以REV2為基礎製作賽車引擎聲

汽車引擎聲一直是遊戲聲音設計工作中難度比較大的部分，難度主要來自以下幾個方面：

1、音訊品質要求高，採集難度大。

競速遊戲這個細分品類已經有了不短的歷史，引擎聲在該類遊戲中尤為重要，各家競速遊戲大廠在這方面都各懷絕技，甚至不乏為競速遊戲單獨開發遊戲引擎的廠家，高階競速遊戲在不斷的拔高玩家對於音訊品質的要求。且此類音訊的原始素材獲取難度較大，高階車型價格昂貴，即使只是租來進行錄製，也是一筆不小的花費。錄製的過程也不是錄音棚裡架幾隻話筒就可以搞定的，對場地和錄音手法都有非常高的要求。

2、發生機制複雜多變。

一輛車在行駛時會有非常多的部件同時發出聲音，且各自發聲的原理和變化趨勢都不盡相同，想要做好車輛的聲音，不僅需要紮實的遊戲音訊設計製作功底，同時要需要對汽車的機械原理進行研究，理清楚內燃機、傳動軸、離合器、變速箱、渦輪、懸掛、排氣管等等東西的工作原理和工作方式，才可能在遊戲中模擬出自然的汽車聲。

3、遊戲中對於音訊的互動性要求非常高

遊戲中車輛的聲音需要隨著遊戲的程式，車輛的狀態，玩家的操作實時變化，且符合物理規律和聽覺習慣。但是遊戲中的聲音大部分都基於取樣——儲存——觸發——播放這一簡單的邏輯來執行，聲音取樣的內容都是固定的。雖然現在的遊戲聲音引擎大多提供了可控取樣、可控音高、可控濾波等等改變聲音的方式，但是這些手段依然難以滿足競速遊戲日益高漲的音效品質需求。

4、一個良好的賽車遊戲對於音訊程式的要求很高，發動機聲音的製作需要一個可以模擬發動機工作原理的程式核心作為基礎，且該程式核心可以提供各種模擬真實車輛執行時各種細節變化的引數供音訊引擎使用才可以。

最近一段時間，筆者出於個人興趣對Wwise內提供的車輛引擎外掛REV2進行了一些簡單的研究，結合UE4的賽車遊戲模板搭建了一個Demo，其實機效果還算不錯，為低成本製作擬真賽車聲提供了可能，現在將製作過程和效果和大家分享。


一、REV外掛簡介

REV是Wwiss的合作友商CRANKCASE AUDIO推出的一款外掛，其本質是一個專門針對車輛引擎聲的粒子合成器。關於REV的背景和詳細引數大家可以參閱REV的使用者手冊，每個下載了REV外掛的使用者都可以在這裡找到它。


為了方便大家理解後續的文章，此處我們簡單介紹下REV的幾個關鍵引數及其使用方法：


該截圖包含了使用REV最關鍵的幾個選項和引數。藍色方框為目前載入的發動機取樣模型。Import Model鍵可以切換其他模型載入。REV官方提供了很多現成的高質量取樣可以直接使用，只要取得授權就可以直接運用到自己的遊戲裡。

紅色方框為控制REV發聲的所有所需引數，發動機聲音的所有變化均通過這幾個引數控制來實現：

• Throttle：油門，可以模擬不同油門大小下發動機的聲音變化。
• Gain：發動機音量，可以控制總體發動機音量的大小。
• RPM：發動機的轉速，用來控制聲音隨著發動機轉速而改變。
• Gear：檔位，配合車輛的換檔操作。
• Velocity：車輛的速度，用來控制聲音隨著車輛速度發聲改變。
  

然後，我們需要為這些引數建立各自對應的Game Parameters。比如像這樣：


然後將這些RTPC全部對應起來：


這樣，REV就可以接受遊戲引擎發出的引數，從而實時模擬遊戲中車輛的狀態發聲了。接下來，我們建立一個引擎聲的事件並把它匯入UE4。

二、在UE4中呼叫REV的聲音

開啟一個UE4的高階載具模板工程，然後開啟載具藍圖，觀察其聲音設定。可以發現它的聲音設定非常簡單，只是掛接了一個通過載具前進速度調製的發動機loop聲，其表現力非常的一般。



我們將這個聲音去除，新增Wwise的聲音，並修改引數的設定，不僅僅讀取速度，同時也讀取車輛的檔位和發動機轉速，且將這些資料傳送RTPC。



然後UE4就開始讀取和調製Wwise的聲音，我們可以得到了如下效果：


由於REV本身的聲音品質比較優秀，引擎聲的質感的確提升了。但是，總體的聽感依然不佳，且出現了一些非常不符合現實情況的聽感。比如，在達到高速狀態後，發動機轉速就保持5700轉不動了，因為發動機轉速不再變化，聲音也就沒有了變化，高速狀態下的聲音機械感非常重。這種情況在現實世界中是絕對不會出現的，發動機不可能保持一個固定轉速紋絲不動。且因為所有內燃機都是有轉速保護機制，當超過最大轉速後會強制中斷油料供給，俗稱“斷油”。所以為了避免這種非正常發聲，我們需要對聲音的發聲機制進行優化。

想要解決這個問題其實並不簡單，因為它不是簡單的調整一兩個引數就可以解決的，我們需要暫時先從遊戲引擎中跳脫出來，總體的瞭解一下內燃機的工作原理，才能夠找到正確的解決該問題的方法。

三、汽車引擎發聲機制詳解

本段落我們將會對車輛的動力結構和執行原理進行介紹，主要包含內燃機、離合器、變速箱這三個部分。

1、內燃機

內燃機的家族其實十分龐大，細分種類也非常多，如果全部詳解介紹其工程結構及其種類劃分等將是一個非常巨大的工程。所以此段落我們只簡單的介紹其工作原理。其他的全部忽略。後期需要針對車輛做細分的時候再去了解發動機的缸數、衝程數亦或者是轉子發動機這類的特殊概念也不遲。

以最常見的往復活塞式內燃機為例。霧狀的汽油和空氣的混合物從進氣口進入，被火花塞點燃，推動活塞向下，驅動轉子，然後排氣口開啟，活塞向上，將燃燒後的廢氣排出，進入下一次迴圈。這就是內燃機的工作流程。


在這一個流程中有三個引數和遊戲的聲音製作息息相關——油門、發動機轉速和扭矩。

油門和大家都比較好理解，油門越大，進入內燃機內部的燃油就越多，點燃後的燃燒就越劇烈，產生的動力就越大。

發動機轉速也非常好理解，一般遊戲裡影響車輛聲音變化的最主要引數，就是發動機轉速。

但是扭矩這個引數，大多數對於內燃機工作原理不太瞭解的人很容易將之忽略。或者簡單的將它理解為發動機動力的大小，認為它和油門、發動機轉速是成正比關係的。這樣的認知其實是有偏差的。

扭矩是用來表示內燃機完成一次完整的迴圈所輸出動力的大小，用一個不算嚴謹，但是易於理解的公式來講的話就是：

扭矩*發動機轉速=發動機動力

在這裡我要強調兩個常見的誤區：

誤區一：發動機轉速越快，扭矩越大。

錯，隨著發動機轉速的提升，在超過一定的閾值後，扭矩反而會變小。

誤區二：發動機轉速越快，發動機功率越大，輸出動力越大。

錯，中低轉速時，發動機功率的確是隨著轉速上升的，但是在達到高轉速後，發動機功率會隨著轉速的提升而下降。

為了方便大家更好的認識扭矩、功率和發動機轉速之間的關係。這裡提供了一個圖示，分別為渦輪增壓發動機和自吸氣發動機的工況圖。



對於不太熟悉內燃機的朋友來說，以上兩點有那麼一點反直覺，但是對於有一定車輛駕駛經驗的朋友們來說，以上兩點不難理解。

所有車主在高速公路上駕駛車輛時，都會選擇一個合適的檔位，保持發動機的轉速處於中高區間，每次的升檔操作也都是在發動機轉速稍微偏快之後，而不是等發動機轉速頂滿再升檔。因為並不是發動機轉速越快產生動力越大，所以一旦發動機轉速超過了能夠輸出最大動力的節點，那麼這個時候就應該換擋了，保持發動機始終處於動力輸出較大的區間，就可以在消耗相同燃料的情況下跑更遠的距離，這種做法俗稱“省油”。但某些競速遊戲中可能出現發動機接近頂滿再換擋的現象，原因下文再敘。

根據我們上文的分析，我們就可以找到上一段遊戲視訊中車輛出現發動機轉速頂滿的原因——扭矩變化設定不合理或車輛阻力設定不合理。

正常競速遊戲中，在車輛接近最高速時，發動機轉速應該處於功率輸出最大值對應的轉速，該轉速通常大約為最大轉速的90%-95%左右。超過該轉速後發動機單位時間內提供的動力會下降，所以無法繼續提速。遊戲中應當設定合理的發動機扭矩或功率曲線，以模擬該效果，否則發動機的聲音變化就不符合真實車輛的執行邏輯，從而失去擬真感。所以我對UE4車輛藍圖中的扭矩曲線做了如下修改（雖然我們的小白車連車殼都沒有，但是也要假裝自己有一個渦輪增壓發動機）。


該曲線其實也不嚴謹，大家可以根據需求調整自己的扭矩曲線。如此調整之後，則不會再輕易到達最大轉速。


但是如果這中間還調整過其他的引數，我們可能遇到新的問題。車輛的檔位切換不太順暢，甚至可能出現車輛掛檔掛不上去的情況。3檔掛4檔後會瞬間退回3檔。為了解決這兩個問題，接下來我們來看車輛引擎裡另一個很重要的部件——變速箱。

2、變速箱

變速箱是用來調整發動機轉速和車速之間關係的裝置。我們可以通過一個極度簡化的圖來了解變速箱的工作原理，變速箱就是圖中右邊那個會改變自身大小的齒輪。齒輪越小，發動機轉動一週可以驅動汽車移動的距離越遠，但是發動機的負載更大。


因為變速箱的存在，不同檔位下相同的發動機轉速可以獲得不同的車速，這樣我們就可以通過換擋讓發動機一直保持在高功率轉速區間工作。在遊戲引擎中，每個檔位的引數通常使用“齒輪比”來調節，看完上圖後，齒輪比的含義想必大家也都很清楚了。

我們可以看一下UE4的變速箱設定，可以簡單解釋一下這裡的幾個引數的作用。


自動變速——勾選與否決定了車輛是自動切換檔位，還是玩家操作手動切換檔位。

齒輪切換時間及齒輪自動盒體延遲——控制換擋過程的時長。

最終比——該值會同時影響所有檔位，取值越小，車輛可以達到的最高時速越大，同時車輛的負載越大。

齒比——每個檔位發動機轉速和車速之間的比值，值越小相同發動機轉速下車速越快，負載越大。

上齒比——自動變速模式下，當發動機轉速達和最大轉速的比值大於該值時觸發升檔。

下齒比——自動變速模式下，當發動機轉速達和最大轉速的比值低於該值時觸發降檔。

理解了變速箱的原理和遊戲中引擎中的相關設定之後，我們就可以解決之前遇到的問題了。

如果自動變速的車輛換擋時機不對，那麼原因是各檔位齒輪比設定的不合理。比如如果各檔位的齒輪比設定都是一樣的話，那麼每個檔位的加速度都是相同的，就沒有了檔位之間的區別。

如果出現掛擋失敗，反覆升降檔位的情況，那麼原因就是兩個檔位之間齒輪比差異過大，或者車輛發動機扭矩不足，導致升檔後發動機負載過大無法繼續提速，從而轉速下降又觸發了降檔。

另外，還有一個部件對於控制車輛檔位切換至關重要，那就是離合器。

3、離合器

關於離合器的結構和工作原理，我們同樣用一個極簡的圖示來解釋：


離合器的主要功能是控制內燃機和變速箱的結合，其最大的優點是可以控制結合的力度，可以緩慢的結合到一起，也可以緩慢放開，就算髮動機轉速很快的時候進行結合和鬆開的操作也不會產生機械損傷。離合器如何做到這一點，我們暫時不用深究。對於音訊設計師來說我們需要明白的是——離合器控制動力的傳輸和換擋機制的觸發。

在駕駛模擬遊戲中，非核心玩家一般是不會使用手動離合的，且在非擬真駕駛類遊戲中，甚至玩家可能無法控制離合。玩家的操作只有油門、轉向、剎車。檔位切換就全部交給自動變速機制了。那麼我們需要設計一個符合現實車輛執行邏輯的離合機制。但是如果細究離合的運用方法，可能較為複雜。所以我們簡化一下：當發動機給車輛輸出動力的時候，離合就應當閉合。當發動機停止給車輛輸出動力時離合就應當開啟。在UE4的demo中我們可以直接使用油門來控制離合，其他非駕駛模擬類遊戲也可以採用這種方法。



UE4中自身的載具模組也是同樣的執行邏輯，當你鬆開油門，車輛自然減速，發動機轉速下降是不會觸發降檔機制的，會一直下降到0。為了方便大家更好的理解離合的開閉對於聲音表現的影響，我們可以通過視訊來對比一下不同情況下的聲音表現：


在現實生活中，如果離合完全開啟下的情況下踩油門，車是不會動的，所以這種情況下匹配行駛的聲音效果不佳，換檔時的聲音質感非常的鬆軟。

離合全程閉合的情況下，車輛在自然減速甚至剎車的過程中都會觸發升檔的聲音，這也非常不合理。尤其在剎車時，我們希望車輛儘快停下，當然要斷開發動機的動力供給，所以肯定不該通過降檔提升發動機轉速。

如果遊戲內的互動邏輯如果可以寫的更加精細和複雜，有更加擬真的離合控制邏輯更好。如果沒有，那麼通過油門控制離合是一種簡易且有效的方法。瞭解完離合器的工作原理以及它對聲音的影響後，我們就可以回到Wwise中來設定離合的引數了：


Enableshifting：這個引數就是用來控制離合的，當該引數取值為on，rev就會在檔位發聲變化時播放檔位切換的聲音，取值為off就不會觸發檔位切換聲，我們將它和油門的引數繫結在一起，當油門被摁下時，離合就結合。

當我們完成了對於檔位、離合、發動機引數的所有調整後，我們就可以得到這樣的聲音。其聽感基本符合正常車輛的執行表現。


但是，這隻有發動機的聲音，其實還缺失了非常多的細節。下一章節我們來給車輛新增更多的聲音細節。

四、更加豐富的車輛聲音細節

我們大致可以將車輛聲音的發聲源拆解為如下幾個部分，然後分別探討他們的做法。


內燃機、離合器和變速箱部分我們已經在上文討論了。接下來討論其他車輛部件的發聲規則和製作方法。

1、胎噪與風噪

胎噪的製作以loop取樣為主。給loop新增多段隨機素材減少重複感，同時增加車輛速度的RTPC來調製loop的音高、音量以及不同強度之間的過渡。而且需要製作不同的地面材質，利用switch來切換。最後如果可以獲取車輛輪胎和地面的摩擦係數更好，可以使用該引數來控制輪胎打滑聲的觸發和變化。我這邊偷了個懶，沒有計算輪胎和地面的摩擦，固定在剎車和轉向時會觸發聲音。


2、懸掛

懸掛的種類其實很多，我們這裡並不詳細探討懸掛的工作原理和種類劃分，只探討它對聲音的影響。因為懸掛的本質是一個緩衝減震裝置，保證車輛在崎嶇不平的道路上行駛時的穩定性。當車輛產生顛簸時，發動機的發聲會受到一定的影響，且懸掛會影響車輪受到的壓力，導致車輛的負載產生變化。所以這裡針對車輛的懸掛系統我們要做兩件事：

• 製作會隨著懸掛受力情況變化而改變的車身抖動的聲音。
• 使懸掛的抖動可以對發動機和胎噪的發聲產生一點影響
  

為了完成這兩件事，首先我們需要獲取車輛的懸掛偏移引數，這裡我一共獲取了5個RTPC，分別是pianyi1、pianyi2、pianyi3、pianyi4對應四個輪子各自的懸掛偏移，然後將這四個引數求和得到一個總體的偏移量“zhendong”：


然後我們需要製作不同力度的車輛抖動聲音，並使用偏移程度和車速來同時調製他們：




這樣就可以製作出隨著車輛顛簸而動態變化的聲音。

3、渦輪

對於渦輪的原理我們也做一下簡單的介紹，其實渦輪就是一個超高轉速的風扇，用來增加發動機的進氣量，從而使發動機可以在一個衝程之內燃燒更多的燃油，來提升發動機的效能。前文我們討論扭矩的時候就同時提供了渦輪增壓型和自吸型兩種發動機的扭矩和功率變化圖。渦輪增壓發動機更容易達到最大扭矩且保持的時間更長。具體渦輪的工作原理我們就贅述了，我們只關注一個問題——渦輪發出什麼樣的聲音，以及它在什麼樣的情況下發出聲音。

渦輪的種類不同，發出的聲音會略有差異，不過在遊戲中的表現大致都是高頻的轉子轉動聲，因為渦輪本身就是一個超高轉速的風扇，其轉速可以輕鬆達到每分鐘上萬轉，甚至十萬轉以上。

其發聲的區間一般是發動機達到一定轉速以後。通常是至少達到2000RPM 以上才開始發揮作用，也只有這個時候渦輪的轉速才足夠高，其運轉的聲音才會被人所察覺。且在渦輪的聲音可以被察覺後，其聲音的變化幅度要小於發動機。

發動機轉速下降以後，渦輪的聲音不一定停止，一些高效能賽車為了避免“渦輪遲滯”，會安裝偏時點火裝置，保持車輛發動機轉速下降後渦輪依然可以繼續工作。所以渦輪的聲音製作需要根據不同的車輛定製，沒有通用解。

在我的遊戲工程裡，我就偷懶了，沒有考慮特殊情況，渦輪的觸發繫結發動機轉速，且並未使用渦輪的取樣。而是使用了一個經過處理的電鑽的聲音來模擬渦輪。


4、排氣管

對於高品質競速遊戲，排氣管在汽車執行時的聲音是需要單獨製作的，loop拼接過度的做法基本可以滿足需求。這裡我們著重強探討一個在遊戲中被誇大處理的聲音——回火。

現實生活中，“回火”一般出現在大排量效能車型上。在遊戲裡該機制的美術特效和音效表現是提升玩家遊戲感的重點機制之一。為了製作好回火的聲音，我們需要對回火的發聲機制進行一定的分析。引起“回火”的原因，大致可以分為三種：

• 穩定回火
  

發生時機：只發生在車輛高速高負荷執行時。

表現特徵：尾焰穩定且持續。

發聲型別：持續且穩定的燃燒聲，不會帶有爆鳴聲。

發生原因：某些車型中，為了給三元催化器和發動機氣缸降溫，會在發動機溫度過高（高負載高轉速執行時）的情況下，增加氣缸內的噴油量，這樣氣缸內的油氣混合物就不能完全燃燒，因為燃油過量了。這些過量的氣化燃油會在排氣管口遇到空氣後繼續燃燒，此時賽車的排氣管就會有輕微的淡藍色尾焰。在遊戲中這種穩定尾焰通常會用在各種超高速行駛的狀態下，如非常常見的氮氣加速。

• 爆鳴回火
  

發生時機：發動機進氣量嚴重不足時，通常是高速啟動，或者車輛在高負荷行駛狀態下突然減小油門的時候。

表現特徵：尾焰呈現短暫的點狀噴射。

發聲型別：類似爆炸的清脆爆破聲。

發生原因：由於發動機進氣量不足，氣缸內的燃油燃燒非常不充分，於是排氣衝程時，未燒淨的高溫汽油隨著氣流經過了高溫熾熱的排氣頭段和三元催化器（再度被加溫），高溫的氣化燃油由於氧氣不足無法燃燒。所以當這些廢棄來到排氣口，接觸到外界的新鮮空氣的一瞬間就會發聲爆燃，繼而引發爆鳴回火。

• 偏時點火
  

發生時機：換擋收油之後。

表現特徵：尾焰持續時間較短但是爆炸感不強。

發聲型別：排氣管的低頻轟鳴，悶響。

發生原因：競速賽車中，換擋收油後排氣量會降低，導致增壓渦輪轉速降低，重新加速踩油門的時候會帶來渦輪遲滯，為了讓賽車獲得更好的加速效能。賽車中裝備一種名為偏點火系統的裝置，英文為"Anti-Lag System"，簡稱ALS系統。偏時點火是在發動機不需要提供動力時停止點火動作，刻意讓油氣在排氣門開啟後進入排氣頭段。頭段溫度極高，油氣一接觸即爆炸，強大的爆炸壓力便會推動渦輪機的排氣葉片，使得渦輪機內的增壓端葉片高速運轉，保持增壓狀態，使車輛即使在低速或是換檔收油時不失去增壓效果。此類火焰是在發動機內點燃隨著排氣管排出，所以一般爆破感不強，聲音聽起來略悶。

在我的演示工程中，其實沒有單獨製作排氣管的聲音，因為車的模型根本沒有排氣管，而且我調整的車輛手感並不像高效能賽車，也沒有回火特效，所以我就只在發動機轉速下降到4100轉一下的時候會固定觸發一下回火，沒有製作其他更加複雜的聲音表現。

我們來看一下新增完各種細節的車輛聲音：

製作到這裡，就基本得到了文章開頭處的車輛聲音效果。也基本包含了車輛行駛所需的全部聲音。如果想要繼續提升品質，那麼之前提到的所有聲音都可以繼續找到更加高品質的音訊，也可以寫出更加嚴謹的程式來完成更加複雜的控制，有興趣的朋友們可以繼續研究。

五、REV的粒子合成器

之前的章節基本全都在討論如何給汽車新增更多的聲音，而對於REV本身的使用方法則討論不多，本章節將給大家簡單介紹REV自身的粒子合成功能，也就是如果我們不想用REV官方的取樣，要如何自己製作引擎聲的粒子模型。

首先我們需要準備三段引擎聲的取樣，分別為怠速狀態loop，引擎聲從怠速到最高速的勻加速取樣和最高速到怠速的勻減速取樣，類似這樣：

然後開啟REV的主介面，點選Open in REV.Tool，進入rev的粒子合成器。



然後點選File——Open wav file。載入我們之前準備好的均加速取樣。然後REV會分析取樣的共振峰頻譜，並顯示出來。


可以看到頻譜略雜亂，這是因為我選擇的音訊取樣不夠純淨，其中包含了一定的機械運轉聲，導致其共振峰變化不夠連續，如果可以獲得更為純淨的發動機音訊取樣，效果會好很多。

點選auto tag harmonics 在頻譜中選擇一組共振峰，理論上優秀的取樣共振峰是連續的，可以選區中很長的曲線，但是由於我準備的素材不好，所以選取的頻譜是斷續的。然後點選start cycle tracking，或者切換模式自己手動選擇共振峰範圍。



完成操作後rev會分析頻譜，生成粒子模型，拖動頻譜上的線可以試聽不同轉速下的加速聲。


藍線上的黑色小圈表示不同的轉速節點，調節黑圈的間距可以調節不同轉速之間聲音的變化範圍。

之後我們可以放大頻譜，使用select cycle調整生成的共振峰曲線，可以將某一段不合理的取樣，從我們的整體模型中剔除。


最後點選file——save partial document。將生成的粒子模型儲存下來。再開啟我們的減速取樣，如法炮製，生成減速取樣的粒子模型。完成之後切換到model選項卡。


把我們之前製作的粒子模型和怠速loop加入進來。點選simulate。就生成了新的完整的車輛引擎聲模型。我們可以在simulation頁面調整和試聽模型的效果，比如音量配比，加減檔的時間和音量等。


最後點選save，生成我們自己的.model檔案。

回到rev的外掛介面，點選import model，找到我們自己生成的model載入，就可以在遊戲裡使用我們自己生成的引擎聲了。


我們打包bnk，在UE4中重新構建聲音，就可以得到新的引擎聲，來跑一下看看效果吧。


結語

以上就是我個人對於如何使用REV 外掛和如果製作汽車聲音的相關分享，目前雖然涉及的面較為廣泛，但是最終的呈現效果還有待提升。汽車引擎聲只是我個人日常工作中很小的一部分，但是由於該類聲音的特殊性，我對於這類聲音的製作和研究非常有興趣。期待可以和更多的同行好友多加交流。


來源：Audiokinetic官方
原文：https://mp.weixin.qq.com/s/aZcMDxw6AncojFmEAYVf4g