在UE4中設(shè)置色鍵材質(zhì)
作者： Ryan Brucks
兩年多以前，有人在 UE4 AnswerHub 上問及對材質(zhì)使用色鍵摳像（又稱“綠幕”）的問題。那個(gè)帖子給了我靈感，讓我仿制了一個(gè)非?；A(chǔ)的色鍵功能，取名為 Chroma Key Alpha，該功能不久前已添加到 UE4。雖然我們在發(fā)行說明中有過介紹，但說明的篇幅可能很長，很多深藏其中的功能都容易被遺忘，如果當(dāng)時(shí)沒有使用它們的理由，更是如此。
AR 近來呈興起之勢，許多新工具和設(shè)備都不斷得到支持；UE4 最近添加的 ARKit 和 ARCore 支持就是很好的證明。大家可以前往此處閱讀 Tim Sweeney 發(fā)布的 WWDC 主題帖來了解相關(guān)內(nèi)容，其中包括一些很棒的項(xiàng)目。
話說到這，感覺是時(shí)候向大家展示一些在 UE4 中設(shè)置色鍵材質(zhì)的例子了。雖然大多數(shù) AR 演示都是將數(shù)字對象合成到實(shí)時(shí)視頻中，但是有些項(xiàng)目需要混合現(xiàn)實(shí)，包括將實(shí)景對象投影到數(shù)字場景中。這通常涉及某種綠幕設(shè)置，這種設(shè)置可能更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槟銢]有內(nèi)置的阿爾法。
從綠幕中提取阿爾法的過程，我們稱之為“色鍵摳像”。我們最近添加了一個(gè)名為 Composure 的 UE4 插件，它可以簡化后處理和渲染元素的混合與匹配，是一個(gè)嘗試使用實(shí)時(shí)色鍵材質(zhì)的好地方。
在開始之前，我想先說明，要獲得高質(zhì)量的色鍵摳像結(jié)果不容易，而且通常需要結(jié)合使用不同的技術(shù)。許多軟件包提供了相當(dāng)先進(jìn)的色鍵摳像方法，例如 Nuke。為了獲得非常高質(zhì)量的色鍵阿爾法，Nuke 會采用很多需要密集運(yùn)算的做法。某些項(xiàng)目，如現(xiàn)場直播，則傾向于使用昂貴的專用硬件解決方案。
所以必須承認(rèn)，相較之下我們的實(shí)時(shí)版色鍵摳像功能是相當(dāng)基礎(chǔ)的，而且很可能需要根據(jù)內(nèi)容做大量的調(diào)整，以使其看起來可以接受。但是，能夠在編輯器中隨時(shí)使用我們的色鍵做 previs 和測試，也是非常有用的。
基本方法
色鍵摳像背后的原理是通過創(chuàng)建對比色蒙版來生成阿爾法蒙版。然后，使用另一個(gè)蒙版進(jìn)行“去除溢色”，即消除對象上的綠色陰影。去除溢色蒙版通常只是阿爾法蒙版結(jié)果的柔化、反向版本。最后，可以使用去除溢色蒙版的某個(gè)版本來補(bǔ)回一些虛擬的環(huán)境照明，用一種與待合成環(huán)境相匹配的顏色來替代綠色陰影。
上述幾個(gè)步驟相對簡單，實(shí)現(xiàn)方法不勝枚舉。我做的第一個(gè)版本是非?；A(chǔ)的，并且內(nèi)置到 UE4 中有一段時(shí)間了。如上所述，這就是 Chroma Key Alpha 的工作原理，下圖是其用法的基本示例：
它需要的輸入包括圖像顏色、色鍵顏色以及一些阿爾法和去除溢色蒙版輸入。在接下來的示例中，我不會局限于使用這個(gè)節(jié)點(diǎn)的示例，而是展示如何執(zhí)行該功能的各個(gè)步驟，以及一些優(yōu)于初始設(shè)置的版本。
顏色提取
生成比色的第一步是消除圖像中的亮度，以免綠幕上的細(xì)微陰影、摺痕或照明光線產(chǎn)生干擾。在這個(gè)功能的第一個(gè)版本中，我只是簡單地將顏色規(guī)范化。這種做法效果相當(dāng)好，只是會產(chǎn)生一些邊緣偽影。
另一種消除亮度的方法是除以分量和。采用這種方法可以獲得不錯的均勻色調(diào)，但往往會產(chǎn)生浮邊光暈偽影。我意識到在 Photoshop 中使用顏色圖層時(shí)沒有這樣的邊緣偽影，所以我決定想辦法消除它們。
答案是使用基于亮度的飽和度，這可以防止深色的飽和像素在顏色貼圖中變得飽和。事實(shí)證明，深色的飽和邊緣像素是兩次立方紋理調(diào)整的結(jié)果。
該測試圖像來自電視節(jié)目《Lost in Time》，它使用 UE4 渲染場景。注意，該測試圖像不是高質(zhì)量的源素材；它采用了低質(zhì)量的 jpeg 有損壓縮格式。
為了生成基于亮度的飽和度貼圖，需要先對圖像去飽和度，并使用簡單指數(shù)函數(shù) e ^ -x 來生成亮度曲線。亮度值 x 根據(jù)定義亮度蒙版強(qiáng)度的參數(shù)按比例調(diào)整。進(jìn)行規(guī)范化之后，1 表示好的默認(rèn)值，0 則會給出一個(gè)與除以分量和完全一樣的結(jié)果。下面是相關(guān)的代碼：
float3 ExtractColor(float3 Color, float LumaMask)
完成顏色貼圖的提取之后，下一步就是通過比色來生成蒙版。這一步相當(dāng)簡單。首先，應(yīng)該通過相同的 ExtractColor 函數(shù)運(yùn)行 ChromaColor （或者進(jìn)行規(guī)范化之類的操作，前提是使用了該方法）。之后，獲取顏色貼圖和 ChromaColor 之間的差值。然后，計(jì)算出該差值的范圍，并通過寬范圍的漸變提取出清晰的蒙版，以分離出具體的預(yù)期誤差范圍。
下圖是以節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)的示例，其中便使用了上述 ExtractColor 函數(shù)：
注意，在上面的示例中，我是把“Chroma Alpha Strength”用作乘數(shù)。我認(rèn)為這是一種更直觀的指定邊緣銳度的方法。在 UE4 封裝的材質(zhì)函數(shù)中，我是用 Min 和 Max 來指定這一參數(shù)的。結(jié)果是一樣的，但這意味著 Max 必須始終設(shè)置為大于 Min 的值，所以 Min 需要不斷調(diào)整。
去除溢色
在使用色鍵提取出阿爾法蒙版之后，下一個(gè)重要的步驟是對剩余的像素去除溢色。也就是說，我們要消除主體輪廓上的綠色陰影。由于照明和攝像機(jī)的各種影響，這一步是很有必要的。舉例來說，使用的綠幕越大，就會有越多的綠色反光投射到主體上。此外，攝像機(jī)往往會拾取各種鏡頭效果，從而導(dǎo)致主體上顯現(xiàn)出明亮像素反射的一點(diǎn)高光效果，即使現(xiàn)場的反光已經(jīng)降到最低。
要想處理好去除溢色，首先必須使用與阿爾法蒙版相同的設(shè)置，但是把取值范圍設(shè)得更寬一些，以提供更柔和的蒙版。在內(nèi)置函數(shù)中，這是通過引入一個(gè)單獨(dú)的 Despill Max 來實(shí)現(xiàn)的。用于去除溢色的 Min 和用于阿爾法的 Min 是相同的。
得到去除溢色阿爾法之后，便可以用它來消除圖像中色鍵顏色的陰影。最初，我只是使用去除溢色阿爾法進(jìn)行去飽和度，但是通過減去與源圖像中色鍵顏色匹配的那一部分顏色，可以得到更好的結(jié)果。
以下是使用去除溢色阿爾法消除圖像中的色度溢出的基本邏輯：
注意，對于這幅圖像，使用兩個(gè) Chroma Color 和兩個(gè) Chroma Key Alpha 節(jié)點(diǎn)可以獲得更高質(zhì)量的結(jié)果。其中的道理，想必大家也明白：由于地板和墻面的顏色差異很大，如果只使用單一比色，就必須把分界值設(shè)得更寬。如此一來就不能靈活地柔化邊緣，使畫面看上去如同產(chǎn)生了運(yùn)動模糊，不易處理。如果使用兩個(gè)，每個(gè)阿爾法的結(jié)果將通過 Min 進(jìn)行組合。去除溢色阿爾法將通過 Max 進(jìn)行組合。
添加虛擬反光的過程很簡單。一種較好的做法是，先對圖像的底色進(jìn)行去飽和度，再應(yīng)用手動設(shè)定的反光或背景顏色。這么做的原因有兩個(gè)。第一，你需要去掉源素材中的任何現(xiàn)有陰影，你真正想要的只是亮度。第二，大部分陰影都是高光表面上因掠射角而產(chǎn)生的，而對于所有非金屬，高光部分被完全地去飽和之后，只有在光線下才會有顏色。
專業(yè)的合成人員在使用蒙版和添加虛擬照明方面可能需要做得非常細(xì)致，包括使用不同的渲染元素來幫助獲得正確的照明反應(yīng)。這有點(diǎn)超出了本文的范圍，但希望這至少能為如何處理實(shí)時(shí)合成提供一種思路。
下面是另一個(gè)例子，這次使用了 Epic 視頻制作團(tuán)隊(duì)的 Joe Wilson 提供的更高質(zhì)量的圖像。這是工具程序員 Lauren Ridge 在制作《星球大戰(zhàn) VR 體驗(yàn)》演示視頻過程中拍攝的一個(gè)鏡頭，視頻曾在 WWDC 上展示過（頁面頂部有鏈接）。源素材質(zhì)量越高，結(jié)果就會越理想。這個(gè)示例使用了現(xiàn)有版本的 Chroma Key Alpha。
在最后一幀中添加的反光可能很難感知到（除了邊緣處），尤其是 Vive 頭盔和控制器這樣的顏色較深的反射部位。注意，添加的反光可以補(bǔ)回天空在這些元素上的反射效果，從而幫助實(shí)現(xiàn)更自然地融合。
下圖是上述設(shè)置的完整材質(zhì)信息，包括去除溢色和反光/修邊色的添加：
Composure
剛開始時(shí)我簡略地提了一下 Composure。我還沒試過向 Composure 中添加色鍵模式，但是經(jīng)過對這個(gè)示例的深入研究，我覺得設(shè)置起來會十分簡單。其中有個(gè) Final Compositing Material 可以用來處理各種合成設(shè)置。對于這個(gè)示例項(xiàng)目，所有的顏色蒙版都是從其他程序（例如 Nuke）導(dǎo)入的，但是這些蒙版在材質(zhì)中的運(yùn)用和本文描述的色鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置如出一轍，可以輕松地?fù)Q用。
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