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“ 感知CG · 感觸創(chuàng)意 · 感受藝術(shù) · 感悟心靈 ” 中國(guó)最具影響力CG領(lǐng)域自媒體 在我之前發(fā)布的文章中曾經(jīng)無(wú)數(shù)次提到過(guò)攝影測(cè)量技術(shù),，那么很多伙伴可能對(duì)于這個(gè)技術(shù)了解不是那么透徹，到底什么攝影測(cè)量,，到底如何應(yīng)用呢,？今天，請(qǐng)這方面的專(zhuān)業(yè)級(jí)大神孫徹為大家講講其中的知識(shí)點(diǎn),。 作者介紹： 孫徹,，1999年9月至2003年7月， 北京工業(yè)大學(xué)（BJUT）,，取得計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本科學(xué)位 2013年8月至2015年12月,， 美國(guó)伍斯特理工學(xué)院（WPI）,，取得計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位畢業(yè)。 孫徹 技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)： ●熟悉CG和游戲行業(yè)最新技術(shù)趨勢(shì),，善于整合美術(shù)生產(chǎn)工具鏈,，開(kāi)發(fā)高效合理的美術(shù)生產(chǎn)流程。 ●計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)背景,，擅長(zhǎng)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和面向?qū)ο蟮拇笠?guī)模軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),。 ●熟悉現(xiàn)代GPU架構(gòu)和工作原理，能夠使用GPU設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算算法,。 ● 精通實(shí)時(shí)渲染, 全局光照技術(shù)和蒙特卡洛隨機(jī)化算法,。 ●熟悉商業(yè)游戲引擎Unreal Engine 4, CryENGINE 3和Gamebryo Lightspeed的使用和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 ● 具備5年跨平臺(tái)游戲渲染引擎開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn) (基于Windows和Mac OS X/iOS),。 ● 具備游戲引擎工具開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn) (基于C /CLI, C#),。 曾在英偉達(dá)（NVIDIA Corporation）北美總部、 博世（Bosch LLC）北美研發(fā)中心等公司工作,，目前在北京天鏡科技有限公司負(fù)責(zé)UE4技術(shù)美術(shù)指導(dǎo),。 1 概述 攝影測(cè)量技術(shù)(Photogrammetry)是一種借助照相技術(shù)對(duì)真實(shí)世界物體進(jìn)行3D模型數(shù)據(jù)重建的數(shù)據(jù)掃描技術(shù)。90年代末由好萊塢電影工業(yè)最先應(yīng)用在影視特效行業(yè),，近年來(lái)隨著商業(yè)攝影測(cè)量軟件的普及和游戲引擎實(shí)時(shí)渲染能力的提升,，攝影測(cè)量技術(shù)逐漸被歐美3A游戲工作室引入了游戲工業(yè)，成為了制作高品質(zhì)寫(xiě)實(shí)風(fēng)格數(shù)字資產(chǎn)(Digital Assets)的必備技術(shù),。我們參考EA DICE工作室在GDC 2016的會(huì)議演講,，使用UE4引擎實(shí)踐了這套工作流程，在這篇文章中給大家分享一些開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),。 圖1是我們制作的UE4示例場(chǎng)景,。圖3是UE4 G-buffer（Render Elements）可視化示例，UE4的PBR延遲渲染器實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似于迪士尼GGX BRDF的高光反射模型,，向美術(shù)人員暴露了基于金屬度-粗糙度貼圖的微表面shader材質(zhì)工作流程,，這和CG行業(yè)主流離線渲染器(如Chaos Group V-Ray)的材質(zhì)工作流程有一些區(qū)別，本文中我們也會(huì)簡(jiǎn)單介紹一下UE4中的PBR巖石素材材質(zhì)制作思路,。 圖1 使用攝影測(cè)量技術(shù)和UE4制作的峽谷場(chǎng)景 （場(chǎng)景制作：李征 技術(shù)指導(dǎo)：孫徹） 圖2使用攝影測(cè)量技術(shù)和UE4制作的峽谷場(chǎng)景局部,。 圖3 UE4引擎G-buffer（Render Elements示例）。 2 工作流程概述 我們的攝影測(cè)量工作流程如圖4所示,，主要包含了原始數(shù)據(jù)采集，3D數(shù)據(jù)重建,，UE4引擎材質(zhì)和場(chǎng)景制作等步驟,。 2.1 原始照片數(shù)據(jù)采集 我們的照片拍攝流程參照了Epic Games官方博客給出的拍攝指南，設(shè)備清單和注意事項(xiàng)如下： 首要目標(biāo)： ● 被攝物體和背景同時(shí)清晰,，不要背景虛化,。 ● 被攝物體表面光影變化不強(qiáng)，最好不要有太陽(yáng)直射，有利于PBR材質(zhì)BaseColor貼圖去光,。 ● 對(duì)被攝物體拍攝20-30張多角度照片,，盡量覆蓋全部表面區(qū)域（近景重要物體最多可能要40-50張）。
我們使用的設(shè)備： ● 全幅數(shù)碼相機(jī)(Canon 5D Mark II/IV),。 ● 變焦鏡頭(Canon 24-70 F2.8/24-105 F4),， Sigma 8mm魚(yú)眼鏡頭。 ● 獨(dú)腳架和三腳架,。 ● X-Rite ColorChecker Passport,。 ● 64G相機(jī)存儲(chǔ)卡和備用電池。 ● Gray/Chrome ball rig,，3D全景云臺(tái),。
拍攝時(shí)注意事項(xiàng)： 1 盡量選擇陰天多云的天氣，如果是晴天,，最好選太陽(yáng)照射不強(qiáng)烈的陰影背光區(qū)域,。 2 照相機(jī)切換到手動(dòng)模式，同一個(gè)被攝物體的所有照片使用統(tǒng)一參數(shù),，設(shè)置如下： ● 關(guān)閉自動(dòng)白平衡,，設(shè)置到一個(gè)固定值，比如晴天,，或者陰天預(yù)設(shè),，或者4800k色溫 ● 固定ISO，越低越好,，晴天100,，陰天200-640 ● 光圈范圍F10-F14，為了避免背景虛化,。 ● 根據(jù)被攝物體遠(yuǎn)近,，用合適的焦段，為了避免背景虛化,。 ● 拍攝前拍攝帶有白平衡卡的被攝物體,，為了后期白平衡校準(zhǔn)。 ● 合適的曝光,，注意相機(jī)測(cè)光標(biāo)尺的位置,。 ● 使用相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)格，關(guān)閉各項(xiàng)色彩調(diào)整功能,，拍攝用raw格式,。 3 拍攝時(shí)360度圍繞被攝物體，拍攝2到3個(gè)機(jī)位高度,，15-30度角的平移旋轉(zhuǎn)增量,，盡量覆蓋完全,。 ▲ 圖5 使用X-rite色卡護(hù)照記錄被攝物體 附近的入射光強(qiáng)度和白平衡信息。 ▲ 圖6 使用獨(dú)腳架,，確保拍攝出清晰的照片,。 ▲ 圖7 使用Gray/Chrome ball rig記錄 入射光方向和強(qiáng)度，用于后期HDR燈光Look Dev,。 ▲ 圖8 用Lightroom對(duì)原始照片 進(jìn)行白平衡和光照強(qiáng)度校準(zhǔn),。 我們嘗試了Epic Games Kite Demo中使用灰球/鉻球配合HDR IBL的材質(zhì)去光方式，這種方式可以用于CG影視級(jí)別的精準(zhǔn)PBR材質(zhì)還原,。但是對(duì)我們來(lái)說(shuō),，無(wú)論是逐模型對(duì)象HDR IBL采集過(guò)程還是后期去光流程，都比較繁瑣,。因此目前我們采用的是類(lèi)似于EA DICE工作室的基于模型世界空間法線和AO貼圖的去光流程,。主要包括兩個(gè)階段： 階段一，Lightroom前期去光,。 階段二,，Substance Designer后期去光。 ▲ 圖9 Lightroom前期去光,。
▲ 圖10 在Substance Designer中 使用世界空間法線和AO貼圖進(jìn)行后期去光,。 我們使用Substance Painter烘培出模型的世界空間法線和AO貼圖。利用世界空間法線可以產(chǎn)生世界空間方向性遮罩,，對(duì)BaseColor貼圖進(jìn)行方向性插值去光,。同理，使用AO貼圖對(duì)物體表面縫隙和溝壑區(qū)域生成遮罩,，并進(jìn)行插值去光,。去光結(jié)果如圖11所示。
▲ 圖11 使用Substance Designer 進(jìn)行后期去光前后的模型BaseColor貼圖,。 2.2 3D原始模型重建 我們同時(shí)使用了Agisoft Photoscan和Reality Capture兩款攝影測(cè)量3D模型重建軟件,。兩者的重建品質(zhì)都非常出色。Reality Capture的用戶界面更加美觀簡(jiǎn)潔,，GPU加速計(jì)算速度更快一些,。Reality Capture使用過(guò)程中的截圖如下所示：
▲ 圖12 使用Reality Capture 生成原始3D模型點(diǎn)云。 點(diǎn)云生成結(jié)果的好壞取決于照片序列清晰程度以及照片數(shù)量,。對(duì)于巖石素材,，我們使用Reality Capture的一般品質(zhì)(Normal Detail)選項(xiàng)生成點(diǎn)云，生成速度根據(jù)具體GPU性能而異,，一般在5-10分鐘內(nèi)完成,。
▲ 圖13 照片投射生成模型貼圖。 2.3 原始模型修復(fù) 我們使用Zbrush對(duì)原始點(diǎn)云生成的高模進(jìn)行修復(fù),。主要使用Dynamesh和ZRemesher對(duì)原始模型進(jìn)行重新拓?fù)?。同時(shí)，使用UVMaster在Zbrush中進(jìn)行模型UV展開(kāi),。最終我們從ZBrush導(dǎo)出重新拓?fù)浜蟮牡兔鏀?shù)模型用于UE4實(shí)時(shí)渲染,。如下所示：
▲ 圖14 尚未修復(fù)的原始高面數(shù)模型。
▲ 圖15 修復(fù)完成并重新拓?fù)浜蟮牡兔鏀?shù)模型,。
▲ 圖16修復(fù)完成并重新拓?fù)浜蟮母呙鏀?shù)模型,。 2.4 PBR材質(zhì)重建 為了獲取UE4所需的模型BaseColor貼圖，我們首先使用Reality Capture導(dǎo)入并重新投射在Zbrush中修復(fù)的高面數(shù)模型,。之后,，使用Substance Painter烘培模型法線，世界空間法線,，曲率圖和AO圖,，然后使用其圖章克隆工具修復(fù)缺失部分的BaseColor貼圖。Substance Painter在應(yīng)對(duì)這種修復(fù)工作的時(shí)候非常好用,。
▲ 圖17 在Substance Painter中 修復(fù)模型的BaseColor貼圖,。 對(duì)模型BaseColor圖進(jìn)行后期去光后，我們?cè)赟ubstance Designer中翻轉(zhuǎn)BaseColor紅色通道用于生成PBR材質(zhì)的粗糙度貼圖,，我們把PBR材質(zhì)的粗糙度,，金屬度和AO圖合并到一起并從Substance Designer中導(dǎo)出給UE4：
▲ 圖18 從Substance Designer中 導(dǎo)出合并后的粗糙度，金屬度,，AO圖給UE4,。 2.5 在UE4中制作巖石PBR材質(zhì) 目前我們?cè)赨E4中為每個(gè)攝影測(cè)量素材使用三張基礎(chǔ)貼圖（BaseColor，合并后的粗糙度/金屬度/AO,，整體法線）,。同時(shí)，仿照EA DICE工作室的材質(zhì)實(shí)現(xiàn)思路,，為了實(shí)現(xiàn)近距離觀看模型表面細(xì)節(jié),，疊加了巖石和樹(shù)木的可替換細(xì)節(jié)平鋪貼圖。如下所示：
▲ 圖19 UE4攝影測(cè)量素材主材質(zhì)的BaseColor,， 粗糙度/金屬度/AO,，以及整體法線貼圖。
▲ 圖20 細(xì)節(jié)貼圖的平鋪次數(shù),，旋轉(zhuǎn),，法線強(qiáng)度控制。 當(dāng)模型距離攝像機(jī)距離變遠(yuǎn)時(shí),，細(xì)節(jié)貼圖會(huì)引入不必要的高頻信息,，因此通過(guò)像素距離遮罩去掉遠(yuǎn)距離的細(xì)節(jié)貼圖，之后通過(guò)逐頂點(diǎn)/像素法線計(jì)算的積累臟跡遮罩實(shí)現(xiàn)物體表面落土效果：
▲ 圖21 在材質(zhì)函數(shù)MF_DetailDistanceFade中 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離物體細(xì)節(jié)貼圖漸隱效果,。 最終實(shí)現(xiàn)的UE4攝影測(cè)量素材效果如下所示：
▲ 圖22 UE4中的攝影測(cè)量素材預(yù)覽效果,。 3 UE4自然場(chǎng)景制作 我們采用模塊化場(chǎng)景制作理念,，將山體和地表巖石拆分成可拼接素材模塊。對(duì)于燈光方案,，我們使用Lightmass烘培燈光,，這樣對(duì)于結(jié)構(gòu)性場(chǎng)景，可以獲取到非常漂亮的全局光照效果,。我們盡量制作出中小規(guī)模（如100米*100米）尺寸的場(chǎng)景,，原因在于我們希望通過(guò)攝影測(cè)量素材盡量表現(xiàn)近景區(qū)域的豐富細(xì)節(jié)，同時(shí)也想控制住整體貼圖資源量不超預(yù)算,。
▲ 圖23 在UE4中使用模塊化素材拼接場(chǎng)景,， 并使用Lightmass烘培場(chǎng)景燈光。 |
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