虚幻引擎五对动画与游戏技术的革新研究

关键词：虚幻引擎五;游戏;动画;技术革新

中图分类号：G898 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2021）21-00-03

1 虚幻引擎五概述

目前，在中国的游戏与动画市场上，大部分的制作引擎主要还是Unity3D（游戏引擎），只有部分公司采用虚幻引擎，这是因为Unity3D更早进入国内市场，使用起来简便快速，技术也较为成熟。而目前只有小部分公司使用了效果更好、更高效与技术更完善的虚幻引擎四。Epic公司与各动画游戏公司经多年的实验发现，虚幻引擎整体比Unity3D的效果更为突出，因此未来虚幻引擎成为动画与游戏世界的主流技术将是不可避免的趋势。而随着Epic公司虚幻技术的进一步发展，2021年5月，Epic公司发布了虚幻引擎五的体验版本，供大家使用。在发布会上，Epic公司介绍了虚幻引擎五的核心功能，如Nanite、Lumen、MetaSounds等，这些功能将在未来的实践中极大地改变游戏与动画行业。

2 虚幻引擎五的技术革新

2.1 Nanite（虚拟多边形几何体）功能

虚幻引擎五的核心功能之一是Nanite。这是一种新的Mesh（静态网格体）的表现方式，是一个新的概念，被叫作虚拟多边形几何体。这个功能非常强大，开发人员可以尽情地使用虚幻引擎五的Nanite功能开发自己的项目。

在传统的三维动画和游戏制作流程中，相关开发者要不断地调整自己所有模型的整体面数，以不超过软件或者服务器承载能力的面数实现进一步的优化。但是在虚幻引擎五中，我们可以直接运用Nanite导入几千万个三角面与多边形的影视级别的资源或自己的模型项目，不断地放置在引擎当中。而且在这个过程中，所有模型和资源几乎不会出现丢帧、缓慢、低质量等问题，它可以保证较高的帧速率，维持一个较高的保真度。

Nanite这个功能可以实时检测模型，并有效进行一种特殊的处理，如画面在哪里，它就会精心处理画面上所能感知到的或者是看到的细节，并把它处理到极致，这大大节省了渲染的时间，基本上消除了过去那种多边形数量和绘制LODs（细节级别）的限制，可以无限放置研发人员需要的高质量资源，提高了制作游戏与动画的效率，如模型烘焙法线与不断手动调整细节级别（LODs）等。

在虚幻引擎五体验版刚出来的时候，笔者做了一个小的自然主题公园的场景，运用了虚幻引擎五里面Quixel（资源插件）的影视级别的自然资产。每一块石头的精细程度都达到了可以清晰地看到其内部具有非常明显的裂纹细节的地步，它并没有因无限放大而丢失模型与材质的细节，从而变得模糊，反而越来越清晰。由此，基于虚幻引擎五的Nanite功能，美术师和环境艺术家们在以后的创作中都可以不用再费劲地拓扑低模了，可以直接使用亿万面级别的资产进行艺术创作。

但是，Nanite功能由于刚开发不久，必定有很多限制，目前其尚不支持自己设定深度或模板，在实例物体上绘制顶点等。在虚幻引擎五的官方文件中，相关人员称会继续优化，计划支持定点切线，希望能够在正式版本推出之前尽量优化Nanite功能，这有利于美术师和环境艺术家们更高效、更方便地创作游戏动画。官方发布虚幻引擎五时，提供了一个“古代山谷”的场景，该场景大概有6 400多个物体，4亿多个面，达到100G，这充分显示了Nanite功能的强大。

2.2 Lumen（动态全局光照和反射系统）功能

Lumen功能是虛幻引擎五的另一个核心功能，它是一种主要针对次世代游戏与动画的新技术，是一个动态全局光照和反射系统的解决办法，采用完全动态间接光照渲染，项目所有场景的灯光、材质等属性都可以随时更改，光照可实时更新，呈现出更加完美的实时渲染效果，节省了完成最终光照的时间。

Lumen功能可以对场景和光照变化作出实时反应，如阳光照进屋子里，它的亮度会发生微妙的变化，我们不再需要像过去的游戏动画制作一样，再去创造一套单独的光影UV并对其烘焙，工作效率大大提高了。在现在的虚幻引擎五中，在场景中处理完灯光渲染后，就可以随时看到最终的渲染效果，实现更加完美的实时渲染。

在游戏场景或动画制作中，只要使用了Lumen功能，就等于开启了全局光，太阳投射光线，进而实时反射在每一个物体上，使阴影的光线反射更加真实。随着时间的流逝，我们能够看到阳光或是灯光在物体上的变化，从而形成真实光照反射的物体。

过去的游戏动画制作由于考虑到服务器的承载能力和面数，需要研发者手动烘焙贴图和灯光，浪费了大量的时间在烘焙和渲染上。

这种实时全局光照能够节省大量时间，让美术师们拥有更多的时间创作，不必花太多时间在一些没必要的环节上，以呈现更好的效果为最终目的，这或许是Lumen功能被开发出来的初衷。

2.3 MetaSounds（音频制作高性能系统）功能

MetaSounds功能是一个全新的功能，是制作游戏动画音频的新方式，有点类似于设计表面材质的那些节点式。开发者可根据不同的节点，在音频种类中不断增加复杂细节和变化，以完全控制音频数字信号处理图的声源生成，变成一种程序化的系统，可以随时改变音频的属性，就像做材质那样，开发者可以知道这一步该怎么做，下一步该怎么做，它能将游戏的参数映射到声音中，使声音更加贴合游戏，使当前动画、游戏、影视、剪辑等行业的音频制作工作发生一定的变化。

比如开发者想要制作一种碎石掉落的声音，可以利用MetaSounds功能，根据落石的声音属性，在节点式页面调整音频的大小、声音强度、反应速度等属性。

对于游戏与动画制作者而言，MetaSounds功能能够在很大程度上减少不断切换音频软件与视频软件的操作次数。

2.4 Quixel（资源插件）内置虚幻引擎五

Quixel公司是世界上重要的模型资产公司，它拥有许多高品质甚至是影视级别的资产，因此对于Epic公司来说，对Quixel的收购是一场至关重要的收购。在Quixel公司没被收购之前，美术师们只能通过自己创造一些现有的材质，如树、草、石子等，后来由于Quixel公司被收购，美术师们可以直接从Quixel的软件中下载并导入虚幻引擎四中。但是这在虚幻引擎五中发生了变化，Epic公司将它嵌入软件界面当中，使其成为一个重要的资产来源，增强了便利性。如官方所说，“我们只是能够让艺术家们疯狂地建造东西，并能够再次轻松添加它，且能得到其他人的修改，而不会互相干扰对方的工作”。

笔者认为，Quixel的内置在一定程度上能够提升艺术家和美术师们的设计速度，能够更加方便地获取资源，提升创造效率，不再像以前那么烦琐，但它也有一定的缺陷。由于主服务器在国外，在中国下载这些大型资源必定比较缓慢，需要大家合理安排时间下载，希望以后可以解决这个问题。

3 《黑神话：悟空》游戏动画的引擎技术

3.1 《黑神话：悟空》的诞生

《黑神话：悟空》是游戏科学公司制作的一款动作角色扮演游戏，该游戏塑造了孙悟空这个主角。采用了顶尖的虚幻引擎五技术，使游戏具有顶尖的画面、丰富的细节、激情洋溢的战斗体验以及丰富的剧情加持。

这款游戏在2020年8月20日首次公开并发布了虚幻引擎五的实际测试，宣传片一发布，瞬间引爆全球，引起了全世界游戏工作者与环境艺术家的关注。这是中国第一个经典且具有鲜明中华文化特色的大型3A级动作类游戏，凭借真实的画面效果塑造了一个经典的东方英雄形象。

3.2 《黑神话：悟空》12分钟虚幻引擎五演示中的技术

在《黑神话：悟空》12分钟的演示片中，我们可以看到其建筑非常真实。开发者们参考了中国各地的寺庙、佛像等，如重庆大足石刻的千手观音、山西晋城玉皇庙的亢金龙雕像、五台佛光寺的莲花柱等。对于里面的建筑模型，开发团队使用的技术是实地扫描，这是一种根据实景扫描生成高精度照片，运用专门的软件进行实际景象模型的生成应用，通过图像及影响软件导出，形成真实的3D模型，这就是演示片中的场景这么像真实场景的重要原因之一。

在演示片中我们可以看到，无论是其中的雕像、物体、场景、人物，还是雪、树，都非常真实且细节非常丰富，要达到这样的效果，毫无疑问需要强大的技术支撑。这正是笔者在上文提到的虚幻引擎五的重要新功能Nanite在发挥作用。虚幻引擎五强大的面数兼容性和无差别的LODs技术完美地支持了这些精美的画面，Nanite在《黑深化：悟空》演示中应该兼容了几亿个面数，模型的所有细节都凸显了出来，没有出现低质量的问题。

在演示片中，有一个孙悟空在雪地里跟猴妖战斗的画面，无论是金箍棒在雪地摩擦形成的雪花轨迹，还是与猴妖战斗时的雪花飞溅，雪花整体的材质以及它给我们的感受都是非常真实与自然的。画面的光线变化也很柔和微妙，随着阳光的变化而变化。以前想达到这种效果，必定需要不断地烘焙光影贴图，调整材质，非常麻烦，但是如今基于虚幻引擎五创作的游戏与动画作品具有实时渲染与Lumen的动态全局光，阳光得以更加自由地照射，因此我们可以随时看到阳光对环境的影响。

在主角飞翔的这个画面上，周围的实景不断变化，地图之间无缝衔接，没有丝毫的违和感，非常自然，好像确实在飞翔且周围景观不断变换。鉴于此，我们可以感受到虚幻引擎五是多么强大。在孙悟空大战白龙BOSS的这个画面中，我们可以看到，天空、云彩、烟雾等都非常真实，Lumen的全局光渲染支持了强大的全局光系统。

盡管这款游戏在虚幻五的加持下达到了中国游戏动画的一个新高度，但是仔细观察会发现人物在战斗时，攻击技能以及攻击判断对象的实现都是不太和谐的，稍显矛盾，希望在正式发布之前，游戏公司能优化其攻击模式。

游戏表面上是中国的游戏，其实最大的受益者还是其背后的Epic公司。Epic公司的虚幻引擎五为中国乃至世界的游戏科学作出了不可磨灭的贡献。当不少玩家看到游戏宣传动画末尾打出对于游戏开发公司Epic的特别鸣谢时，还是不由得心头一紧，因为在某种意义上，“Epic”的意思就是“独占”[1]。

从目前的3A大作游戏来看，大家普遍考虑的是PC端，很少考虑手机端，《黑神话：悟空》这种3A游戏一旦发布，就有可能达到几十上百GB，因此在手机端还运行不了。

尽管虚幻引擎正在对手机端展开优化，但不得不说，还是有很多限制因素，需要的成本也极高，5 000万美元才能踏进3A的大门，更别说后续更多的优化。

由于手机端的限制等因素，在开发成本翻倍的情况下，单品利润却在下降，这就要求销量必须够多才能真正赚钱，于是游戏行业的优质资源已经在金字塔尖聚拢[2]。

4 结语

未来，虚幻引擎五必定会对游戏产生更大的冲击，会彻底改变游戏制作流程，带给用户沉浸式的体验。《黑神话：悟空》这个中国历史上第一个东方超级英雄3A大作，在强大的虚幻引擎五的支持下，必定会受到世界的关注。希望虚幻引擎五正式版本的面世能颠覆当前相关人员对新一代游戏3A大作以及新式动画制作流程的认识。

参考文献：

[1] 杨皓然.《黑神话：悟空》距离平台独占有多近？[N].电视报，2021-09-13（006）.

[2] 黎坤.横跨3A游戏与好莱坞，虚幻引擎“尚能饭否”[N].电视报，2021-09-06（005）.

作者简介：王江东（1998—），男，江西萍乡人，硕士在读，研究方向：数字媒体艺术设计。