基于UE4的自然場景制作要點分析與關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

摘 ?要：隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，人們對于虛擬場景視覺效果的要求越來越高，UE4作為當(dāng)前主流的游戲引擎和開發(fā)工具，在場景制作和渲染方面具有出色的表現(xiàn)，成為游戲開發(fā)和VR設(shè)計中自然場景制作的首要選擇。文章以自然場景的地形、天氣變化、四季交替三種情況為研究對象，探索基于UE4引擎的自然環(huán)境制作的技術(shù)要點和實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：UE4;藍(lán)圖;自然場景;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP391.9 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）24-0158-04

Abstract： With the development of computer software and hardware technology， people have higher and higher requirements for the visual effects of virtual scenes. As the current mainstream game engine and development tool， UE4 has excellent performance in scene production and rendering and becomes the premier choice for natural scene production in game development and VR design. This paper takes the terrain of natural scenes， weather change， and four seasons change as the research objects， and explores the technical points and implementation methods of natural environment production based on the UE4 engine.

Keywords： UE4; blueprint; natural scene; key technology

0 ?引 ?言

真實的自然場景一直是眾多游戲設(shè)計、虛擬現(xiàn)實設(shè)計、動畫和影視作品所熱衷追捧的效果，而除了3DMax、Maya、C4D、ZBrush等三維建模軟件制作精細(xì)的三維模型以及Photoshop、BP 3D Paint、Substance Painter等真實精致的貼圖繪制之外，Unity3D、Unreal Engine等游戲引擎，也在真實自然場景制作中發(fā)揮著重要作用，特別是Unreal Engine引擎強大的藍(lán)圖編輯功能、地形編輯和實時渲染那能力，在自然場景制作中一直獨占鰲頭，受到眾多游戲開發(fā)者和影視動畫制作者的青睞[1]。本文主要是利用Unreal Engine4的藍(lán)圖技術(shù)來實現(xiàn)對于自然場景中的地形、植被、水體、雨雪、霧氣的效果制作，總結(jié)歸納真實自然環(huán)境的技術(shù)實現(xiàn)方法。

1 ?Unreal Engine4引擎概述

Unreal Engine4作為大名鼎鼎的游戲引擎，在GTA5、PUBG等游戲制作以及虛擬現(xiàn)實、影視動畫領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用。Unreal Engine4在自然場景制作中的特色優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾點：

首先是強大的渲染功能。UE4引擎與Unity3D、CryEngin引擎相比，盡管都是基于Dx、OpenGL、PhyX技術(shù)的，但是UE4疫情的幾何體渲染、光柵化和GBuffer、渲染和紋理、像素著色器和材質(zhì)、靜態(tài)光照和靜態(tài)陰影、動態(tài)光照和動態(tài)陰影、霧和半透明等實時渲染功能，讓UE4具有快速且高質(zhì)量地渲染優(yōu)異表現(xiàn)[2]。

其次具有新材質(zhì)管道。UE4基于物理模型的shading，提供了前所未有的材質(zhì)控制方式，讓開發(fā)者可以更為直觀地觀察和感受材質(zhì)的質(zhì)感、紋理、色彩。比如對于材質(zhì)最終渲染效果具有重要影響的材質(zhì)輸入引腳，對主要是對于材質(zhì)的基礎(chǔ)顏色、高光、粗糙度、自發(fā)光材質(zhì)、不透明度、世界位移、折射、環(huán)境遮擋等屬性進(jìn)行調(diào)節(jié)來實現(xiàn)不同的材質(zhì)效果。

再次，強大的藍(lán)圖系統(tǒng)。UE4可視化編輯的藍(lán)圖系統(tǒng)讓游戲開發(fā)者不用再寫勞神費力編輯代碼，就快速原型和建立玩家內(nèi)容。強大的藍(lán)圖編輯系統(tǒng)，讓開發(fā)者充分發(fā)揮創(chuàng)造的想象力在拖拽中創(chuàng)建級別、對象和玩家行為、調(diào)整輸入控制、修改用戶界面等操作。

最后，虛幻商城中提供了豐富的范例游戲、場景、模型、材質(zhì)、貼圖、藍(lán)圖邏輯、C++代碼等海量豐富的素材，讓用戶可以借助素材快速完成項目開發(fā)，制作出高質(zhì)量的自然環(huán)境。

2 ?自然環(huán)境制作的技術(shù)要點分析

在三維項目開發(fā)展中，真實自然場景的制作要點主要涉及地形制作、植被、材質(zhì)、光影、特效等內(nèi)容。

2.1 ?地形

地形是真實自然場景創(chuàng)建的技術(shù)，也是植被、光影、建筑、角色等其他物體承載的基礎(chǔ)，因此在三維自然場景創(chuàng)建中根據(jù)創(chuàng)意設(shè)計進(jìn)行山地、丘陵、草堆、河流等地形的創(chuàng)建是非常關(guān)鍵的。對于自然場景的創(chuàng)建，UE4引擎提供了功能強大的地形工具，可以幫助開發(fā)者制作山地、丘陵、高原、盆地等不同于地形。地形作為真實自然場景的載體，UE4地形的制作方法主要有三種，一是創(chuàng)建或?qū)氲匦沃?，通過創(chuàng)建地形圖層來雕刻和繪制地形的基礎(chǔ)，從而更高效地操縱和維持地形;二是通過自制或下載的高度圖，以png格式導(dǎo)入灰度圖，自動生產(chǎn)地形;三是在從地理空間數(shù)據(jù)云獲得指定區(qū)域的地理數(shù)據(jù)之后，將地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成World Machine可識別的格式，既可以World Machine將現(xiàn)實中的地形于UE4中準(zhǔn)確呈現(xiàn)[3]。

2.2 ?材質(zhì)

盡管任何材質(zhì)都可用于地形，但是UE4的材質(zhì)系統(tǒng)也特意為地形提供了一些材質(zhì)節(jié)點，有助于更好地優(yōu)化地形紋理。UE4材質(zhì)編輯器提供了地形層混合節(jié)點、混合層、地形層坐標(biāo)節(jié)點、地形層切換節(jié)點、地形層權(quán)重節(jié)點、地形可視性遮罩節(jié)點等六種特殊節(jié)點，為地形提供了各式各樣的材質(zhì)[4]。比如地形層混合節(jié)點（Landscape Layer Blend節(jié)點）可以通過權(quán)重比例的調(diào)整、節(jié)點的輸入和輸出來混合“Grass”“Dirt”“Snow”等多個紋理或材質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。

2.3 ?光影

光與影的視覺、形式、明暗等關(guān)系，賦予自然場景以曼妙多變的可能性，意境紛然，因此在真實自然場景制作中對于光影的處理是至關(guān)重要的。UE4引擎所提供點光源、聚光源和定向光源，現(xiàn)在放置到場景中之后，主要通過對于其強度、光源顏色、衰減半徑、源半徑和長度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以獲得真實、自然的光照環(huán)境。并且UE4還提供了環(huán)境光源混合器、HDRI背景、IES光源、光源函數(shù)、光照通道、發(fā)射環(huán)境、Lightmass門戶等方式來提高光照的質(zhì)量。另外對于增強自然場景真實性、營造場景氛圍的陰影也是自然場景制作的關(guān)鍵因素，在UE4中主要是通過膠囊體陰影來為角色在直接光照區(qū)域中形成柔和陰影，而對于自然場景真實陰影的創(chuàng)建主要是借助靜態(tài)光源、定向光源級聯(lián)式陰影貼圖、定向光源級聯(lián)式陰影貼圖、動態(tài)陰影等方式來快速地渲染出令人印象深刻的栩栩如生的視覺效果[6]。

2.4 ?天氣系統(tǒng)

對于真實的自然場景而言，除了基本的地形、材質(zhì)、植物、光影之外，還有雨、雪、霧等天氣變化以及春、夏、秋、冬等四季更替變化。UE4引擎自身強大的粒子系統(tǒng)、藍(lán)圖系統(tǒng)以及豐富的插件，為真實自然場景天氣的變化提供了可能，比如在制作晝夜更替變化的效果時，可以使用虛幻自帶的Sky Sphere，通過改變定向光源的旋轉(zhuǎn)，然后用Sky Sphere自帶的刷新函數(shù)Update Sun Direction就可以根據(jù)定向光源的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)太陽高度的變化，進(jìn)而實現(xiàn)天空顏色的變化[6]。

3 ?自然環(huán)境制作的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)方法

游戲開發(fā)、虛擬現(xiàn)實、影視動畫等項目常見的自然場景制作中，盡管UE4引擎具有更為人性化的工具，可以幫助開發(fā)者快速制作出較為真實的地形、材質(zhì)、植物、天氣變化等效果，但仍然是目前開發(fā)者在自然場景制作中的難點與重點。下面以自適應(yīng)地形、光影效果、雨雪天氣變化三種關(guān)鍵技術(shù)為例，探索UE4引擎制作真實自然場景的實現(xiàn)方法，具體如下。

3.1 ?自適應(yīng)地形

自使用地形材質(zhì)作為UE4制作真實自然場景的重要技術(shù)，其原理主要是dot點積相乘，即地面是朝上的代表Z軸B藍(lán)色，懸崖是朝向XY軸RB紅綠色的，借助基本的軸向關(guān)系和RGB色彩通道實現(xiàn)材質(zhì)的變化來實現(xiàn)材質(zhì)的變化，UE4自適應(yīng)地形材質(zhì)技術(shù)點的誕生原因、作用原理、整體架構(gòu)如圖1所示。

UE4自適應(yīng)地形材質(zhì)的制作方法，首先要準(zhǔn)備好做需要的各類材質(zhì)，比如草地、巖石、白雪等材質(zhì)的紋理貼圖、法線貼圖;其次，創(chuàng)建藍(lán)圖節(jié)點。選中系統(tǒng)材質(zhì)屬性節(jié)點，將“Use Material Attributes”屬性勾選，設(shè)置為自定義材質(zhì)，并根據(jù)所制作自適應(yīng)材質(zhì)的種類創(chuàng)建多種地貌制作材質(zhì)屬性節(jié)點“Break Material Attributes”。將所創(chuàng)建草地材質(zhì)基礎(chǔ)材質(zhì)、巖石材質(zhì)為頂層材質(zhì)，將兩種材質(zhì)的紋理貼圖和法線貼圖的“Testures Sample”節(jié)點的RGB數(shù)值作為輸出連接到“Break Material Attributes”的“BaseColor”和“Normal”節(jié)點。再次，創(chuàng)建“dot”節(jié)點將當(dāng)前的絕對世界坐標(biāo)，歸一化到（0～1）齊次空間，然后取出Z坐標(biāo)（Z坐標(biāo)就是當(dāng)前地形的高度）數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為“HeightTexture”并以“Alpha”的數(shù)據(jù)形式連接到“Matlayer Blend_Standard”，最終所形成的自適應(yīng)地形材質(zhì)的他藍(lán)圖邏輯如圖2所示，所形成的最終自適應(yīng)地形材質(zhì)的自然場景效果如圖3所示。

3.2 ?光影效果

在自然場景中太陽光的位置決定了光線與陰影的位置，控制好太陽光的位置能夠為自然場景光影創(chuàng)造獨特氣氛，即使是一個基本的線性漸變，也能產(chǎn)生形與環(huán)境的變化與結(jié)果。因此利用不同層次的光影變化可以達(dá)到物象本身難以表達(dá)的效果，形成強烈的視覺效果，增加了視覺趣味，也體現(xiàn)了鮮明的主題與形象感、烘托主題與氣氛。比如自然場景的太陽光，作為主要的光線來源和陰影的創(chuàng)造者，太陽的東升西落以及高度變化對于場景中光照的顏色、強度和陰影的長短、濃淡都具有重要的影響。對于太陽光東升西落的效果，首先需要創(chuàng)建藍(lán)圖類選擇Actor，打開藍(lán)圖類并在事件圖表中，創(chuàng)建三個變量類型分別為Directional Light、BP Sky Sphere、Sky Light，分別為場景中的平行光（Light Source），天空球（Sky Sphere），天光（Sky Light），并將場景中的對應(yīng)的物體拖入三個變量當(dāng)中，為太陽光東升西落效果的制作做好準(zhǔn)備。對于太陽東升西落效果制作的核心技術(shù)主要是借助變量來控制平行光的旋轉(zhuǎn)，即將平行光（Light Source）選入變量中，并且將Light Source更改為可移動，使用Tick事件節(jié)點來實現(xiàn)平行光在Y軸方向上的旋轉(zhuǎn)，并使用 Update Sun Direction節(jié)點更新天空球，就可以實現(xiàn)太陽升起落下的效果，如圖5所示。

3.3 ?雨雪天氣變化

天氣系統(tǒng)作為真實自然場景的重要組成部分，豐富的環(huán)境變化系統(tǒng)，四季變換、白天黑夜帶給玩家?guī)砀鼮槌两挠螒蝮w驗，比如游戲《代號：夏娃》就是采用了UE4引擎，為玩家還原和打造了一個幾乎涵蓋了現(xiàn)實中所有天氣情況的豐富多彩的真實世界。UE4引擎借助插件和藍(lán)圖系統(tǒng)來驅(qū)動動態(tài)云動力天氣、時間和季節(jié)系統(tǒng)，相比較Unity3D等引擎而言具有更大的靈活性和優(yōu)質(zhì)性能。以雨雪天氣的變?yōu)槔?，其關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)方法如圖6所示。

最終實現(xiàn)的雨雪天氣變化效果，即開始大雨滂沱，雨水落到平靜的湖水面后形成漣漪效果，下雨后場景中的山地、草原、樹木、石頭等所有物體變成濕漉漉的效果，雨水過后開始下雪，物體表面開始慢慢積雪，世界變成銀裝素裹的樣子，營造了一個真實的雨雪天氣變化效果，如圖7所示。

4 ?結(jié) ?論

本文在分析了真實自然場景制作的關(guān)鍵因素和制作要點的基礎(chǔ)上，以自適應(yīng)地形、光影效果、雨雪天氣變化三種效果的制作為例，探索了基于UE4藍(lán)圖技術(shù)的實現(xiàn)方法。真實的自然場景是游戲開發(fā)、虛擬現(xiàn)實、影視動畫等領(lǐng)域一直不斷追求的效果，并且隨著Unreal Engine引擎功能的不斷強大，會為我們奉獻(xiàn)更為真實驚艷的自然場景。

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作者簡介：潘舒潔（1984—），女，漢族，江蘇蘇州人，講師，本科，研究方向：計算機教學(xué)、虛擬現(xiàn)實。