运用实时全局光照打造灯光模拟仿真软件

时间：2024-05-04

查雁南

摘要： VR开发引擎借助于VR在娱乐行业的迅猛发展变得更加高端和智能化。新的VR引擎里增加了更多可调节参数的实时全局光照系统，其效果更加贴近于现实的PBR材质系统。借助这些新的技术，开发者就可以开发出满足各种教学需求的次时代仿真教学软件。文章主要介绍如何运用新一代Unity5引擎打造灯光模拟仿真软件。

关键词：虚拟现实；实时全局光照； PBR材质技术；次时代仿真软件

中图分类号：TP31 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）06-69-03

Abstract： VR development engine by means of the rapid development of VR in the entertainment industry becomes more sophisticated and intelligent. New VR engine inside added more real-time global illumination systems which have adjustable parameters， its effect is more close to the real PBR material system. With the aid of these new techniques， developers can develop next generation simulation teaching software meeting the various teaching demand. This article mainly introduces how to use the new generation Unity5 engine to build lighting simulation software.

Key words： VR； real-time GI； PBR material； next generation simulation software

1 灯光模拟仿真软件的设计思路

首先说一说为什么要制作这款软件，我所在的学院工作室经常需要为学院各专业制作仿真软件，但是并不是所有的专业都适合使用虚拟现实仿真软件[1]来进行教学。在挑选专业制作仿真软件时，除了专家经常说的三高四难问题，还要考虑老师使用它进行教学的效果好不好，学生使用软件的体验怎么样。所以，我们经过多次调研后，将目标放在了学院艺术专业的灯光教学课程。虽然这个专业也有他们自己的室内设计仿真软件，但其使用效果并不好。第一，只能简单的切换场景和漫游不能调节任何和灯光有关的参数，不能通过改变灯光的因素来改变整体的环境氛围。第二，由于制作软件并不高级，所以渲染的效果也比较粗糙，给学生带来的使用体验并不好。所以综合上面两个问题，如果将画面的效果制作到次时代级别，便可以随意调节灯光的明暗以及变换色彩。最后制作几个和艺术专业相关的有代表性的场景，比如室内场景、室外场景、工业展示、柜台展示等等。这样，在课堂上老师就可以通过软件来细说在各种场景里灯光的使用效果和用途；课后学生也可以通过软件来练习灯光的调节和完成课后作业。

2 灯光模拟仿真软件关键技术

如前所述，要想做到灯光随意调节和渲染画质提升，得先弄明白三个关键技术：实时全局光照、PBR材质、次时代制作标准。说到次时代，人们脑袋里都会浮现出各种高端大气上档次的次时代游戏。他们往往都是用次时代引擎开发出来的，耳熟能详的有：虚幻引擎、CryEngine引擎，以及后来居上的Unity5。这里主要使用的是Unity引擎。

3 Unity5实时全局光的运用

实时全局光照[2]，软件叫做Realtime GI。非常粗略的来描述：如果说以前的光照系统是由光源-物体-视点组成的话，那么全局光照系统就是由光源-环境反射光-物体-视点[3]组成的，就是说GI额外包括了环境反射光的计算，它可以使得渲染出来的场景物体间的光影交互更为真实。如果是离线烘焙的话，环境反射光就是通过辐射度算法或光线追踪算法，一点点计算出来的，但是实时渲染没有这么多的时间。为了实现实时的GI，简单说来，Unity需要预计算一些信息，这些信息大概包括场景间物体之间的位置、反射关系，以及一个环境反射树。在实时渲染时，会自动将场景分解为数个子系统。这些系统被用于预计算大量的并行管道。管道之间是深相关的，并解决每一个系统的任务。利用这些信息Unity会动态生成一张间接光照贴图，与原先的Lightmap一样，只不过上面记录的是物体表面受到间接光的信息，这样在实时渲染时就会看到物体受到反射光的影响了。

实时全局光照在其他的次时代引擎可能很早就有了，但是在Unity引擎上是5.0之后才更新出来，在旧的版本里灯光渲染烘焙一次成型，根本无法有任何的更改，所以就无法制作灯光的改变。但有了实时全局光照技术之后，允许在烘焙场景的全局光之后还能更改场景的灯光、环境光、材质属性，这样就达到如前文所述的可以随意改变灯光的颜色和亮度，进而达到同一个场景不同氛围的效果[4]。如图1所示。

4 PBR材质的使用

运用实时全局光照还不够，还需要为场景的模型添加材质。Unity5使用的是最新的PBR材质系统，它与实时全局光照配合起来使用就可以完整的呈现出照片级别的画质[5]。PBR是Physically Based Rendering的缩写，即：基于物理的渲染。在引擎里面体现材质至少需要4张贴图来体现其本身的物理属性，即：漫反射（albedo）、表面粗糙度（gloss）、反射率（Reflectivity）、法线凹凸（normal）。但是在制作PBR材质贴图时，并不简单，如果直接将3DMAX里面的贴图放在unity里面使用，效果会非常糟糕，这里需要有一定的制作流程。目前市面上已经有专门的PBR贴图制作工具，比如mari、Substance Painter、ddo等等软件。Substance Painter制作PBR贴图的流程：①在3DMAX里面制作好高模和低模；②将高模和低模导入到Substance Painter进行贴图烘焙，需要烘焙的贴图有normal、ao、world space normal、curvature等贴图；③在Substance Painter根据模型制作的要求进行各部分的贴图绘制；④导出所需要的贴图。尽管每个软件制作PBR贴图的细节都不同，但流程大同小异。不管是制作金属曲面的材质贴图，还是光滑曲面的材质贴图，根据物体的光照属性[6]进行制作即可。最后完成的效果如图2所示。

这样就制作出了次时代级别的灯光模拟仿真软件，功能齐全，渲染效果也让人满意。另外在图2上不仅仅灯光的位置不同，场景中的物体材质也不同。场景中大部分的物体还增加了多种材质贴图的选择，为学生和老师在给场景调节每个灯光和环境光的同时，还可以具体地调节每个物体的颜色和质地，方便每个人制作出独一无二的场景效果。

目前这套灯光模拟仿真软件还有其他的几个场景正在开发中，在制作完全部场景之后，便会将其使用在VR头盔上。让最新的虚拟现实技术也能为传统教学所用。

5 结束语

有人认为，在未来几年里VR将会取代手机成为人们生活中不可或缺的一部分。虚拟现实技术也将会改变下一代人的衣食住行。在职业教育领域，虚拟现实技术作为新的媒体技术，将会成为实训教学课程的主流，其身临其境的体验以及高度逼真的三维场景会让教学变得更加生动和贴近现实，这将大大提升教师的上课质量。

参考文献（References）：

[1] 张顺吉，董婧.虚拟仿真软件在网络实验教学中的应用[J].信

息系统工程，2010.7.

[2] 李伟伟，董杰，李海霞，张桂连.多光源实时全局光照算法的实

现[J].吉林大学学报（信息科学版），2011.2.

[3] 张全贵，王普闫，健卓，方丽英.基于光线跟踪方法的全局光照

研究[J].计算机科学，2010.4.

[4] 郦文俊.Vray渲染器在室内装饰效果图制作中的应用方法研

究[J].艺术科技，2015.5.