建立下个时代的高清游戏美术资源生产管线(一):摄影测量建模

作者：潘翔 2021-04-25

本文首发知乎，GameRes获授权发布。
原文：https://zhuanlan.zhihu.com/p/364019202

3D游戏美术生产管线从最早的兰伯特光照模型(基于传统手绘生产流程)，到冯布林光照模型(加入法线，高光贴图)，到如今流行的PBR(加入了反射率，物质属性等概念)，已经迭代了数代，游戏美术的制作工艺和流程也变得越发复杂。随着计算机算力提升和显示设备的高清化，玩家对画面品质的要求也不断提高，传统的游戏美术生产流程无论从效率还是质量已经无法满足用户的需求。建立符合下个时代质量标准的游戏美术生产管线已经成了每个有追求的游戏公司的共识。作为游戏美术从业人员，也要尽快升级自己的知识技能体系，主动迎接变革，才能跟上时代的步伐。

总览国内游戏圈子，对于美术生产管线的知识分享少之又少，本文打算从模型，贴图，绑定，动画和动作捕捉，shader，关卡，光照，后期，程序蓝图，优化等全面梳理基于下个时代美术生产管线，也算对这几年自己工作和研究的一个总结。

第一篇我们聊聊摄影测量建模。

一、为什么要使用摄影测量建模(photoscan)？

要回答这个问题，我们先回过头来看看传统美术生产管线。

早期的游戏渲染管线通常只支持一个漫反射，缺乏完整的材质与光照概念，这就意味着游戏的画面效果好坏完全取决于美术资源的品质。为了做出漂亮的画面，美术会在贴图上表现尽可能多的细节，把材料的质感，反射，光影都用贴图表现，也就是美术通常所说的手绘贴图流程。如果美术的功底足够扎实，做出来的产品画面看去上往往也有不错的效果。国内游戏行业发展初期，不少厂家就以擅长制作高品质的手绘游戏美术素材打响了招牌，比如完美、西山居等等。随着时代发展，这种做法已经逐步被淘汰，仅在某些低预算的手游和端游中使用。


这种做法流程相对简单，美术做完模型和贴图导入引擎就完事，不需要做额外设置。制作周期也较短，通常3-7天就可以完成一件美术资产的生产。

随着实时渲染管线的进步，法线贴图概念被引入到了游戏中。关于法线贴图的原理已经有很多文章介绍，在此不再赘述。简单描述法线贴图的概念就是将具有高细节的模型通过映射烘焙方式制作出法线贴图，然后贴在低细节模型的法线贴图通道上，使其表面拥有高细节模型的光影渲染效果，能在仅增加少量性能消耗的同时大大提升画面表现力，从而达到优化动画和游戏的渲染效果。这个流程也就是业内俗称的次时代流程。法线贴图在上上个主机时代，也就是PS3和xbox360时代开始大规模应用。



法线贴图的应用虽然大大丰富了模型的细节表现力，但是物体的材质属性依然无法准确在游戏的渲染管线中还原，只能通过美术人员的经验绘制高光贴图来模拟物体对光源反射效果。这样就暴露了两个问题：

1，通过经验绘制出来的贴图没有统一的验收标准，只能凭制作人员的审美和美术水平来估算效果，而美术人员的能力和经验都是参差不齐的，这样会导致产品品质不可控。

2，高品质的法线贴图需要通过制作有极高细节的模型来获得，而制作高细节模型需要花费大量时间，原本3-7天的工作量被增加到0.3-3个月，游戏美术资产的生产周期被大大拉长，游戏的开发成本也随之成倍增加。随着游戏体量的增长，这个成本就算大厂也开始觉得难以接受。

当行业进入PS4时代，基于物理渲染的管线开始普及，也就是业内俗称PBR。最早由迪士尼提出并应用与影视渲染。这方面的介绍文章也很多，这篇就不啰嗦了。PBR渲染管线主要解决了在真实光照环境下，物体的材质质感问题，使得游戏画面的拟真度再次大大提升。当然随之提升的还有美术资源的制作标准和游戏的开发成本。当物体的质感可以通过预设的参数来相对准确的还原的时候，剩下的问题就只有一个，如果快速获得高品质的法线贴图，或者更直接的说，如何快速获得一个高质量的高细节模型。这时，摄影测量技术就进入了开发者的视线。



摄影测量建模，或者简称照片建模技术也不是什么新鲜玩意，在影视行业和工业领域已经应用多年。简单来说，照片建模就是对一个物体拍多张相片(最好是360度一圈)，通过算法重建出3D模型的细节。目前各大图形软件厂商都有自己的照片建模工具，比较常用的有capturingreality，Photoscan，Autodesk 123D 等。国内也有不少厂商提供这方面的服务。如果只是想接触一下其实门槛很低，拍一圈照片，导入到软件中，点击生成，等待十几分钟就能看到结果，拿手机就可以测试。


虽然理论上任何设备拍摄的照片都可以。当然实际使用上肯定是像素越高重建效果越好，通过手机拍摄出来的照片生成的模型只有大致轮廓，缺少准确细节，所以无法用于工业生产中。为了得到高质量的模型，除了拍摄设备要支持超高分辨率以外，还要控制镜头位置和焦距，避免出现变焦，抖动，景深；控制拍摄环境，避免出现大量高光，阴影，透明物体和黑色物体；控制拍摄时间，同一对象的一套素材照片最好同时拍摄完成；控制被拍摄对象的状态，尽量保持静止，这样才能得到符合产品要求的模型。于是就出现了这玩意。


通过搭建相机矩阵，可以固定镜头位置，拍摄角度，距离，时间，同时将拍摄背景环境进行改造，配合镜头偏振光滤镜，可以将反射干扰降到最低，从而得到质量稳定的照片素材。当然，这样也大大提高了生产门槛，毕竟要搭一套这玩意还是挺麻烦的。这也是国内大部分公司没有采用这套流程的一部分原因。如果没有相关的技术储备，可以选择外包，国内也有很多家公司做这个，比如知乎上的大佬 @京一不二的公司就是专门做扫描的，给好莱坞和国内多部影视和游戏提供过照片扫面服务。如果是预算有限的团队可以选择自己搭，我们就是比较了各家外包的价格之后，觉得还是自己搭比较便宜，于是就摄影器材城买了50个入门级单反，定制了一套架子。成本加起来也就十几万，软件自己写，基本够用。在搭建过程中 @京一不二大佬也提供了很多帮助，在此表示感谢。

照片建模生成的模型布线都是杂乱无序的三角面，贴图也是杂乱无序的像素碎片，无法直接用于产品中。所以还需要对模型进行清理和拓扑，通常使用的工具是wrap和zbrush。值得一提的是拓扑神器wrap，熟练情况下几分钟就可以完成模型的拓扑工作。比手动拓扑的效率高几百倍，因为是节点化操作，工程复用也很容易，尤其适合模型的批量处理。wrap也有zbrush插件，但是更建议使用软件本体，方便工程管理。这方面的教程很多，这里就不展开说了，有兴趣了解的也可以加我的q群908353590获取我写的制作文档讨论。



通过照片建模和标准化的拓扑及绑定流程，可以把高质量的模型制作周期从几个月缩短到几天，并且由于纹理和模型都是基于现实产生，也可以极大降低对制作人员水平的依赖。将每个生产环节进行细分，并规范操作标准，就算是实习生或程序员也可以产出符合品质的美术资源，对生产力的提升是巨大的。国外的3A厂商已经逐步用扫描流程代替了传统美术资源生产管线。比较典型的就是卡婊，自从生化危机7开始打通了这条生产管线以来，从2017年到2020，短短三年已经发布了生化危机2，3重制版，生化危机抵抗，鬼泣5等6款游戏，产量十分惊人。虚幻新出的metahuman捏脸工具，也是基于这套流程打造。

以本人的速度来估算，类似这样细致到每根汗毛都清晰可见品质的角色模型，从0开始制作到进引擎调试完效果，大概也就一到三天时间(不含毛发）。




国内由于市场需求和历史原因，大部分游戏厂商的制作管线都比较落后，普遍落后国外大厂两个时代，国内很多公司也不大注重生产管线的建设，导致上下游环节都跟不上，虚耗研发成本。我们产品在找外包的时候也非常痛苦，找到的外包供应商无论是制作流程和品质都达不到我们的需求，能达到的报价又虚高，只能招人自己培训。写这点东西也是希望国内的生产管线和技术能稍微提高一点吧，像现在卷得这么厉害不是正常状态。

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