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

　　在說PBR之前，筆者先從個(gè)人角度談一下對(duì)于三維制作的一些理解，這將有助于對(duì)三維開發(fā)感到陌生用戶更好地理解后續(xù)的內(nèi)容。三維在制作到呈現(xiàn)的過程中，通常需要經(jīng)過以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

　　1.原稿設(shè)計(jì)

　　從字面上就很好理解這一步需要做什么，三維設(shè)計(jì)師在一個(gè)項(xiàng)目開始前，通常都會(huì)進(jìn)行原稿設(shè)計(jì)，原稿當(dāng)中呈現(xiàn)的元素，通常是設(shè)計(jì)師需要在三維制作軟件中呈現(xiàn)的效果，它是一切設(shè)計(jì)創(chuàng)作的藍(lán)本，設(shè)計(jì)師會(huì)在原稿的勾畫過程中對(duì)于空間關(guān)系、光線陰影等因素做細(xì)致的考量。

　　“陽光教室”三維空間設(shè)計(jì)原稿

　　2.模型架構(gòu)

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

　　“陽光教室”三維空間設(shè)白模示例

　　3.材質(zhì)貼圖

　　筆者認(rèn)為材質(zhì)貼圖是拉開設(shè)計(jì)師水平的關(guān)鍵一步，如果白模只像是石膏像的話，這一步才會(huì)讓你真的一眼識(shí)別出設(shè)計(jì)師究竟在做什么東西，設(shè)計(jì)師們往往通過調(diào)整材質(zhì)編輯器的參數(shù)來編輯材質(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(shù)會(huì)規(guī)定好某一個(gè)物體在光線下產(chǎn)生的反應(yīng)，以便人眼可以快速的識(shí)別出它是什么。好的設(shè)計(jì)師會(huì)借助對(duì)現(xiàn)實(shí)物理世界的理解來定義參數(shù)，讓這個(gè)物體在虛擬世界當(dāng)中更像它處在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的樣子，也就是我們口中說的“更真實(shí)”，有些模型因?yàn)橛猛镜牟煌?，還需要進(jìn)行UVmap的拓?fù)洌喈?dāng)于把模型的表面剖開并全部壓平在一個(gè)平面圖上，以便設(shè)計(jì)師根據(jù)需要進(jìn)行貼圖編輯。當(dāng)然，有些設(shè)計(jì)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(shè)燈光。

　　完成材質(zhì)貼圖的三維場景 場景內(nèi)燈光照明的三維場景

　　4.燈光陰影

　　模型架構(gòu)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(jù)場景的用途和需要來設(shè)定燈光的位置、角度、范圍、強(qiáng)弱、衰減、色彩等諸多信息，這些因素可以說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(shè)燈光，在三維的架設(shè)當(dāng)中，這個(gè)原理同樣存在，畢竟沒有光源，就沒有顏色，也就沒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景有很多的應(yīng)用情景，比如物理模擬、建筑表現(xiàn)、機(jī)械設(shè)計(jì)、游戲開發(fā)、影視制作等等，在這一步設(shè)計(jì)師會(huì)根據(jù)三維圖形不同的用途來進(jìn)行后續(xù)的操作，有的需要對(duì)虛擬人物進(jìn)行骨骼綁定，有些需要架設(shè)虛擬攝像機(jī)，在這里我們不做展開。

　　6.渲染呈現(xiàn)

　　到了渲染環(huán)節(jié)，往往是三維圖形制作環(huán)節(jié)的最后一步，它需要由計(jì)算機(jī)來進(jìn)行操作，其實(shí)就是由計(jì)算機(jī)來做工作總結(jié)——計(jì)算機(jī)在白模的基礎(chǔ)上，加上設(shè)計(jì)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(jì)算好不同物體和光線來源之間的反射、折射關(guān)系，綜合虛擬攝像機(jī)、模型綁定、動(dòng)畫動(dòng)作等設(shè)定，進(jìn)行最后圖像的合成運(yùn)算。當(dāng)然，這一步需要計(jì)算機(jī)擁有非常好的性能，因?yàn)殇秩具^程當(dāng)中每秒運(yùn)算的數(shù)據(jù)量是非常龐大的數(shù)字。依照經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人理解筆者將渲染環(huán)節(jié)分成兩個(gè)大類——預(yù)渲染和實(shí)時(shí)渲染。筆者認(rèn)為不需要用戶端來進(jìn)行渲染操作的，都可以稱為預(yù)渲染，比如建筑表現(xiàn)，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，用戶端并不需要進(jìn)行渲染運(yùn)算;而實(shí)時(shí)渲染是說用戶端的渲染，代表案例就是當(dāng)前的一些主流3D游戲，它們需要用戶有足夠高的配置來解算游戲的文件包，將游戲畫面最終呈現(xiàn)在玩家眼前，玩家操作虛擬人物游走于不同的場景，這個(gè)過程實(shí)際就是一個(gè)實(shí)時(shí)渲染的過程。

　　“陽光教室”場景最終渲染效果

　　說到實(shí)時(shí)渲染，終于可以請(qǐng)出我們的主角了——PBR。PBR的全稱是Physicallly-Based Rendering。簡單的就字面含義可以看出，這是一種基于物理規(guī)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(jí)渲染。近幾年由于硬件性能的不斷提高，已經(jīng)大量運(yùn)用于PC游戲與主機(jī)游戲的實(shí)時(shí)渲染。幾款著名的3D引擎均有了各自的實(shí)現(xiàn)(UnrealEngine 4, CryEngine 3, Unity 3D5)。[3]在PBR出現(xiàn)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，更多的著重在于實(shí)現(xiàn)3D效果。當(dāng)時(shí)這種3D效果模擬出來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，就是會(huì)覺得特別的假。為了增強(qiáng)模型的真實(shí)感，PBR就是一套用來讓模擬出來的模型更真實(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(guī)律在內(nèi)。對(duì)于進(jìn)階用戶和愛好者而言，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)過其他一系列系統(tǒng)地研究和學(xué)習(xí)，而作為普通用戶，我們?cè)诖瞬辉儋樖鰧I(yè)的知識(shí)理論，只來探討一下應(yīng)用了PBR技術(shù)的TVS-2000和其它三維虛擬演播室系統(tǒng)有什么區(qū)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(jù)筆者的調(diào)查，目前在國內(nèi)全部的入門專業(yè)級(jí)(單機(jī)售價(jià)30萬元以下) 虛擬演播系統(tǒng)當(dāng)中，僅有洋銘的TVS-2000應(yīng)用了PBR技術(shù)，這也令相當(dāng)一部分三維開發(fā)者和專業(yè)愛好者為之振奮。PBR技術(shù)可以使TVS-2000在實(shí)時(shí)渲染的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)“以假亂真”的虛擬空間效果，無論是材質(zhì)反饋、燈光效果還是細(xì)節(jié)處理，較其他引擎渲染的三維空間都有質(zhì)的飛躍。舉例來說，筆者也曾測試過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(xiàn)三維空間呈現(xiàn)的，這種方式雖然可以很快速地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染，但卻有一個(gè)根本性的問題，就是場景物體表面的高光、陰影、反射都是“定格”在物體表面的，當(dāng)你試著移動(dòng)場景內(nèi)的虛擬攝像機(jī)時(shí)，你會(huì)驚訝的發(fā)現(xiàn)，物體表面的高光并不會(huì)因?yàn)樘摂M攝像機(jī)所處位置的變化而改變，你視網(wǎng)膜接受的信號(hào)會(huì)迅速告訴你的大腦——“你看到的是假的。”當(dāng)你把場景當(dāng)中的某一個(gè)物體移動(dòng)到場景外的時(shí)候，它在黑漆漆的環(huán)境中，依然維持著它原本的樣子，這就反應(yīng)出一個(gè)問題——沒有實(shí)時(shí)的環(huán)境和光線反饋，這是大腦判定真假的重要證據(jù)。而這種問題在TVS-2000中是不存在的，當(dāng)你將它內(nèi)置的三維場景當(dāng)中的某一個(gè)物體移出光照區(qū)，它會(huì)因?yàn)槭ス庹斩兊貌蝗菀妆话l(fā)現(xiàn)，有了真實(shí)的環(huán)境和光線反饋，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畫面截圖 使命召喚11畫面截圖

　　舉個(gè)例子，喜愛電腦三維槍戰(zhàn)游戲的朋友都玩過《反恐精英》(Counter-Strike,以下簡稱CS)，早期版本的CS地圖就是典型的烘焙貼圖場景，玩家在場景中，是看不到一棵樹隨風(fēng)飄動(dòng)，且陰影隨之投射在地面上的，更不要提同一場景下的白天黑夜變化了，因?yàn)楣庹蘸完幱靶畔⒁呀?jīng)通過預(yù)渲染壓在了模型表面，它并不能隨著模型的移動(dòng)或光照的改變而變化，由此換來最大程度的兼容性和流暢性。當(dāng)然，在計(jì)算機(jī)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。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，曾經(jīng)理想的事情已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)，我們可以看到目前的槍戰(zhàn)游戲《使命召喚》(Call of Duty)已經(jīng)可以通過實(shí)時(shí)渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)照片般的畫面效果了，在部分場景下，玩家甚至無法分辨眼前的畫面是真實(shí)圖像還是三維場景。這種飛躍在三維圖形領(lǐng)域是一種飛躍，也代表了未來諸多科技企業(yè)的深耕方向，這就是為什么筆者在文章開頭的時(shí)候會(huì)說TVS-2000代表了三維虛擬演播系統(tǒng)未來的一種發(fā)展趨勢。

　　2.更加便捷的場景定制

　　相比以往內(nèi)置在TVS-1000/1200當(dāng)中的“3D小畫家”功能，內(nèi)置在TVS-2000當(dāng)中的場景編輯器才真正當(dāng)?shù)钠?ldquo;3D”這個(gè)頭銜，因?yàn)檫@個(gè)場景編輯器是真正地在編輯三維的場景，而不像以往的3D小畫家是在通過拼疊圖片來營造“3D”的感覺。TVS-2000的場景編輯器相當(dāng)于一個(gè)簡化版的3DsMAX三維開發(fā)工具，在其中你可以隨意移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)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)信息以及場景的光照條件，借助實(shí)時(shí)渲染的強(qiáng)大功能，你可以通過移動(dòng)燈光來改變場景模型呈現(xiàn)出的立體效果，甚至改變場景白天或黑夜的設(shè)定，在這里不需要經(jīng)過漫長的學(xué)習(xí)，就可以體驗(yàn)一把當(dāng)三維設(shè)計(jì)師快感。當(dāng)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景，根據(jù)你錄制的需要來布局你的拍攝空間，且這并不需要以犧牲畫面真實(shí)感為代價(jià)，更不需要付出大量的時(shí)間來學(xué)習(xí)三維軟件的操作。

　　3.更加強(qiáng)大的硬件性能

　　筆者在以往從事三維場景設(shè)計(jì)工作時(shí)，通常會(huì)率先搭建“渲染農(nóng)場”，因?yàn)閺?fù)雜一些的場景，內(nèi)置模型數(shù)往往會(huì)過百，而構(gòu)成這些模型的面通常數(shù)量會(huì)突破千萬面，電腦要計(jì)算每個(gè)面的材質(zhì)、光照信息等一系列數(shù)據(jù)絕非易事，一張精細(xì)的圖片渲染起來，普通工作站平均都需要數(shù)小時(shí)來完成，為了保障工作效率，筆者會(huì)將多臺(tái)48核心(CPU)工作站通過網(wǎng)絡(luò)組建成“渲染農(nóng)場”，一張圖片的模型信息會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)分流到各個(gè)工作站來分區(qū)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(tái)服務(wù)器的售價(jià)就已高于25萬元人民幣。基于PBR的實(shí)時(shí)渲染引擎可謂是像筆者一樣的開發(fā)者們的福音，因?yàn)樗鼛椭_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張渲染好的場景圖(60幀)，這也直接反映出了TVS-2000強(qiáng)大的硬件性能，對(duì)于用戶和開發(fā)者而言是可靠后臺(tái)保障。