GPU引擎技術(shù)于動(dòng)畫(huà)次世代材質(zhì)的運(yùn)用研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

GPU引擎技術(shù)于動(dòng)畫(huà)次世代材質(zhì)的運(yùn)用研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘要：隨著數(shù)字影視和游戲的高速發(fā)展，對(duì)于作為運(yùn)行平臺(tái)的計(jì)算機(jī)而言必須要有更高的運(yùn)算能力才能支持運(yùn)行的流暢度。對(duì)于當(dāng)今的主流游戲而言，顯卡的實(shí)時(shí)渲染能力成了畫(huà)面的最重要因素之一。在主流游戲的設(shè)計(jì)與制作當(dāng)中，GPU引擎技術(shù)作為最直接最流暢的顯示方式成了最主要的實(shí)施手段。顯卡引擎的技術(shù)發(fā)展可以大大降低CPU作為核心渲染器的系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。各大軟件技術(shù)供應(yīng)商基于GPU引擎技術(shù)開(kāi)發(fā)的各種軟件技術(shù)不僅僅可以運(yùn)用于主流游戲，增加畫(huà)面的真實(shí)感和流暢性，而且可以把這種技術(shù)運(yùn)用于數(shù)字影視開(kāi)發(fā)，以此增加制作過(guò)程中的畫(huà)面質(zhì)感并減少生產(chǎn)中的繁瑣環(huán)節(jié)，達(dá)到高效和節(jié)能的雙重效果。

關(guān)鍵詞：GPU;引擎技術(shù);次世代;動(dòng)畫(huà)

一、現(xiàn)狀與分析

隨著次世代影視與游戲動(dòng)畫(huà)的高速發(fā)展，對(duì)于動(dòng)畫(huà)材質(zhì)的生產(chǎn)質(zhì)量和效率要求也大大提高，既要有豐富的細(xì)節(jié)經(jīng)得起推敲，也要有實(shí)時(shí)的速度進(jìn)行交互，以常規(guī)的CPU渲染方式去獲得實(shí)時(shí)的高質(zhì)量畫(huà)面通常是難以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榇嬖诖罅康奈锢硪孢\(yùn)算，這些運(yùn)算極其復(fù)雜，有些僅僅單幀的光線(xiàn)追蹤渲染畫(huà)面，以單機(jī)運(yùn)算就需要耗時(shí)幾十小時(shí)甚至上百小時(shí)以上，更加別提能夠?qū)崟r(shí)交互了。

數(shù)字動(dòng)畫(huà)作為一種數(shù)字媒體藝術(shù)，之所在影視特效上以能夠以假亂真，很大程度上取決與數(shù)字模型的材質(zhì)渲染效果。通過(guò)三維軟件計(jì)算并合成的視覺(jué)效果采用了物理運(yùn)算技術(shù)，能在強(qiáng)大硬件的基礎(chǔ)上迅速演算出視覺(jué)畫(huà)面。與傳統(tǒng)的膠片動(dòng)畫(huà)生產(chǎn)流程相比，數(shù)字動(dòng)畫(huà)生成的素材更加具有實(shí)時(shí)性，可編輯性，高效性。數(shù)字動(dòng)畫(huà)的渲染方式最常見(jiàn)的計(jì)算方式是CPU渲染，也就是中央處理器渲染，優(yōu)點(diǎn)是效果極其真實(shí)，層次豐富。缺點(diǎn)是渲染速度緩慢，尤其是影視級(jí)的渲染尺寸。

二、GPU技術(shù)運(yùn)用分析

GPU技術(shù)的推出是保證渲染畫(huà)面的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性一體化的新型技術(shù)，基于顯卡的物理加速特性。在保證顯存與GPU主頻和渲染管數(shù)量足夠多的情況下，能夠保證三維次世代動(dòng)畫(huà)的真實(shí)再現(xiàn)。發(fā)展至今，無(wú)論是三維軟件還是一些設(shè)計(jì)插件都逐漸使用了GPU技術(shù)，這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和完善在次世代動(dòng)畫(huà)和影視上逐漸壯大。有些動(dòng)畫(huà)制作部門(mén)甚至完全使用了這些技術(shù)去作為制作影視動(dòng)畫(huà)的主流方式。具體的功能可以從下面兩類(lèi)軟件去分析：

首先，三維設(shè)計(jì)軟件是主流。以著名的Autodesk公司旗下的Mudbox為例，這是一款基于GPU技術(shù)的三維雕刻工具，設(shè)計(jì)者能夠在人機(jī)交互的情況下，給場(chǎng)景內(nèi)的物體進(jìn)行高光、顏色、凹凸、法線(xiàn)等相關(guān)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)。同樣可以對(duì)物體進(jìn)行細(xì)節(jié)與形狀的修整，和以往的必須通過(guò)平面軟件繪制顏色與法線(xiàn)，然后三維軟件渲染才能看見(jiàn)效果的CPU設(shè)計(jì)方式相比，這種所見(jiàn)即所得的實(shí)時(shí)方式毫無(wú)疑問(wèn)效率更高。

另一款比較類(lèi)似的軟件是Mari，一款基于顯卡處理器的貼圖材質(zhì)繪制軟件，制作者能夠直接在物體表面繪制材質(zhì)和層級(jí)，和Mudbox類(lèi)似，但是能夠支持的貼圖尺寸更大，畫(huà)面越精細(xì)。屬于一種電影級(jí)別的次世代材質(zhì)軟件。設(shè)計(jì)師可以直觀地使用遮罩或是貼圖直接在物體表面繪制細(xì)節(jié)，例如電影《阿凡達(dá)》里面的飛龍就是用這個(gè)當(dāng)時(shí)還處于Demo階段的軟件繪制完成的貼圖，由于使用起來(lái)極其方便，很快就變成了商業(yè)版本。用這款三維繪圖軟件唯一真正的限制就在于使用者的顯卡性能。也就是GPU的引擎性能。大多要求能夠流暢運(yùn)行的平臺(tái)基礎(chǔ)是專(zhuān)業(yè)顯卡。對(duì)于GPU的運(yùn)算主頻和顯存要求甚高。但是一旦GPU硬件能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，此后能給設(shè)計(jì)師打開(kāi)的將是天馬行空的創(chuàng)意世界。

與此類(lèi)似的軟件還有制作游戲貼圖常用的Bodypaint，可以在三維的模型上面直接繪制并觀察詳細(xì)細(xì)節(jié)，例如在人物的素模上直接繪制皮膚或是衣服的顏色和細(xì)節(jié)，包括一些盔甲或是毛發(fā)的顏色和質(zhì)感，同樣可以在GPU的支持下進(jìn)行分層繪制，由于大多游戲支持的面數(shù)有限，以角色模型為例，一個(gè)電影級(jí)的精細(xì)模型大約在500-1000萬(wàn)面左右，但是游戲?yàn)榱吮ＷC人機(jī)交互流暢，一般面面數(shù)都會(huì)嚴(yán)格控制，單機(jī)游戲一般都控制在1-2萬(wàn)各面，網(wǎng)絡(luò)游戲的角色模型還要更加低，僅有500-1500左右的面。面數(shù)的過(guò)低可以保證游戲的流暢度，但是模型的細(xì)節(jié)必然大打折扣，既然游戲模型在那么在低模細(xì)節(jié)不足的情況下，就必須通過(guò)材質(zhì)的繪制給它添加上應(yīng)有的細(xì)節(jié)。這些材質(zhì)繪制軟件的細(xì)節(jié)繪制功能大多大同小異。

在次世代的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)中，我們會(huì)經(jīng)常使用高模轉(zhuǎn)低模的方式獲得一些細(xì)節(jié)的貼圖，例如在三維軟件例如maya或者zbrush內(nèi)制作好模型的全部細(xì)節(jié)，然后再通過(guò)降低精細(xì)度獲得低模，通過(guò)烘焙的方式把高模的全部細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)化為一張有細(xì)節(jié)信息的法線(xiàn)貼圖（normalmap），再賦予低模之上，之后再導(dǎo)入游戲引擎或是影視渲染都會(huì)得到和高精細(xì)度模型一樣的效果圖，而渲染的時(shí)間卻會(huì)因?yàn)槊鏀?shù)的大量減少而縮短了很多時(shí)間。大大提高了影視制作和游戲開(kāi)發(fā)的效率。

其次，為了響應(yīng)次世代游戲的高質(zhì)量畫(huà)面與繁瑣的生產(chǎn)工藝，一類(lèi)基于GPU渲染引擎的材質(zhì)繪制工具包應(yīng)開(kāi)發(fā)而生，包括Substancepainter，Quixelsuite之類(lèi)的材質(zhì)軟件。以Quixelsuite為例，這種軟件需要設(shè)計(jì)者制作完成影視或是游戲的高模，然后通過(guò)拓?fù)滠浖玫降湍?，再把低模進(jìn)行分UV的工作，然后再結(jié)合高低模型烘焙出ID，AO和Normal之類(lèi)的圖形文件，最后把這些圖形文件導(dǎo)進(jìn)去Quixelsuite引擎內(nèi)，通過(guò)選擇預(yù)定的材質(zhì)庫(kù)就能快速生成效果極其逼真的交互式渲染畫(huà)面，雖然中期的工作比較繁瑣，但是后期材質(zhì)的選擇與修改極其方便與直觀。

三、結(jié)語(yǔ)與展望