制作科幻环境
你好，我叫Fredrik Maribo，我最近在英国提赛德大学完成了计算机游戏艺术学士学位的最后一年。因为我的目标是成为游戏行业的环境艺术家，所以我决定为我的最终项目创建一个实时环境。我在整个项目中使用的软件包括Maya、ZBrush、Marvelous Designer、World Machine、Substance Painter、Photoshop和Unreal Engine 4。
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项目目标
该项目的技术目标是使用最新的行业实践、模块化工作流程、智能材料和细节图创建一个半真实的游戏环境。视觉灵感源自《德军总部 II》、《星际公民》、《毁灭战士》和《使命召唤：无限战争》等游戏。
我个人的目标是创造一个游戏环境，传达一个世界，而不仅仅是一个场景。我希望我的视觉效果能够激发对那个世界其他地方的好奇心，甚至可以帮助观众激发他们自己的一些幻想来填补空白。这种方法最终让我的范围变得非常大，并且它变成了一个非常大的环境。
我选择科幻内饰的原因是我缺乏硬表面建模的经验。我还想通过使用固定架构指标的更复杂的组合来挑战自己。这就是为什么我最终选择了这种环境的循环性质。
科幻主题到位后，是时候找到一个位置并制定可靠的视觉方向了。为了让我了解最新的视觉趋势，我创建了 Pinterest 版块来收集当前一代科幻游戏的图像，例如德军总部 II：新巨像和星际公民。
看似无限的参考访问很容易变得势不可挡。很快，我发现自己需要大量图像来帮助扩大我的视觉库和有关主题周围所有事物的知识。我收集了 622 张图像，分为 17 个部分。这些部分包括电缆和软管、机器人和终端、面板、管道、聚变反应器等。研究这些图像不仅扩展了我的视觉库，而且还帮助我了解细节的角色和功能如何影响它们的视觉效果以及我如何利用它为我自己的设计。
《了不起的设计师》封面图片
由于它在环境艺术家中很受欢迎，我决定使用 Marvelous Designer 为场景创建绝缘材料、防水油布和其他布料资产。为了确保我的学习曲线尽可能陡峭和直接，我决定投资一门名为“奇妙设计师简介”的课程 （Schaika，2017 年）。22 个视频课程介绍了创建高质量布料模拟的所有基础知识和最佳实践，包括如何针对游戏对其进行优化。令我惊讶的是，该程序以非常实用的方式类似于现实生活中的剪裁，这让我可以轻松地将自己的一些剪裁经验应用到布料模拟和图案裁剪中。
这些图像是我在 Marvelous Designer 实践中生成的测试网格
对于硬表面部分，我决定研究新的 ZBrush 4R8 更新及其实时布尔功能。这会将我的常规从低到高多边形工作流程更改为反向，从高到低。我的目标是在保持高质量烘焙的同时更快地生产硬表面资产。Michael Pavlovich 的一个名为“科幻武器过程” （Pavlovich，2017 年）的教程系列引起了我的注意，因为它在硬表面建模的镜头下突出了 4R8 的新功能。该课程介绍了从根本上改变了我的工作流程的技巧和窍门。
ZBrush 4R8教程的封面图科幻武器流程
在封锁阶段，我只关心主要形状和整体构图。尽可能快地用形状说出我的想法。这必须迅速发生，就像绘制早期的 2D 概念艺术一样。在一个环境中度过 12 周时，我想确保我的基金会从一开始就可以为自己说话。
上面左上角的图像显示了冷冻箱概念的遮挡。右上角的图像来自飞艇设计，左下角的图像是模仿聚变反应堆特征的房间。这些是我在选择右下角发布的动力室之前所做的 7 个概念中的 3 个。
动力室的想法有一个有趣的核心，为带有外露绝缘层和防水布的开放式面板提供空间，它有足够的垂直度来摆弄悬挂的电缆簇和凌乱的管道装置。如果时间允许，我什至可以推倒一堵墙并打开它以获得外部景观。
下面是一组图像，展示了我的灰盒阻塞的早期演变，最后一张图像是我顽皮地尝试想象雪崩侵入场景，放弃了这种方法。
后来我为核心设计了两个新概念。我已经在纸上勾画了这些设计，所以下一步将是在 3D 空间中测试这些想法，使它们更容易获得反馈。下面你可以看到右边的概念也有一个涂装。在建模和绘图之间流畅地工作使我能够为我的概念添加细节，并利用两种实践的优势快速处理不同的想法。我的最后一个核心最终成为这两种设计的混合体。
由于环境将在 UE4 中实时运行，因此模块化将成为灵活设置、节省时间和内存的重要工具。
在制作资产之前，我必须规划空间并将它们分解为模块化资产套件。由于我的场景混合了圆形和有角度的建筑，我必须制作适合这两种模式的资产套件，或者每种模式都适合，还要确保它们有交叉部分来解决那些为圆形设计的地板或墙壁模型的问题区域使用会与直墙或地板发生碰撞。我开始尝试用不同的墙模块和柱子做装饰件（下图）。墙壁是笔直的，但在中间柱子的帮助下，可以将它们与覆盖间隙的柱子成一定角度。
我创建了更大的圆形形状，如悬挂的环形交叉路口（上图）、管道、围栏和支撑金属梁，并考虑到平铺 UV。根据纹素密度，我所有的圆形资产都从一个直的 2-4m 样本开始。在打开样品并测试 UV 是否有接缝后，我复制了这件作品，使其足够长，可以环绕一个与我的目标一样大小的圆形样条。在这种情况下回旋处。为了防止我的网格在弯曲变形下重新缩放，我必须知道我复制的条带必须有多长。要回答这个问题，我需要找到我的圆周围的距离，或者它的周长。这是通过取圆的直径并将其乘以 Pi (C=πD) 得出的。
对于布景，我必须制作一个资产清单，以限制自己创建多余的资产。我将环境分解为 3 个细节级别，主要形状（建筑）、次要形状（中等道具）和第三种形状（杂乱、贴花和小布景资产）。我从最大的形状开始，然后逐步向下。这是为了不断提醒我较大形状的重要性，因为它们将覆盖大部分屏幕。
我的管道套件（上图）是我的二次细节传递中非常有影响力的部分，因为它可以用来覆盖丑陋的交叉点，打破无聊的重复并装饰裸露的区域。为此，它必须是一个非常通用的模块化套件。
我制作的另一个辅助细节资产套件是支撑梁套件（下图）。这个套件有两个纹理集，一个生锈的纹理用于我最初的坚韧和恶化的外观，另一个我最终使用的干净的纹理。我还通过使成排的大梁变形形成一个支撑人行道的圆圈，将这些模型用于我的悬挂环形交叉路口。
为了对环境中更有机的形状进行建模，我想利用 ZBrush 新调整的从高到低的工作流程。这方面的一个例子是管道套件的端盖模型（下图）。尽管可以说这个网格可以在传统上快速制作，但我很高兴我为了研究而将它通过这条管道，因为结果看起来不错，而且时间很短。
在这个模型上，我从 ZBrush 中的一个圆柱体开始，切换径向对称性以在车床上将其塑造为陶瓷。我在按住 Alt 的同时使用 ClipCircle 挤出螺栓室，然后我使用 Insert MultiMesh 工具插入螺栓，同时将径向对称切换为 8。对于重新拓扑，我使用了抽取大师而不先对对象进行 ZRemeshing，这样清晰的边缘网格不会浪费。在这种情况下，建模过程不到 4 分钟。尽管拓扑最终看起来很丑，但烘焙是干净的，但只要模型不变形，并且烘焙是干净的，就不应该造成问题。由于 Houdini、ZBrush 和其他建模软件解决方案正在引入从高多边形雕刻自动生成低多边形版本的方法，此工作流程最近似乎是 3D 艺术家的热门话题。
Double Negative 的两位艺术家Henning Sanded和Morten Jaeger 制作了一个名为“是否高估了良好拓扑？”的好视频。（FlippedNormals，2018）解释了非变形几何如何从 ZBrush 中生成的重新拓扑中受益。
Michael Pavlovich 还推出了Houdini 游戏开发工具集（Pavlovich，2018 年）。引入一个工作流程，可让您生成低多边形模型、LOD、UV 等等。
本示例中的跳棋被夸大用于演示目的
Texel 密度成为一个重要因素，因此环境的规模。我最初决定每平方米 1024 的基本纹素密度。从那里我根据细节量以及相机与所述资产的接近程度调整了我的纹理分辨率。这方面的一个例子是中心部件，其中最靠近地板的部分具有最大的纹理空间。中心件的下部也是细节最多的部分，这是增加纹素密度的另一个原因。Leonardo Lezzi 的文章“ Texel Density/Pixel Ratio ”（Lezzi，2016 年）也描述了我用于控制纹素密度的原则。
莱昂纳多·耶兹这里：
- 计算 Textel 密度
Maya 有一个简单的功能来控制纹素密度（下图），允许用户在 UV 岛之间调整、复制和粘贴纹素密度。我发现这在控制整个环境中的纹素密度时非常有用。
我使用装饰板来无缝重复几何体，例如电缆、管子、地板和管道。修剪板就位后，我可以对悬挂的电缆簇进行建模，而不必担心纹理，因为我可以轻松地将 UV 拉直为长条，设置正确的纹素密度，然后调整 UV 坐标以匹配电缆纹理 UV 空间。
我制作电缆簇的另一种方法是沿曲线使重复的电缆条变形，然后我删除了该曲线外的几何图形。我还删除了多余的几何图形，例如没有创建任何突出角度的边缘循环。我还可以在电缆网格上应用多个 UV 通道，以便轻松进行纹理交换。
在 Substance Painter 中纹理化时，我总是想确保我可以在整个项目中重复使用我的材料。使用油漆层来实现纹理多样性而不是烘焙蒙版，甚至是智能蒙版可能很诱人，我经常在初学者身上看到这种情况。他们甚至在学习基础知识之前就已经偏离了标准。Substance Painter 专为智能材质工作流程而设计，理由非常充分。它速度更快，使用生成和烘焙的蒙版时外观更自然，并且非常适合连续性，并且您将及时构建自己的材质库。
简单而有效的智能材料的一个很好的例子是如下所示的回火钢材料。为了创建这个，我创建了一个包含 6 个填充图层的图层组。每一层都代表了在 400 到 730 华氏度之间产生的各种颜色的基准。然后，我创建了一个智能蒙版，利用厚度、曲率和环境光遮蔽在热量最突出的地方绘制变色。我逐渐减少每个面具中的全局平衡，图层越暖和。这样，无论网格如何，每种变色都会有自己的灰色阴影来表示并为整个光谱提供位置。
由于这种智能材料缺少用于填充背景的基色，因此我可以将其与我选择的任何金属材料结合使用。在下图中，您可以看到我什至使用自定义版本的回火变色材料来熔化电池塑料、使铜变色甚至使油漆变色。
我使用 World Machine (WM) 来创建山脉，因为该程序可以轻松地为高度、坡度、泥沙流和侵蚀生成有用的纹理蒙版。对于那些不熟悉 WM 的人，它是一个基于节点的地形创建工具，其工作流程与 Substance Designer 类似。在为山体贴图时，我从侵蚀节点屏蔽了侵蚀、坡度和沙流信息，然后将其导出为灰度蒙版，然后编译为虚幻引擎 4 中使用的一张 RBG 纹理图像。然后我使用这些蒙版在 3 个平铺的山体材质之间进行混合功能（1 个沙子和 2 个岩石）。这使我能够以非破坏性的方式控制在侵蚀之间留下多少沙子并调整沙子可以出现的最大角度。我可以使用高度图作为景观的种子 对于它的所有好处，但这次我通过从 WM 导出网格并在 ZBrush 中抽取它来保持模块化。
对于 Skybox，我希望行星无论我把它们放在哪里，它们的月球振动都能正确地指向太阳。这可以很容易地通过一个不透明的行星球体来完成，每个球体都有一个从正确视角指向的聚光灯。但是一颗不透明的行星会阻挡大气层、指数高度的雾、云层和天空的视觉效果。这将表明这颗行星实际上位于大气层内（下图）。
为了解决这个问题，我创建了一个半透明材质（下图），它使用 VertexNormalWS（世界空间顶点法线）节点作为蒙版来控制世界空间中的不透明度方向。我还将它与菲涅耳混合以添加更广泛的日食。将 VertexNormalWS 与颜色相乘允许我在 180 度半径内更改不透明度的方向，因为颜色不能为负值，如果需要，我必须添加一个 OneMinus 开关来切换另一侧。这种半透明造成了大气在行星前面而不是相反的错觉。
城市星球的自发光路灯是通过使用莫斯科的路线图作为基础蒙版创建的，然后我将该图层与油漆图层相乘以开始添加圆形高光。
创建了一种主材料（下图），为环境中的所有标准材料提供廉价且流畅的定制。我创建了用于在主材质内平铺细节贴图的材质函数。我创建了一个 AO 蒙版 Grime 函数，以使场景中的纹理看起来更加统一。它还有助于进一步推动地球上干燥的气候。还为粗糙度通道添加了一个 Grunge 材质功能，这个材质功能允许我向粗糙度通道添加平铺细节贴图，如脚印和指纹，灰尘层清洗地板上的擦拭图案以及擦拭窗户、玻璃和屏幕上的痕迹。
在创建模块化套件时，我经常将未完成的版本导入虚幻引擎进行测试，以确保套件按预期工作。在墙壁和面板套件的制作过程中，我将模块导入到虚幻引擎中，并通过创建一个基本的走廊来测试未完成的套件。这条走廊工作得很好，所以我把它留在了最后一幕（上图）。
样条蓝图是布景的重要组成部分，因为它让我可以在不离开引擎的情况下快速安装管子和电线。
由于我场景背景中的工厂离得很远，所以它看起来很小，大部分细节都被高度雾冲走了。这让我可以使用轮廓而不用担心低纹素密度、接缝或尴尬的交叉点。我允许自己使用无纹理的块状模型和较小的道具来塑造工厂（下图）。我无情的kitbashing让我可以尝试各种各样的形状和风格，所以我最终在外部创建了3个精心布置的工厂。
上面使用的资产是替代融合核心，一些无纹理的低聚管道和主管套件中的连接件。红灯来自应用于面向环境的多边形三角形的简单自发光材料。这些资产后来被纹理交换以进行优化。
从左到右：光照贴图分辨率、完全点亮、光照复杂度、着色器复杂度。
下图显示了我在整个项目过程中尝试的不同照明氛围。前 4 幅图像显示的照明通道与最终结果中更逼真的方法相比非常具有戏剧性和戏剧性。
最后 4 张图像（下图）显示了受 Doom 2016 启发的照明方案。这些图像还包含两个早期的核心概念。我敢肯定你会说我在这个项目中玩颜色、情绪和灯光很有趣。
使用可移动的定向光作为阳光，在场景内部创建清晰的阴影。我在窗户外面放置了光反射卡（查看下面的视频）以创建更柔和的环境光。这对定向光无法到达的地方产生了显着影响。
对于后期处理，我使用了后期处理材料来锐化图像。我使用IES配置文件在聚光灯上获得更逼真的外观，暖光和冷光之间的对比是色调城镇，并根据开尔文色温标度进行引用。由于纹理有点过于饱和，后期处理中的全局去饱和使场景看起来更加统一和逼真。它还有助于营造干燥和尘土飞扬的外观。
为了与外部环境的干燥和尘土飞扬的气氛相匹配，我确保天空球的地平线和云彩与山上的沙子相匹配。这会使空气看起来被未沉降的灰尘污染。我决定采用深棕色天顶颜色，以给人一种空气稀薄、空气稀薄的印象。
为了保持场景优化，我谨慎地分配光照贴图密度，只在可以看到阴影伪影的地方增加它。这一点，再加上密切关注照明复杂性，是保持良好性能和优化照明成本的关键。我有一个一般规则，就是不要让太多可移动的灯光影响相同的表面区域，尤其是如果该表面应用了昂贵的材料。
结论
老实说，我很惊讶我能做到这一点。我很早就意识到这对我来说将是一个难以确定的项目，而且我很长一段时间内都没有看到这个项目完成的感觉是我的主要动力来源。但回想起来，有很多事情我希望我能完成、改变或做不同的事情。我的材质设置变得相当混乱，一些资产仍处于封锁阶段，我从来没有时间将我的细节贴图利用到我希望的程度。环境可以真正使用 VFX Pass，并且可以在拓扑方面对焦点和绝缘垫等一些资产进行更优化。
我在这个项目中学到的东西让我转向了一种全新的 3D 艺术创作方式。最后，我真的很高兴我超出了范围。如果我在一条简单的走廊上安顿下来，或者决定做粉丝艺术，我永远不会把自己推到今天的位置。我现在可能不想这样做，但我有一种感觉，我想像在这个项目上所做的那样扩大我的下一个项目的范围。
