洋銘TVS-2000A三維帶跟蹤虛擬演播室系統中所謂的PBR三維和其他三維有何區別?

　　在說(shuō)PBR之前，筆者先從個(gè)人角度談一下對于三維制作的一些理解，這將有助于對三維開(kāi)發(fā)感到陌生用戶(hù)更好地理解后續的內容。三維在制作到呈現的過(guò)程中，通常需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)環(huán)節：

　　1.原稿設計

　　從字面上就很好理解這一步需要做什么，三維設計師在一個(gè)項目開(kāi)始前，通常都會(huì )進(jìn)行原稿設計，原稿當中呈現的元素，通常是設計師需要在三維制作軟件中呈現的效果，它是一切設計創(chuàng )作的藍本，設計師會(huì )在原稿的勾畫(huà)過(guò)程中對于空間關(guān)系、光線(xiàn)陰影等因素做細致的考量。

　　“陽(yáng)光教室”三維空間設計原稿

　　2.模型架構

　　到了這一步，模型架構師會(huì )手持原稿上線(xiàn)，利用3DsMAX、Maya、Cinema4D、Zbrush或Quixel SUITE等工具，通過(guò)點(diǎn)、線(xiàn)、面和一些基本圖形來(lái)構架更為復雜的三維模型，經(jīng)過(guò)多年的軟件發(fā)展，這些應用當中產(chǎn)生的“白模”(也稱(chēng)為素模，指的是未經(jīng)添加材質(zhì)、色彩、骨骼、動(dòng)作等信息的基礎三維模型)通?？梢曰ネㄊ褂?。在這些軟件當中，你通?？梢钥吹揭恍┗野咨哪Ｐ统尸F出來(lái)，類(lèi)似于現實(shí)生活中的石膏像，它們表面能夠有一些高光和陰影，有些還可能覆蓋線(xiàn)框，這些可以幫助架構師判斷立體信息是否正確，但并不代表最終效果。

　　“陽(yáng)光教室”三維空間設白模示例

　　3.材質(zhì)貼圖

　　筆者認為材質(zhì)貼圖是拉開(kāi)設計師水平的關(guān)鍵一步，如果白模只像是石膏像的話(huà)，這一步才會(huì )讓你真的一眼識別出設計師究竟在做什么東西，設計師們往往通過(guò)調整材質(zhì)編輯器的參數來(lái)編輯材質(zhì)信息，如玻璃、金屬、木材等等，并把編輯好的材質(zhì)賦予模型，這些材質(zhì)參數會(huì )規定好某一個(gè)物體在光線(xiàn)下產(chǎn)生的反應，以便人眼可以快速的識別出它是什么。好的設計師會(huì )借助對現實(shí)物理世界的理解來(lái)定義參數，讓這個(gè)物體在虛擬世界當中更像它處在現實(shí)當中的樣子，也就是我們口中說(shuō)的“更真實(shí)”，有些模型因為用途的不同，還需要進(jìn)行UVmap的拓撲，相當于把模型的表面剖開(kāi)并全部壓平在一個(gè)平面圖上，以便設計師根據需要進(jìn)行貼圖編輯。當然，有些設計師在做材質(zhì)貼圖的時(shí)候，需要同時(shí)進(jìn)行下一步操作——架設燈光。

　　完成材質(zhì)貼圖的三維場(chǎng)景 場(chǎng)景內燈光照明的三維場(chǎng)景

　　4.燈光陰影

　　模型架構完畢并被賦予了材質(zhì)貼圖后，燈光師就可以接手了，他們會(huì )根據場(chǎng)景的用途和需要來(lái)設定燈光的位置、角度、范圍、強弱、衰減、色彩等諸多信息，這些因素可以說(shuō)決定了模型最終呈出的樣子。和影視拍攝一樣，好的燈光師不一定會(huì )攝像，但好的攝像師一定會(huì )架設燈光，在三維的架設當中，這個(gè)原理同樣存在，畢竟沒(méi)有光源，就沒(méi)有顏色，也就沒(méi)有人眼所能看到的一切。

　　5.用途定制

　　我們知道三維模型或者場(chǎng)景有很多的應用情景，比如物理模擬、建筑表現、機械設計、游戲開(kāi)發(fā)、影視制作等等，在這一步設計師會(huì )根據三維圖形不同的用途來(lái)進(jìn)行后續的操作，有的需要對虛擬人物進(jìn)行骨骼綁定，有些需要架設虛擬攝像機，在這里我們不做展開(kāi)。

　　6.渲染呈現

　　到了渲染環(huán)節，往往是三維圖形制作環(huán)節的最后一步，它需要由計算機來(lái)進(jìn)行操作，其實(shí)就是由計算機來(lái)做工作總結——計算機在白模的基礎上，加上設計師定義好的材質(zhì)和貼圖，配合光照信息模擬模型表面的粗糙度，計算好不同物體和光線(xiàn)來(lái)源之間的反射、折射關(guān)系，綜合虛擬攝像機、模型綁定、動(dòng)畫(huà)動(dòng)作等設定，進(jìn)行最后圖像的合成運算。當然，這一步需要計算機擁有非常好的性能，因為渲染過(guò)程當中每秒運算的數據量是非常龐大的數字。依照經(jīng)驗和個(gè)人理解筆者將渲染環(huán)節分成兩個(gè)大類(lèi)——預渲染和實(shí)時(shí)渲染。筆者認為不需要用戶(hù)端來(lái)進(jìn)行渲染操作的，都可以稱(chēng)為預渲染，比如建筑表現，三維軟件輸出的是建筑竣工后的圖片或者視頻，作為受眾只需要有一個(gè)屏幕能夠看到就可以了，用戶(hù)端并不需要進(jìn)行渲染運算;而實(shí)時(shí)渲染是說(shuō)用戶(hù)端的渲染，代表案例就是當前的一些主流3D游戲，它們需要用戶(hù)有足夠高的配置來(lái)解算游戲的文件包，將游戲畫(huà)面最終呈現在玩家眼前，玩家操作虛擬人物游走于不同的場(chǎng)景，這個(gè)過(guò)程實(shí)際就是一個(gè)實(shí)時(shí)渲染的過(guò)程。

　　“陽(yáng)光教室”場(chǎng)景最終渲染效果

　　說(shuō)到實(shí)時(shí)渲染，終于可以請出我們的主角了——PBR。PBR的全稱(chēng)是Physicallly-Based Rendering。簡(jiǎn)單的就字面含義可以看出，這是一種基于物理規律模擬的一種實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，也最早用于電影的照片級渲染。近幾年由于硬件性能的不斷提高，已經(jīng)大量運用于PC游戲與主機游戲的實(shí)時(shí)渲染。幾款著(zhù)名的3D引擎均有了各自的實(shí)現(UnrealEngine 4, CryEngine 3, Unity 3D5)。[3]在PBR出現之前，限于軟硬件的發(fā)展程度和所處水平，所有的3D渲染引擎，更多的著(zhù)重在于實(shí)現3D效果。當時(shí)這種3D效果模擬出來(lái)的虛擬模型有了空間感和立體感，但是往往給人不真實(shí)的感覺(jué)，就是會(huì )覺(jué)得特別的假。為了增強模型的真實(shí)感，PBR就是一套用來(lái)讓模擬出來(lái)的模型更真實(shí)的渲染技術(shù)。這種渲染技術(shù)，是基于真實(shí)的物理世界的，考慮了真實(shí)物理世界的成像規律在內。對于進(jìn)階用戶(hù)和愛(ài)好者而言，去深入地理解PBR不僅需要掌握成像原理和光學(xué)理論，還要經(jīng)過(guò)其他一系列系統地研究和學(xué)習，而作為普通用戶(hù)，我們在此不再贅述專(zhuān)業(yè)的知識理論，只來(lái)探討一下應用了PBR技術(shù)的TVS-2000和其它三維虛擬演播室系統有什么區別。筆者匯總了以下幾個(gè)方面：

　　1.更加逼真的空間環(huán)境

　　根據筆者的調查，目前在國內全部的入門(mén)專(zhuān)業(yè)級(單機售價(jià)30萬(wàn)元以下) 虛擬演播系統當中，僅有洋銘的TVS-2000應用了PBR技術(shù)，這也令相當一部分三維開(kāi)發(fā)者和專(zhuān)業(yè)愛(ài)好者為之振奮。PBR技術(shù)可以使TVS-2000在實(shí)時(shí)渲染的基礎上，實(shí)現“以假亂真”的虛擬空間效果，無(wú)論是材質(zhì)反饋、燈光效果還是細節處理，較其他引擎渲染的三維空間都有質(zhì)的飛躍。舉例來(lái)說(shuō)，筆者也曾測試過(guò)其它兩款三維虛擬演播室產(chǎn)品，這些產(chǎn)品都是利用烘焙貼圖模型實(shí)現三維空間呈現的，這種方式雖然可以很快速地實(shí)現實(shí)時(shí)渲染，但卻有一個(gè)根本性的問(wèn)題，就是場(chǎng)景物體表面的高光、陰影、反射都是“定格”在物體表面的，當你試著(zhù)移動(dòng)場(chǎng)景內的虛擬攝像機時(shí)，你會(huì )驚訝的發(fā)現，物體表面的高光并不會(huì )因為虛擬攝像機所處位置的變化而改變，你視網(wǎng)膜接受的信號會(huì )迅速告訴你的大腦——“你看到的是假的。”當你把場(chǎng)景當中的某一個(gè)物體移動(dòng)到場(chǎng)景外的時(shí)候，它在黑漆漆的環(huán)境中，依然維持著(zhù)它原本的樣子，這就反應出一個(gè)問(wèn)題——沒(méi)有實(shí)時(shí)的環(huán)境和光線(xiàn)反饋，這是大腦判定真假的重要證據。而這種問(wèn)題在TVS-2000中是不存在的，當你將它內置的三維場(chǎng)景當中的某一個(gè)物體移出光照區，它會(huì )因為失去光照而變得不容易被發(fā)現，有了真實(shí)的環(huán)境和光線(xiàn)反饋，大腦就會(huì )取消警惕狀態(tài)，甚至被迷惑，這就是實(shí)時(shí)物理渲染的魅力所在。

　　反恐精英v1.3畫(huà)面截圖 使命召喚11畫(huà)面截圖

　　舉個(gè)例子，喜愛(ài)電腦三維槍?xiě)鹩螒虻呐笥讯纪孢^(guò)《反恐精英》(Counter-Strike,以下簡(jiǎn)稱(chēng)CS)，早期版本的CS地圖就是典型的烘焙貼圖場(chǎng)景，玩家在場(chǎng)景中，是看不到一棵樹(shù)隨風(fēng)飄動(dòng)，且陰影隨之投射在地面上的，更不要提同一場(chǎng)景下的白天黑夜變化了，因為光照和陰影信息已經(jīng)通過(guò)預渲染壓在了模型表面，它并不能隨著(zhù)模型的移動(dòng)或光照的改變而變化，由此換來(lái)最大程度的兼容性和流暢性。當然，在計算機性能匱乏的年代，為了能夠保證三維游戲的流暢度，這幾乎也是唯一選擇。隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，曾經(jīng)理想的事情已經(jīng)變成現實(shí)，我們可以看到目前的槍?xiě)鹩螒颉妒姑賳尽?Call of Duty)已經(jīng)可以通過(guò)實(shí)時(shí)渲染技術(shù)實(shí)現照片般的畫(huà)面效果了，在部分場(chǎng)景下，玩家甚至無(wú)法分辨眼前的畫(huà)面是真實(shí)圖像還是三維場(chǎng)景。這種飛躍在三維圖形領(lǐng)域是一種飛躍，也代表了未來(lái)諸多科技企業(yè)的深耕方向，這就是為什么筆者在文章開(kāi)頭的時(shí)候會(huì )說(shuō)TVS-2000代表了三維虛擬演播系統未來(lái)的一種發(fā)展趨勢。

　　2.更加便捷的場(chǎng)景定制

　　相比以往內置在TVS-1000/1200當中的“3D小畫(huà)家”功能，內置在TVS-2000當中的場(chǎng)景編輯器才真正當的起“3D”這個(gè)頭銜，因為這個(gè)場(chǎng)景編輯器是真正地在編輯三維的場(chǎng)景，而不像以往的3D小畫(huà)家是在通過(guò)拼疊圖片來(lái)營(yíng)造“3D”的感覺(jué)。TVS-2000的場(chǎng)景編輯器相當于一個(gè)簡(jiǎn)化版的3DsMAX三維開(kāi)發(fā)工具，在其中你可以隨意移動(dòng)、縮放、旋轉模型，甚至添加或刪除它們，同時(shí)你還可以改變模型的材質(zhì)信息以及場(chǎng)景的光照條件，借助實(shí)時(shí)渲染的強大功能，你可以通過(guò)移動(dòng)燈光來(lái)改變場(chǎng)景模型呈現出的立體效果，甚至改變場(chǎng)景白天或黑夜的設定，在這里不需要經(jīng)過(guò)漫長(cháng)的學(xué)習，就可以體驗一把當三維設計師快感。當然這一切的重點(diǎn)意義在于你可以自由控制和定制你所需要的場(chǎng)景，根據你錄制的需要來(lái)布局你的拍攝空間，且這并不需要以犧牲畫(huà)面真實(shí)感為代價(jià)，更不需要付出大量的時(shí)間來(lái)學(xué)習三維軟件的操作。

　　3.更加強大的硬件性能

　　筆者在以往從事三維場(chǎng)景設計工作時(shí)，通常會(huì )率先搭建“渲染農場(chǎng)”，因為復雜一些的場(chǎng)景，內置模型數往往會(huì )過(guò)百，而構成這些模型的面通常數量會(huì )突破千萬(wàn)面，電腦要計算每個(gè)面的材質(zhì)、光照信息等一系列數據絕非易事，一張精細的圖片渲染起來(lái)，普通工作站平均都需要數小時(shí)來(lái)完成，為了保障工作效率，筆者會(huì )將多臺48核心(CPU)工作站通過(guò)網(wǎng)絡(luò )組建成“渲染農場(chǎng)”，一張圖片的模型信息會(huì )通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分流到各個(gè)工作站來(lái)分區渲染，渲染時(shí)間可以銳減到每張10分鐘。效率雖然提高了，但為之付出的成本卻不可不謂高昂，畢竟一臺服務(wù)器的售價(jià)就已高于25萬(wàn)元人民幣?；赑BR的實(shí)時(shí)渲染引擎可謂是像筆者一樣的開(kāi)發(fā)者們的福音，因為它幫助開(kāi)發(fā)者們省去了渲染所需的時(shí)間及成本投入。換另一個(gè)角度思考，基于PBR的實(shí)時(shí)渲染讓TVS-2000可以每秒最大輸出60張渲染好的場(chǎng)景圖(60幀)，這也直接反映出了TVS-2000強大的硬件性能，對于用戶(hù)和開(kāi)發(fā)者而言是可靠后臺保障。