這條生產管線以來，從2017年到2020，短短三年已經發布了生化危機2，3重製版，生化危機抵抗，鬼泣5等6款遊戲，產量十分驚人。虛幻新出的metahuman捏臉工具，也是基於這套流程打造。

以本人的速度來估算，類似這樣細緻到每根汗毛都清晰可見品質的角色模型，從0開始製作到進引擎除錯完效果，大概也就一到三天時間(不含毛髮）。




國內由於市場需求和歷史原因，大部分遊戲廠商的製作管線都比較落後，普遍落後國外大廠兩個時代，國內很多公司也不大注重生產管線的建設，導致上下游環節都跟不上，虛耗研發成本。我們產品在找外包的時候也非常痛苦，找到的外包供應商無論是製作流程和品質都達不到我們的需求，能達到的報價又虛高，只能招人自己培訓。寫這點東西也是希望國內的生產管線和技術能稍微提高一點吧，像現在卷得這麼厲害不是正常狀態。

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