2022年11月4日下午，华中科技大学建筑与城市规划学院设计学系、光影交互服务技术文旅部重点实验室、数字光影技术湖北省工程研究中心联合推出“光合沙龙”第七期活动，本期活动由重点实验室的李威和晏阳作了“PBR三维渲染原理到概念产品短片的主题”分享。

    讲座围绕三维软件应用中涉及到的技术及实践问题展开，给同学们学习三维软件的建模、材质、渲染带来启示。

主讲人

李威

粗糙贴图的引入

     李威回顾从九十年代到今天CG发展的历程，对三维软件的设计应用提出了自己的理解。其认为硬件设备的进步必然会带动三维软件的发展，强大的渲染引擎为我们渲染流程的优化不断赋能。我们应当充分熟悉我们手头的工具，更好的利用它们为艺术创作服务。

     接着，他从像素时代、预渲染时代、2.5D时代结合了《仙剑奇侠传》、《传奇》、《征途》等经典作品进行介绍。指出真正的3D次世代游戏是最近这些年才逐步发展起来的，根本原因还是人们对于“游戏画质”的要求越来越高，甚至要达到影视级别的画面，而随着ZB、SP等先进制作软件的普及和游戏引擎的发展还有硬件爆炸式发展使这样严苛的质量要求变得可能。

     之后其引入了pbr渲染的概念，pbr的中文名称为基于物理的渲染（Physically Based Rendering，PBR）。是指使用基于物理原理和微平面理论建模的着色/光照模型，以及使用从现实中测量的表面参数来准确表示真实世界材质的渲染理念。

     李威将传统的手绘模型和pbr建模的流程优劣各自进行了对比。传统的手绘模型的制作流程主要基于是建模-展uv-画贴图-调整材质。模型建立一般使用3Ds max或者是Maya，然后展开uv，将uv贴图渲染，导入到bodypaint里面绘制模型贴图。虽然这些步骤看起来都不是很难去掌握软件的使用，但是制作过程非常考验模型师的手绘能力。

     李威认为作为“次世代”的pbr制作首先是要在3Ds max和Maya里建好模型（中模），然后再在中模的基础上建立高模和低模，有时高模的一些细节在3Ds max和Maya里很难实现，这时可以用另一款专门雕刻的软件--zbrush--来制作高模，高低模都制作完成后检查低模的布线是否可以大致覆盖高模，确认无误后就可以给低模展开uv了。展uv的步骤跟之前是一样，不过展完uv之后不是直接把uv贴图渲染，而是用烘焙工具把高模信息烘焙成法线贴图。为了提高法线贴图的信息量，还可以烘焙ao贴图和cu贴图，这些都是与法线相关的贴图，使用Marmoset Toolbag 3可以很快捷地实现这一过程。最后，将低模和烘焙好的法线贴图都导入substance painter去，这款软件的功能主要是制作材质贴图和渲染，并且有了多张法线贴图支持，贴图制作效率大大提高。pbr的制作流程繁琐且严谨，考验的更多是软件操作能力。

     在材质方面，其结合项目实践中调节材质参数经验，提醒大家注意金属材质和非金属材质质感的区别。用菲尼尔反射举例：金属材质的菲尼尔系数F0大约在0.02~0.04，大多数金属的F0范围是0.7~1.0。因此，反射系数在F0.04~0.7的范围内的材质在现实生活中大多数是不存在的。在调材质参数的时候应该注意这个规律，力求还原现实中的材质参数。

     最后，李威用Lambert漫反射材质的输出颜色公式讲述了光源颜色对效果图氛围的影响。

     由公式可以看出Lambert漫反射材质主要是材质的basecolor贴图（控制纹理颜色）和光源的颜色在影响画面效果了。熟悉光颜色对于物体亮暗面的影响可以帮助我们制作出更加写实的三维场景。

     李威在结尾补充道：工具的发展是为了帮助我们做出更好的作品，设计师切勿盲目追求技术而出现喧宾夺主、辞不达意的情况。设计应当服务于产品和项目，好的设计往往会直接切中要害，一剑封喉。

主讲人

晏阳

元宇宙端口设想

     晏阳从设计实践角度对三维软件的应用表达了个人的理解。其指出，三维软件作为设计工具应更好地融入到创意、策划、设计及方案实施的各流程中，从而更高效地服务于自身创意表达。

     在思辨性设计项目“AR智能隐形眼镜设计”中，该团队从元宇宙语境出发，反思互联网出现以来信息交互端口介质的演化路径，即从pc时代的网页端到手机时代的移动端，再到AR设备时代的沉浸端的进程，提炼出其后由信息可视化需求主导的交互端口升级之路。从而确定以指向未来的AR智能眼镜设备的创新设计作为研究方向。通过对人机端口技术、智能眼镜技术等的系统理解与深入剖析，最终提出“AR智能隐形眼镜”这一概念原型。

     在具体设计中，团队首先从技术上推演出其生成逻辑。即根据功能需求、产品原理、科技构想等，对既有隐形眼镜形态、结构等进行拆分、假想与重构。然后提出以双层镜片（内、外）内嵌微型功能模块组的方式，实现对新镜片功能与形态的匹配协同。其核心功能模块组建包括：LED纳米级光学成像组块、纳米级微电流芯片、生物电池混合供能系统。该镜片将借助眼动追踪传感器、TN-LC扭曲向列液晶面板、cmos图像传感器技术来实现对眼动及外部环境信息的抓取；借助纳米级图像处理器、无线通信soc芯片对图像信息进行处理和云传输；同时借助生物电池混合供能系统采用磁共振耦合技术和锌-空气电池对系统进行供能。具有图像精度高、响应速度快、径流电压微弱、续航能力持久的特征。

     在借助三维软件的设计表现中，该镜片的制作大量参考了已有技术的影像资料，并结合相关的学理知识推导形成最终模型形态。同时遵循轻量化原则，将各功能组块以最小体积、最精形态合理嵌合于镜片夹层空间中。

     渲染工作在本次三维方案的表现中显得尤为重要，因为项目以沉浸式虚拟影像的空间体验为核心立意和表现重点。但在实际渲染工作中，还是碰到了不少问题，如利用阿诺德渲染器GPU渲染解决标准渲染器CPU渲染效率低耗时长的问题，利用aecs色彩空间编码系统实现对阿诺德渲染色彩矫正的问题、以及大范围玻璃材质的质感打造问题等。以玻璃材质与环境灯光间产生反光的冲突为例，一方面，光源的光照强度会影响整体的光环境亮度；但另一方面，反光作为玻璃材质质感表达的最大特征因素，过强的反光会遮蔽产品细节，过弱的反光会影响材质表达造成失真。最终每一次渲染参数的调整需要机器运转3-5分钟才能得到一帧产品渲染图，同一个场景在多次调整采样级别、反射率、折射率以及光源强度等参数的情况下，会在玻璃材质的调整上耗费三、四个小时左右。在场景变化的情况下，整个流程需要重头来过，这给时间紧张的制作流程带来相当的压力。

     晏阳强调：（1）实体渲染涉及到大量产品参考和技术调研，文献研究是三维渲染不可回避的一环；（2）从创意、策划、设计再到方案实施，三维软件是该次设计不可或缺的环节，但也只是复杂流程中的环节之一。应回归到设计本身，使其服从于创意表现、方案表达、对象沟通等；（3）后期特效的合理应用更能突显其服务于项目本身的沟通价值。

     最后，其补充道，三维渲染切勿“为渲染而渲染”。脱离产品、脚本创意等的渲染，最后的镜头呈现、表达重点往往会出现喧宾夺主、辞不达意的情况。同时，避免技术的盲目。哪怕是最简单的叙事手段，能够实现对设计最充分的阐释功能就是做设计最好的工具。

Nov.4.2022

“光合沙龙”第七期圆满结束，

我们下期再见！

主办单位

光影交互服务技术文化和旅游部重点实验室

华中科技大学建筑与城市规划学院设计学系

数字光影技术湖北省工程研究中心

文案 | 晏阳 李威

编辑 | 晏阳 李威