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

　　在說PBR之前，筆者先從個人角度談一下對于三維制作的一些理解，這將有助于對三維開發感到陌生用戶更好地理解后續的內容。三維在制作到呈現的過程中，通常需要經過以下幾個環節：

　　1.原稿設計

　　從字面上就很好理解這一步需要做什么，三維設計師在一個項目開始前，通常都會進行原稿設計，原稿當中呈現的元素，通常是設計師需要在三維制作軟件中呈現的效果，它是一切設計創作的藍本，設計師會在原稿的勾畫過程中對于空間關系、光線陰影等因素做細致的考量。

　　“陽光教室”三維空間設計原稿

　　2.模型架構

　　到了這一步，模型架構師會手持原稿上線，利用3DsMAX、Maya、Cinema4D、Zbrush或Quixel SUITE等工具，通過點、線、面和一些基本圖形來構架更為復雜的三維模型，經過多年的軟件發展，這些應用當中產生的“白模”(也稱為素模，指的是未經添加材質、色彩、骨骼、動作等信息的基礎三維模型)通?？梢曰ネㄊ褂?。在這些軟件當中，你通?？梢钥吹揭恍┗野咨哪Ｐ统尸F出來，類似于現實生活中的石膏像，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”三維空間設白模示例

　　3.材質貼圖

　　筆者認為材質貼圖是拉開設計師水平的關鍵一步，如果白模只像是石膏像的話，這一步才會讓你真的一眼識別出設計師究竟在做什么東西，設計師們往往通過調整材質編輯器的參數來編輯材質信息，如玻璃、金屬、木材等等，并把編輯好的材質賦予模型，這些材質參數會規定好某一個物體在光線下產生的反應，以便人眼可以快速的識別出它是什么。好的設計師會借助對現實物理世界的理解來定義參數，讓這個物體在虛擬世界當中更像它處在現實當中的樣子，也就是我們口中說的“更真實”，有些模型因為用途的不同，還需要進行UVmap的拓撲，相當于把模型的表面剖開并全部壓平在一個平面圖上，以便設計師根據需要進行貼圖編輯。當然，有些設計師在做材質貼圖的時候，需要同時進行下一步操作——架設燈光。

　　完成材質貼圖的三維場景 場景內燈光照明的三維場景

　　4.燈光陰影

　　模型架構完畢并被賦予了材質貼圖后，燈光師就可以接手了，他們會根據場景的用途和需要來設定燈光的位置、角度、范圍、強弱、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攝像，但好的攝像師一定會架設燈光，在三維的架設當中，這個原理同樣存在，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用情景，比如物理模擬、建筑表現、機械設計、游戲開發、影視制作等等，在這一步設計師會根據三維圖形不同的用途來進行后續的操作，有的需要對虛擬人物進行骨骼綁定，有些需要架設虛擬攝像機，在這里我們不做展開。

　　6.渲染呈現

　　到了渲染環節，往往是三維圖形制作環節的最后一步，它需要由計算機來進行操作，其實就是由計算機來做工作總結——計算機在白模的基礎上，加上設計師定義好的材質和貼圖，配合光照信息模擬模型表面的粗糙度，計算好不同物體和光線來源之間的反射、折射關系，綜合虛擬攝像機、模型綁定、動畫動作等設定，進行最后圖像的合成運算。當然，這一步需要計算機擁有非常好的性能，因為渲染過程當中每秒運算的數據量是非常龐大的數字。依照經驗和個人理解筆者將渲染環節分成兩個大類——預渲染和實時渲染。筆者認為不需要用戶端來進行渲染操作的，都可以稱為預渲染，比如建筑表現，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屏幕能夠看到就可以了，用戶端并不需要進行渲染運算;而實時渲染是說用戶端的渲染，代表案例就是當前的一些主流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在玩家眼前，玩家操作虛擬人物游走于不同的場景，這個過程實際就是一個實時渲染的過程。

　　“陽光教室”場景最終渲染效果

　　說到實時渲染，終于可以請出我們的主角了——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律模擬的一種實時渲染技術，也最早用于電影的照片級渲染。近幾年由于硬件性能的不斷提高，已經大量運用于PC游戲與主機游戲的實時渲染。幾款著名的3D引擎均有了各自的實現(UnrealEngine 4, CryEngine 3, Unity 3D5)。[3]在PBR出現之前，限于軟硬件的發展程度和所處水平，所有的3D渲染引擎，更多的著重在于實現3D效果。當時這種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的感覺，就是會覺得特別的假。為了增強模型的真實感，PBR就是一套用來讓模擬出來的模型更真實的渲染技術。這種渲染技術，是基于真實的物理世界的，考慮了真實物理世界的成像規律在內。對于進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理論，還要經過其他一系列系統地研究和學習，而作為普通用戶，我們在此不再贅述專業的知識理論，只來探討一下應用了PBR技術的TVS-2000和其它三維虛擬演播室系統有什么區別。筆者匯總了以下幾個方面：

　　1.更加逼真的空間環境

　　根據筆者的調查，目前在國內全部的入門專業級(單機售價30萬元以下) 虛擬演播系統當中，僅有洋銘的TVS-2000應用了PBR技術，這也令相當一部分三維開發者和專業愛好者為之振奮。PBR技術可以使TVS-2000在實時渲染的基礎上，實現“以假亂真”的虛擬空間效果，無論是材質反饋、燈光效果還是細節處理，較其他引擎渲染的三維空間都有質的飛躍。舉例來說，筆者也曾測試過其它兩款三維虛擬演播室產品，這些產品都是利用烘焙貼圖模型實現三維空間呈現的，這種方式雖然可以很快速地實現實時渲染，但卻有一個根本性的問題，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，當你試著移動場景內的虛擬攝像機時，你會驚訝的發現，物體表面的高光并不會因為虛擬攝像機所處位置的變化而改變，你視網膜接受的信號會迅速告訴你的大腦——“你看到的是假的。”當你把場景當中的某一個物體移動到場景外的時候，它在黑漆漆的環境中，依然維持著它原本的樣子，這就反應出一個問題——沒有實時的環境和光線反饋，這是大腦判定真假的重要證據。而這種問題在TVS-2000中是不存在的，當你將它內置的三維場景當中的某一個物體移出光照區，它會因為失去光照而變得不容易被發現，有了真實的環境和光線反饋，大腦就會取消警惕狀態，甚至被迷惑，這就是實時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

　　舉個例子，喜愛電腦三維槍戰游戲的朋友都玩過《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飄動，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，因為光照和陰影信息已經通過預渲染壓在了模型表面，它并不能隨著模型的移動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。當然，在計算機性能匱乏的年代，為了能夠保證三維游戲的流暢度，這幾乎也是唯一選擇。隨著信息技術的發展，曾經理想的事情已經變成現實，我們可以看到目前的槍戰游戲《使命召喚》(Call of Duty)已經可以通過實時渲染技術實現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圖像還是三維場景。這種飛躍在三維圖形領域是一種飛躍，也代表了未來諸多科技企業的深耕方向，這就是為什么筆者在文章開頭的時候會說TVS-2000代表了三維虛擬演播系統未來的一種發展趨勢。

　　2.更加便捷的場景定制

　　相比以往內置在TVS-1000/1200當中的“3D小畫家”功能，內置在TVS-2000當中的場景編輯器才真正當的起“3D”這個頭銜，因為這個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的場景編輯器相當于一個簡化版的3DsMAX三維開發工具，在其中你可以隨意移動、縮放、旋轉模型，甚至添加或刪除它們，同時你還可以改變模型的材質信息以及場景的光照條件，借助實時渲染的強大功能，你可以通過移動燈光來改變場景模型呈現出的立體效果，甚至改變場景白天或黑夜的設定，在這里不需要經過漫長的學習，就可以體驗一把當三維設計師快感。當然這一切的重點意義在于你可以自由控制和定制你所需要的場景，根據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感為代價，更不需要付出大量的時間來學習三維軟件的操作。

　　3.更加強大的硬件性能

　　筆者在以往從事三維場景設計工作時，通常會率先搭建“渲染農場”，因為復雜一些的場景，內置模型數往往會過百，而構成這些模型的面通常數量會突破千萬面，電腦要計算每個面的材質、光照信息等一系列數據絕非易事，一張精細的圖片渲染起來，普通工作站平均都需要數小時來完成，為了保障工作效率，筆者會將多臺48核心(CPU)工作站通過網絡組建成“渲染農場”，一張圖片的模型信息會通過網絡分流到各個工作站來分區渲染，渲染時間可以銳減到每張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，畢竟一臺服務器的售價就已高于25萬元人民幣?；赑BR的實時渲染引擎可謂是像筆者一樣的開發者們的福音，因為它幫助開發者們省去了渲染所需的時間及成本投入。換另一個角度思考，基于PBR的實時渲染讓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強大的硬件性能，對于用戶和開發者而言是可靠后臺保障。