基于UE5的实时渲染动画《江南烟雨》创作解析

关键词：虚幻引擎；实时渲染动画；制作流程

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）26-0105-04 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

随着科技的飞速发展，新媒体平台不断涌现，各种影像表达形式层出不穷，促使人们对影像的审美需求更加多样化。动画作为文化和思潮的代表，已深深渗透到人们的日常生活中。然而，传统动画制作技术因周期长、成本高，逐渐无法满足日益增长的需求。在这种背景下，3D实时渲染技术以其高效和灵活性成为三维动画创作的新宠。许多动画开发者转向使用实时渲染技术，因为它可以大幅缩短预渲染时间，使创作者能更多地专注于创意与质量。本文以写实环境动画短片《江南烟雨》为例，探讨基于虚幻引擎5 的实时渲染技术在动画创作中的应用，致力于展现江南之美。该短片以写实风格为主，追求真实的环境与氛围，因此在植被、传统建筑和庭院布景所需的3D资产，以及真实模拟下雨天气和雾气效果的技术难题上，采用了Blender、Quixel Bridge与Ultra Dynamic Sky 等工具进行解决。

1 虚幻引擎及其主要优势

1.1 虚幻引擎概述

虚幻引擎是由Epic Games公司开发的游戏引擎，为游戏开发者提供了完整的开发工具链。通过整合众多已编写的可编辑计算机游戏系统组件和交互式实时图像应用程序的核心组件，虚幻引擎帮助开发者高效快速地构建高质量的游戏内容。它为游戏设计者提供了丰富的工具，涵盖场景建模、材质编辑、动画设计、声音处理等多个方面。借助这些工具，开发者无须从零开始创建所有内容，而是可以利用引擎提供的框架和组件快速搭建游戏世界，并实现所需的游戏效果。

1.2 虚幻引擎主要优势

虚幻引擎之所以能够被应用于动画创作，主要得益于其强大的技术优势。Qiuxel Bridge插件提供了大量的扫描资源，虚拟几何体系统（Nanite） 和动态全局光照技术（Lumen） 则使得虚幻引擎能够更高效、更快速地协助动画创作者进行工作。Nanite允许渲染数十亿个多边形细节，几乎无须手动创建LOD（细节等级），大幅度提升效率。Lumen提供的动态全局光照系统则能够实现逼真的光影效果，即使在复杂的场景中也能保持高帧率，这对于追求高品质视觉效果的动画制作来说尤为重要。

1） 虚拟微多边形几何体——Nanite。

虚幻引擎5发布时引入了一种革命性的几何渲染技术，称为Nanite。在传统渲染中，每个物体由称为多边形的微小平面组成。随着场景中多边形数量的增加，渲染所需的计算资源也会急剧增加，导致渲染时间变长。为解决这个问题，游戏开发人员通常使用细节级别（Level of Detail，简称LOD） 系统来优化渲染性能。然而，LOD系统的使用也存在一定的局限性，因为它需要在保持视觉效果和性能之间做出权衡。Nanite技术解决了这个问题，它支持高精度Mesh资产的直接渲染，是基于Mesh Shader或GPU Driven Rendering的几何管线，具有较高级的自适应动态细分或遮挡剔除，从而达到一个三角形和一个像素等效对应级别的渲染。Nanite技术允许开发人员创建具有数百万个多边形的对象，而无须依赖传统的LOD系统。通过对几何体进行动态变形，在保持高细节的同时，有效减少渲染所需的多边形数量，从而显著提升渲染性能。

Nanite技术在发布时仅支持静态物体，随着虚幻引擎的不断更新，其应用范围也在不断扩展。在虚幻引擎5.1版本中，引入了Nanite植被功能，使开发者能够创建出细节丰富的自然环境。在虚幻引擎5.3版本中，Nanite技术支持了地形渲染，这意味着在使用虚幻引擎创建建筑、角色、植物或地形时，可以充分利用Nanite技术实现无限细节的渲染效果，同时保持出色的性能表现。Nanite技术的引入，不仅为游戏开发人员提供了更广阔的创作空间，还对影视制作领域带来了革命性的变化。它使制作者能够更加真实地呈现场景和角色，为观众带来更沉浸式的视觉体验。随着技术的不断发展，Nanite技术将进一步推动这一领域的创新。

2） 全局动态光照系统——Lumen。

从计算机图形技术的发展历程来看，其核心目标之一就是追求更加逼真和生动的画面效果。其中，照明技术的研究与发展发挥了至关重要的作用。早期的图形技术就在不断研究计算机照明与渲染器的深度融合，旨在使图形更贴近真实世界。全局照明方案的出现，更是将计算机图像的逼真度提升到了一个全新的水平。全局照明方案之所以能够实现如此逼真的效果，与材质和灯光的制作密切相关。这需要制作人员进行反复调试，以确保每一帧、每一个镜头的细节都能达到最佳状态。

Lumen是虚幻引擎5中的一种全动态全局光照解决方案，其最主要的特点是无须硬件就能实现光线追踪的效果，并且支持实时的全动态全局光照（Global Il⁃lumination， GI） ，无须预先烘焙，间接光照会根据直接光照或几何体的变动实时发生改变[1]。Lumen可以根据玩家的实时操作和运动方式，动态地调整照明效果。该解决方案能够轻松渲染物体的镜面反射和漫反射，并随着物体的移动实时做出反应和变化。甚至可以通过材质的设定，定义发光源和发光体。这意味着在游戏中，不仅可以模拟现实世界的光照效果，还可以创造出独特且超越现实的照明效果。这为游戏设计师提供了更大的创作空间，也为动画创作者提供了更多可能。

Lumen技术还能够实现天气和阳光角度的实时变化，并且可以自动生成和实时渲染。玩家在游戏中可以体验到更真实生动的自然环境。设计师也不需要再进行复杂的光照贴图、光照预烘焙、反射捕捉等工作，大大提高了工作效率。虚幻引擎5在动画制作中的最大优势就是“所见即所得”，显著缩短制作周期。

2 实时渲染动画《江南烟雨》创作流程

2.1 基于Blender 的建筑布局设计与精细模型制作

在建筑场景的创作中，布局设计和模型制作的准确性直接影响动画的视觉效果与空间体验。短片《江南烟雨》采用开源3D图形软件Blender进行江南风格建筑院落的布局设计与模型构建，旨在通过虚拟空间真实还原江南建筑的韵味与特色。

在布局设计阶段，依据江南建筑的传统空间理念，首先使用Blender中的基本3D图形工具，如立方体、圆柱体和平面等，构建庭院的初步布局。在这个过程中，注意模型尺寸问题，过大的尺寸会影响后续创作。完成布局设计后，在Blender中制作精细模型，这一阶段侧重建筑细节的刻画与表现。利用Blender 提供的丰富建模功能，如挤出、切割、镜像等，对初步布局中的各建筑元素进行精细化建模，主要包括门楼、亭子、对称式双层阁楼和后院阁楼。为了确保模型在虚幻引擎中的实时渲染性能，建模过程中要严格控制三角形数量，并对模型面数进行优化，以在保持视觉效果的同时减少不必要的性能开支。

2.2 导入虚幻引擎，初步创建材质

在完成Blender中的建筑模型UV拆分后，可以将模型导入虚幻引擎。在这一过程中，使用Datasmith插件将模型导出为虚幻引擎可识别的格式。此格式不仅保留了模型的几何体精度，还保证了UV映射的完整性，便于后续在虚幻引擎中添加材质。

在将模型导入虚幻引擎之前，首先需要在引擎中创建基础的照明条件。具体操作包括：在项目设置中找到渲染目录，将动态全局光照方法和反射均调整为高品质的Lumen模式，并激活软件光线追踪功能，以提升场景的光照质量。接着，在场景中布置天空光照，设置定向光源，增加天空大气和体积云效果，并引入指数级高度雾，构建出层次丰富且真实感强的光照环境。这些设置为后续场景的各项操作提供了便利条件。

在将模型导入虚幻引擎后，场景主体建筑就搭建完成了。但为了使模型看起来生动逼真，还需要为其添加材质。为了加快项目的制作进度，使用了官方的Quixel Megascans材质库，因为它提供了高质量、真实感强的材质贴图。在短片创作中，主要利用Megas⁃cans制作墙体的混凝土材质和木质结构材质，并使用Substance Painter来创建建筑的瓦片材质。

在完成建筑材质的添加后，使用Megascans提供的贴花材质（Decal Materials） 来进一步丰富建筑表面的细节。贴花材质可以为模型表面添加装饰性图案，如划痕、污渍和贴纸等，这极大地增强了场景的真实感和视觉效果，同时对计算机性能的占用较小。

2.3 雕刻地形，创建植被

在构建虚拟场景或游戏环境时，地形编辑和植被创建是两个关键部分。在虚幻引擎5中，地形编辑工具可用于雕刻地形，并可搭配Quixel Megascans的扫描模型进行高效布景。此外，还可以利用植被模式来创建场景植被，从而进一步丰富和完善整个场景。

2.3.1 地形编辑与水塘布景

在虚幻引擎中，地形编辑模式为创作者提供了丰富的雕刻工具，使得创作者可以根据需要自由塑造地形。为了营造出“小桥流水人家”的意境，使用了地形编辑模式中的多种雕刻笔刷。通过调整笔刷大小和强度，精确雕刻出水塘的形状和深度。为提高制作效率并增强场景真实感，使用了Quixel Megascans中的高质量扫描模型进行布景，如石砌、石板、石阶等。最后，统一调整这些扫描模型的整体色调，使得池塘场景更加真实细腻。

2.3.2 植被创建

植被在场景制作中发挥着显著作用。合理的植物规划不仅能够软化建筑的生硬线条，赋予其美感，还可以通过林缘线的布置，巧妙地控制空间的开合变化，从而使建筑更好地融入自然环境。此外，园林植物随着季节变化而展现出不同色彩的环境，大大增加了建筑的感染力和生命力。

在创建场景植被时，主要使用虚幻商城提供的植被资产。这些资产包含了不同种类、具有丰富纹理和材质细节的树木，可以为场景增添极高的真实感。借助虚幻引擎的植物模式，这些植被资产可以轻松地放置在地形上，打造出自然和谐的植被环境。

在植被的绘制过程中，严格遵循“大中小”的原则。首先，在庭院外围绘制大型树木，作为背景，奠定整个场景的基调。接着，在庭院内添加中小型植物，营造层次丰富、自然多样的植被效果。除此之外，为场景添加更多细节：在池塘中增加荷花和荷叶等水生植被，增添一抹清新与生机；在对称式双层阁楼周围，布置竹子、花卉等植物，使整个场景更加完善。

2.4 调整细节，营造环境氛围

为了充分展现江南烟雨所特有的朦胧、湿润与静谧的氛围，塑造场景的情感色彩和风格特色是关键。在设计场景的环境氛围时，使用Ultra Dynamic Sky插件能够提供非常真实的光照条件，并模拟各种天气效果，为“烟雨朦胧”的环境氛围营造提供了良好的技术支持。

为了真实地模拟“烟雨朦胧”这种环境氛围，主要进行了以下几个方面的调整：

1） 照明与天气效果。使用Ultra Dynamic Sky插件模拟雨天的光线和天空效果，使整个场景呈现出朦胧、柔和的光线，从而增强烟雨的氛围感。

2） 材质属性调整。通过调整场景中静态网格体和扫描模型的材质属性，降低表面粗糙度，使其看起来如同被雨水打湿。这种湿润的质地能够有效增强烟雨环境的真实感。

3） 色调调整。对场景的色调和色彩饱和度进行调整，使之更贴合烟雨天气。例如，增加灰蓝色调，减少鲜艳色彩的使用，以营造出雨天独特的氛围。

2.5 渲染输出

在传统渲染流程中，通常会渲染出序列帧，然后在影视剪辑软件中进行后期剪辑与合成。而虚幻引擎5的影片渲染队列（Movie Render Queue） 模块提供了强大的支持，具有极高自由度，可以在一定程度上替代Adobe Premiere等后期剪辑合成软件的部分功能[2]。

完成环境氛围的调整后，可以开始将三维场景转换为动画短片，主要借助虚幻引擎提供的影片渲染队列工具。影片渲染队列的镜头动画制作功能非常强大，能够导入摄像机和目标物体，创造出精彩的摄像机动画。每个摄像机和物体都可以设置关键帧动画，通过动画曲线调节运动速度与镜头效果。利用UE5 进行制作并实时导出渲染，提供所见即所得的体验，是制作过程中的关键环节[3]。

影片渲染队列具有众多优点，在本次项目制作中主要利用其摄影机功能。UE5的摄影机参数与现实中的专业电影级摄影机完全一致，可以设置诸如焦距、光圈等参数，并支持多种镜头运动。如图5展示镜头效果图，可以通过影片渲染队列进行景深效果的处理，实现逼真的影片效果。

3 结论

虚拟技术中的“视觉表现技术”“听觉表现技术”“力/触觉表现技术”以及“嗅/味觉表现技术”已经日益成熟，并在各领域中得到广泛应用[4-5]。基于UE5的3D动画创作是一种新颖且引人入胜的方法。这种方法不仅能够整合传统3D动画流程中的模型、动作和贴图等元素，还能够通过环境光混合器等功能模拟逼真的光照条件，实时完成动画渲染。此外，虚幻引擎还具备其他传统三维软件所不具备的模型承载能力，这主要得益于其强大的虚拟几何体系统。在必要时，用户甚至可以运用蓝图和C++等编程工具来实现所需的效果。在制作动画短片《江南烟雨》并撰写本文的过程中，UE5不断推出5.2、5.3等版本更新，其功能也愈加强大。可以预见，未来UE5将在3D动画创作中提供越来越多的支持。