2024年5月19日发(作者：)

特

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专

题

中央电视台

张家宁

摘 要

数字资产对实时渲染引擎来说，是一切可视化的核心。

一 数字资产

实时渲染引擎技术，是未来4K超高清制作工艺的主流，其

完善的资产平台给数字资源储备带来可能。本文介绍了实

对于特效制作来说，数字资产是一个新名词。数字资

时渲染引擎Unreal Engine在《飞向月球》4K超高清纪录片

产是什么？广义来讲，它是指可以进行交易、应用的数字

的特效实现过程中的具体应用。

类可视化产品。Unreal Engine 4给数字资产进行库的系统整

理，让数字资产应用形成平台化。而数字资产对实时渲染

引擎来说，是一切可视化的核心。因为实时渲染的展示完

关键词

全体现在多资产组合上，只有资产实时地展现其成品的效

实时渲染 数字资产 Unreal Engine 4 虚幻引擎4

果，才会在灯光气氛的烘托下渲染出美好的画面。而在以

往传统特效制作中无法形成资产的概念，是因为模型、材

《飞向月球》4K超高清纪录片特效部分，是在全4K

质、灯光以及动画等因在不同镜头的制作中针对性过强无

（注：广电标准分辨率3840×2160，帧速率50P）制作

法便捷地进行调用，而不能成为资产库。

流程中运用实时渲染引擎技术完成的。因为在难度与渲染

速度上，以4K为标准的制作是传统制作的8倍以上，无

1. 《飞向月球》的背景资产

法满足制作周期上的需求，所以运用实时渲染引擎技术进

在《飞向月球》的制作中，背景主要分为三类：一是

行制作成为目前唯一的选择。

宇宙空间；二是月球表面；三是室内书房与博物馆。

《飞向月球》4K超高清纪录片特效分为两部分：第一

（1）宇宙空间资产

部分是虚拟拍摄，它是将虚拟背景效果与真实人物结合打

宇宙空间有别于地球的环境，真实的宇宙空间除了太

造出的有别于传统制作方式，将后期前置的全新工作流程；

阳这个发光体以外是一片漆黑的。但有些镜头背景如果太

第二部分是离线制作，它体现在先将前期制作形成的不同

黑会影响表述效果，所以一个巨大的星空环境就有所必

元素资产化，再进行实时渲染调节的模式工作，从而实现

要，并且这个资产具备根据需求进行星星数量与亮度的

所见即所得。

可调。

实时渲染引擎是指Unreal Engine 4，中文名为虚幻引擎

（2）月球表面资产

4，它是一套完整的创新设计工具，能够满足制作者需求，

月球表面环境资产是由虚幻引擎4的地形系统来制作

同时具备足够的灵活性。作为一个业内领先的渲染引擎，

的，这是一种另类的资产。系统的“世界场景”可以创建如：

它实现了无需代码的蓝图创作；可通过完整的C++代码自

山脉、山谷、起伏或倾斜的地面，甚至洞穴的开口等地形，

定义调试整个引擎；具有由专家设计的非线性、动态剪辑、

而且通过使用一系列工具轻松修改其形状和外观。有别于

动画运镜的实时动画工具；基于物理的渲染、高级动态阴

其他资产可以存储在内容浏览器里进行可视化甄别，它是

影选项、屏幕空间反射和光照通道等进行视觉效果调节。

存储在关卡里的。比如，月球的表面主要由石头与沙土组

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成，这样石头模型与沙土贴图的使用就至关重要了，运用

任意视角以及任意光线下的可视化数字资产（图2）。

层级材质的变化与地形系统相结合，并根据设计来制作地

（2）地球、月球、太阳、各大行星等星球资产

形，合理配合镜头视角来调整可视精度。

片中的地球是一个相对复杂的球体，分为里中外三层：

（3）室内资产

里层主要是地球陆地的地形地貌，考虑到其本身有海洋与

室内的资产主要是分为书房与博物馆的内容，各种桌

陆地之分，不同的反射状态、不同的粗糙度、太阳的光照

子、椅子、书架、房屋墙壁、画作、窗户等。制作相较直观——

范围应用到不同的区域；中层主要是云层效果，在制作中

建模、贴图、材质形成资产化。

要考虑云的体积感与光影变化；外层是大气层效果，主要

通过数学节点连接形成大气雾过渡效果（制作示意见图3）。

2. 《飞向月球》角色资产

月球的制作就相对简单，只要考虑到地形一层，只要得到

在《飞向月球》的制作中，角色分为：伽利略望远镜；

高精度的Color、Normal、Displacement 贴图就能完成一个

地球、月球、太阳、各大行星等；嫦娥一号二号卫星；嫦

产品级的月球（制作示意见图4）。但如果要再近一步细化，

娥三号四号月球着陆器；月兔车；鹊桥号中继卫星等。

就要考虑使用月球数据来进行程序建模。太阳也是由三层

（1）伽利略望远镜——高精度的雕刻资产制作

来形成效果，分别是太阳耀斑效果的粒子层、太阳内核的

在任何影视级的三维特效里，高精度的雕刻即ZBrush

一直是吸引眼球的主体。但其制作工艺的复杂性也是制作

其他元素无法比拟的，ZBrush的出现解放了艺术家们的双

手和思维，告别过去那种依靠鼠标和参数来笨拙创作的模

式，完全尊重设计师的创作灵感和传统工作习惯。而在伽

利略望远镜的制作中完全参照高清大图进行雕刻（图

1），

并且运用多次拓扑与UV贴图的绘制，再通过Substance来

完成与虚幻引擎4的对接，最终形成一个可在任意环境、

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动态燃烧层以及太阳的光晕层（制作示意见图5）。各大行

星因为是远景所以贴图的精度不需要太高，只要注意在镜

头制用中的是否清晰。

（3）嫦娥卫星、嫦娥月球着陆器、月兔车、鹊桥号中继卫

星等资产

嫦娥卫星、嫦娥月球着陆器、月兔车、鹊桥号中继卫星，

如图6至图9所示，是片中的主要角色。因为在太空环境

中，材质方面反射状态与光照环境未知，所以对于其模拟

宇宙环境的效果只能反复尝试，由于是金属，所以光泽成

为重要的考虑方向。这种角色资产是带有骨骼绑定动画的，

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在虚幻引擎4中角色类动画有动画库，这种资产叫Skeletal

据。动画骨骼网格物体与静态网格物体不同，因为动画骨

Mesh Actor ，又称动画骨骼网格物体，是一种特殊类型的

骼网格物体在其内部具有复杂的骨架，有助于移动骨架网

Actor，用于显示在外部3D动画程序中创建的复杂动画数

格物体的各个顶点以匹配当前正在播放的动画。由于能够

使用复杂的骨骼，它们通常用于角色、生物、复杂机械或

任何需要变形或显示复杂运动的东西。

3. 《飞向月球》特效资产

在《飞向月球》的制作中，特效资产分为：爆炸效果；

喷射火焰；星云效果；路径标记线；文字标注；X光扫描线；

屏幕放映效果等。

（1）粒子特效资产

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片中的爆炸、火焰、烟雾等是通过虚幻引擎4中的级

联粒子系统来完成的。这是一个完全整合并模块化的粒子

特效编辑器。级联为编辑特效提供了实时的反馈，能够让

即便是非常复杂的特效，制作过程也变得更为快捷容易。

粒子系统和每个粒子上使用的各种材质以及贴图紧密相关。

粒子系统自身主要功能是要控制粒子的行为，整体看粒子

系统最终的展现效果则通常取决于材质的做法。

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（2）Niagara 模块化粒子系统

片中的星云效果通过Niagara Systems来完成，Niagara

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Systems完全采用模块化将构成粒子系统的各个发射器分

开。Niagara Systems不是让粒子系统包含每个发射器，而

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往的工作中，不论是多功能三维软件如：Blender、Maya、

3Dmax之间的FBX、OBJ、Alembic交换；Substance

的LINK直连进行绘画制作；还是特效类的如Reflow、

Houdini等与多功能三维软件的交互渲染，都代表多软件交

互正成单一制作工艺的替代方案。虚幻引擎4的出现成为

这些工具交互的收口，而收口的产物就是资产。在制作中

的导入导出，与虚幻引擎4之间的软件契合度就成为制作

人员在工作中必须要重视的问题。

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二 材质

是由许多单独的Niagara发射器组成。这些Niagara发射器

材质是可以应用到网格物体上的资源，用它可控制场

中的每一个都包含使用模块控制的单一效果，例如寿命、

景的可视外观。从较高的层面上来说，可能最简单的方法

位置和大小，这些模块调整粒子的外观和行为方式。由于

就是把材质视为应用到一个物体的“描画”。但这种说法也

这些Niagara Emitters是保存在内容浏览器中的资产，因此

会产生一点点误导，因为材质实际上定义了组成该物体所

可以更新并与创建的任何Niagara系统共享。这意味着可以

用的表面类型。可以定义它的颜色、它的光泽度及是否能

在更短的时间内更改发射器。

看穿该物体等等。用更为专业的术语来说，当穿过场景的

（3）材质特效资产

光照接触到表面后，材质被用来计算该光照如何与该表面

如图12，片中的路径效果、文字系统、扫描线效果等

进行互动。这些计算是通过对材质的输入数据来完成的，

都属于材质特效类资产，它是以材质实例存储在内容浏览

而这些输入数据来自于一系列贴图以及数学表达式，以及

器中的材质类资产。材质特效资产是一种特殊的资产，不

材质本身所继承的不同属性设置。示例如图13所示。

同于普通资产的固定性即特定物体特定材质没有复用性，

材质特效资产可以应用在一定的分类物体上。

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三 LEVEL建立

（4）蓝图特效资产

片中屏幕放映效果等是蓝图类特效资产，在Player状

在虚幻编辑器中，创建的场景一般称之为关卡。可以

态下才能展示其效果，它以可视化节点模块来完成其需要

把关卡想象成为一个三维场景，在该场景中您可以放置一

系统运行来实现的特效效果。蓝图特效资产的特点是必须

系列的对象和几何体来定义场景。您放置到场景中的任何

在Player状态才能进行调试观看，这一点虽然麻烦，但在

对象都认为是Actor，无论该对象是一个光源、网格物体还

其灵活拓展性这一点上来看是利大于弊。

是一个角色。从技术上，Actor是虚幻引擎中使用的一个编

程类，用于定义一个具有三维位置、旋转度及缩放比例数

4. 导入导出

据的对象。从最基本的层次来说，创建关卡可以归结为在

导入导出是三维制作中，经常面对的工作环节。在以

虚幻编辑器中向地图中放置资产。这些资产可能是世界几

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何体、以画刷形式出现的装饰物、静态网格物体、光源、

光源的单一与光照折射的变化等等。

道具或载具。

（2）气氛调节

在片中的调节过程中，我们根据不同环境进行制作，

1. 场景搭建

整体性地烘托的气氛，使其真实性得到增强，也就是俗称

片中的场景搭建有别于传统特效的场景制作，在传统

的增强现实虚幻引擎技术。虚幻引擎提供气氛调节即后期

制作中所有的搭建工作都是根据分镜脚本来完成的。因为

处理效果，允许制作人员和设计人员调整场景的整体外观。

算法不同，在传统的制作中机器软件的承载量是有限的，

元素和效果的示例包括bloom（对明亮对象的HDR晕染效

所以在制作中难免束手束脚，并且景别如果过大相当于重

果），环境遮挡和色调映射。电影色调映射器与色彩编码系

建一个新的场景，复用率过低。而在虚幻引擎4中将完全

统（ACES）设置的标准相匹配。这使得虚幻引擎4中的色

不同，在制作中不用太考虑景别问题，因其是完全构建出

调映射器能够容易地针对多种显示类型，包括高动态范围

一个完整的场景，不论从任何视角进行制作都不会出现需

（HDR）显示。转向ACES标准可确保在多种格式和显示

要重建场景的工作。在传统制作中没有交互这一概念，并

中保持一致的颜色，同时也可以作为未来证明所使用的源

且效果的可视化极低，不像用虚幻引擎4制作的那样，可

材料的方法，而无需针对其他介质进行调整。

视化效果等同最终的产品输出。

2. 灯光气氛

3. Player

Player

状态下的场景制作

状态称引擎内部运行播放状态，是虚幻引擎4 的

在任何的影片的制作中，灯光气氛都是永恒的话

一种调节测试手段，可用作如各种动态效果、蓝图运行测

题，好的作品完全在于光的运用，灯光调节成熟的作品

试、光照环境构建等效果输出前的预览。操作界面如图15

可以掩饰其物体本身精度的不足。气氛是摄影镜头效果

所示。

的模拟，摄影基础理论的扎实与否决定了制作人员的素

质如何。

（1）灯光调节

虚幻引擎4有五种灯光类型：Directional方向光、Point

点光、Rect面光、Spot聚光灯和Sky天光。示例如图14，

定向灯用作主要的室外灯或任何需要看起来像是从极端或

接近无限距离投射光线的光源。点光源是像个大“灯泡”

一样，从一个点向各个方向发光。聚光灯适用于模拟矩形

区域的灯光，如架空电视或电视屏幕。聚光灯从单个点发

光，但其光线受到一组锥体的限制。天空灯捕捉场景的背

景，并将其作为照明应用于关卡的网格。在片中不同类型

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的灯光进行组合应用，面对不同需求进行基础的光照运用。

四 蓝图制作

如：宇宙环境的大范围点光源与方向光的配合，月表环境

虚幻引擎中的蓝图又称可视化脚本系统，它是一个完

整的游戏脚本系统，其理念是，在虚幻编辑器中，使用基

于节点的界面创建互动性元素。和其他一些常见的脚本语

言一样，蓝图的用法也是通过定义在引擎中的面向对象的

类或者对象。该系统非常灵活且非常强大，因为它为制作

人员提供了一般仅供程序员使用的所有概念及工具。另外

在虚幻引擎的C++实现上也为制作人员提供用于蓝图功能

的语法标记，通过这些标记，开发人员能够很方便地创建

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一个基础系统，并交给制作人员进一步在蓝图中对这样的

系统进行扩展。示例如图16所示。

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五 虚拟拍摄

虚拟拍摄是一种现实增强技术，它追求制作真实精良

的虚拟环境，在配合Frontier系统与现场拍摄相结合并保证

实时性的基础上运用成熟的虚拟跟踪技术，最终形成不断

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接近真实的作品。如图17、图18所示。

2. Frontier

Frontier

系统

为全世界首款基于Unreal 4工业级渲染引擎的

虚拟合成系统，主要技术参数、系统指标、基于Unreal 4

的渲染引擎可以支持高清、4K~16K分辨率的实时渲染能

力，是全球首家工业级渲染系统在广电领域的应用；可以

支持实时调整虚拟物体的位置；可以合成输出照片级图像

质量；可以与在线包装系统协同工作；参与全球第一家互

动电视平台“Lost In Time”演播室部分效果实现。

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3. 拍摄时的色彩调节

色彩调节和人物抠像品质是拍摄中是至关重要的环

节，在真人与虚拟环境结合上，色彩调节用来调节光照人

物的色彩与环境的匹配度，使人物能完美地融入环境中，

而人物在蓝绿背景下光照品质决定抠摄的品质，这是与最

终成片息息相关的。

六 结论

实时渲染引擎技术，是未来4K超高清制作工艺的主

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流，其完善的资产平台给数字资源储备带来可能。在现

今制作质量要求不断提高以及制作周期逐渐缩短的情况

1. 虚拟跟踪技术

下，高效的实时渲染能力成为强大的核心竞争力。扁平化

虚拟跟踪技术在虚拟拍摄中的地位非常重要，是真人

的制作流程使每一位技术美术师成为多面手，进而将艺

与虚拟环境空间上是否匹配的关键。与其相配合的工种非

术创作与日新月异的技术能更完美地配合，制作出品质

常繁杂，几乎贯穿整个工艺的制作流程。

优良的作品。

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