以REV2為基礎制作賽車引擎聲

2021-10-14 11:55 作者:Wwise官方 0人讀過 | 我要投稿

前言

汽車引擎聲一直是游戲聲音設計工作中難度比較大的部分，難度主要來自以下幾個方面：

1、音頻品質要求高，采集難度大。

競速游戲這個細分品類已經有了不短的歷史，引擎聲在該類游戲中尤為重要，各家競速游戲大廠在這方面都各懷絕技，甚至不乏為競速游戲單獨開發(fā)游戲引擎的廠家，高端競速游戲在不斷的拔高玩家對于音頻品質的要求。且此類音頻的原始素材獲取難度較大，高端車型價格昂貴，即使只是租來進行錄制，也是一筆不小的花費。錄制的過程也不是錄音棚里架幾只話筒就可以搞定的，對場地和錄音手法都有非常高的要求。

2、發(fā)生機制復雜多變。

一輛車在行駛時會有非常多的部件同時發(fā)出聲音，且各自發(fā)聲的原理和變化趨勢都不盡相同，想要做好車輛的聲音，不僅需要扎實的游戲音頻設計制作功底，同時要需要對汽車的機械原理進行研究，理清楚內燃機、傳動軸、離合器、變速箱、渦輪、懸掛、排氣管等等東西的工作原理和工作方式，才可能在游戲中模擬出自然的汽車聲。

3、游戲中對于音頻的交互性要求非常高

游戲中車輛的聲音需要隨著游戲的進程，車輛的狀態(tài)，玩家的操作實時變化，且符合物理規(guī)律和聽覺習慣。但是游戲中的聲音大部分都基于采樣——存儲——觸發(fā)——播放這一簡單的邏輯來運行，聲音采樣的內容都是固定的。雖然現(xiàn)在的游戲聲音引擎大多提供了可控采樣、可控音高、可控濾波等等改變聲音的方式，但是這些手段依然難以滿足競速游戲日益高漲的音效品質需求。

4、一個良好的賽車游戲對于音頻程序的要求很高，發(fā)動機聲音的制作需要一個可以模擬發(fā)動機工作原理的程序內核作為基礎，且該程序內核可以提供各種模擬真實車輛運行時各種細節(jié)變化的參數(shù)供音頻引擎使用才可以。

最近一段時間，筆者出于個人興趣對Wwise內提供的車輛引擎插件REV2進行了一些簡單的研究，結合UE4的賽車游戲模板搭建了一個Demo，其實機效果還算不錯，為低成本制作擬真賽車聲提供了可能，現(xiàn)在將制作過程和效果和大家分享。

一、REV插件簡介

REV是Wwiss的合作友商CRANKCASE AUDIO推出的一款插件，其本質是一個專門針對車輛引擎聲的粒子合成器。關于REV的背景和詳細參數(shù)大家可以參閱REV的用戶手冊，每個下載了REV插件的用戶都可以在這里找到它。

為了方便大家理解后續(xù)的文章，此處我們簡單介紹下REV的幾個關鍵參數(shù)及其使用方法：

該截圖包含了使用REV最關鍵的幾個選項和參數(shù)。藍色方框為目前載入的發(fā)動機采樣模型。Import Model鍵可以切換其他模型載入。REV官方提供了很多現(xiàn)成的高質量采樣可以直接使用，只要取得授權就可以直接運用到自己的游戲里。

紅色方框為控制REV發(fā)聲的所有所需參數(shù)，發(fā)動機聲音的所有變化均通過這幾個參數(shù)控制來實現(xiàn)：

Throttle：油門，可以模擬不同油門大小下發(fā)動機的聲音變化。
Gain：發(fā)動機音量，可以控制總體發(fā)動機音量的大小。
RPM：發(fā)動機的轉速，用來控制聲音隨著發(fā)動機轉速而改變。
Gear：檔位，配合車輛的換檔操作。
Velocity：車輛的速度，用來控制聲音隨著車輛速度發(fā)聲改變。

然后，我們需要為這些參數(shù)建立各自對應的Game Parameters。比如像這樣：

然后將這些RTPC全部對應起來：

這樣，REV就可以接受游戲引擎發(fā)出的參數(shù)，從而實時模擬游戲中車輛的狀態(tài)發(fā)聲了。接下來，我們建立一個引擎聲的事件并把它導入UE4。

二、在UE4中調用REV的聲音

打開一個UE4的高級載具模板工程，然后打開載具藍圖，觀察其聲音設置?？梢园l(fā)現(xiàn)它的聲音設置非常簡單，只是掛接了一個通過載具前進速度調制的發(fā)動機loop聲，其表現(xiàn)力非常的一般。

我們將這個聲音去除，添加Wwise的聲音，并修改參數(shù)的設置，不僅僅讀取速度，同時也讀取車輛的檔位和發(fā)動機轉速，且將這些數(shù)據(jù)發(fā)送RTPC。

然后UE4就開始讀取和調制Wwise的聲音，我們可以得到了如下效果：

由于REV本身的聲音品質比較優(yōu)秀，引擎聲的質感的確提升了。但是，總體的聽感依然不佳，且出現(xiàn)了一些非常不符合現(xiàn)實情況的聽感。比如，在達到高速狀態(tài)后，發(fā)動機轉速就保持5700轉不動了，因為發(fā)動機轉速不再變化，聲音也就沒有了變化，高速狀態(tài)下的聲音機械感非常重。這種情況在現(xiàn)實世界中是絕對不會出現(xiàn)的，發(fā)動機不可能保持一個固定轉速紋絲不動。且因為所有內燃機都是有轉速保護機制，當超過最大轉速后會強制中斷油料供給，俗稱“斷油”。所以為了避免這種非正常發(fā)聲，我們需要對聲音的發(fā)聲機制進行優(yōu)化。

想要解決這個問題其實并不簡單，因為它不是簡單的調整一兩個參數(shù)就可以解決的，我們需要暫時先從游戲引擎中跳脫出來，總體的了解一下內燃機的工作原理，才能夠找到正確的解決該問題的方法。

三、汽車引擎發(fā)聲機制詳解

本段落我們將會對車輛的動力結構和運行原理進行介紹，主要包含內燃機、離合器、變速箱這三個部分。

1、內燃機

內燃機的家族其實十分龐大，細分種類也非常多，如果全部詳解介紹其工程結構及其種類劃分等將是一個非常巨大的工程。所以此段落我們只簡單的介紹其工作原理。其他的全部忽略。后期需要針對車輛做細分的時候再去了解發(fā)動機的缸數(shù)、沖程數(shù)亦或者是轉子發(fā)動機這類的特殊概念也不遲。

以最常見的往復活塞式內燃機為例。霧狀的汽油和空氣的混合物從進氣口進入，被火花塞點燃，推動活塞向下，驅動轉子，然后排氣口打開，活塞向上，將燃燒后的廢氣排出，進入下一次循環(huán)。這就是內燃機的工作流程。

在這一個流程中有三個參數(shù)和游戲的聲音制作息息相關——油門、發(fā)動機轉速和扭矩。

油門和大家都比較好理解，油門越大，進入內燃機內部的燃油就越多，點燃后的燃燒就越劇烈，產生的動力就越大。

發(fā)動機轉速也非常好理解，一般游戲里影響車輛聲音變化的最主要參數(shù)，就是發(fā)動機轉速。

但是扭矩這個參數(shù)，大多數(shù)對于內燃機工作原理不太了解的人很容易將之忽略?；蛘吆唵蔚膶⑺斫鉃榘l(fā)動機動力的大小，認為它和油門、發(fā)動機轉速是成正比關系的。這樣的認知其實是有偏差的。

扭矩是用來表示內燃機完成一次完整的循環(huán)所輸出動力的大小，用一個不算嚴謹，但是易于理解的公式來講的話就是：

扭矩*發(fā)動機轉速=發(fā)動機動力

在這里我要強調兩個常見的誤區(qū)：

誤區(qū)一：發(fā)動機轉速越快，扭矩越大。

錯，隨著發(fā)動機轉速的提升，在超過一定的閾值后，扭矩反而會變小。

誤區(qū)二：發(fā)動機轉速越快，發(fā)動機功率越大，輸出動力越大。

錯，中低轉速時，發(fā)動機功率的確是隨著轉速上升的，但是在達到高轉速后，發(fā)動機功率會隨著轉速的提升而下降。

為了方便大家更好的認識扭矩、功率和發(fā)動機轉速之間的關系。這里提供了一個圖示，分別為渦輪增壓發(fā)動機和自吸氣發(fā)動機的工況圖。

大眾EA211 1.4TSI發(fā)動機扭矩輸出圖

對于不太熟悉內燃機的朋友來說，以上兩點有那么一點反直覺，但是對于有一定車輛駕駛經驗的朋友們來說，以上兩點不難理解。

所有車主在高速公路上駕駛車輛時，都會選擇一個合適的檔位，保持發(fā)動機的轉速處于中高區(qū)間，每次的升檔操作也都是在發(fā)動機轉速稍微偏快之后，而不是等發(fā)動機轉速頂滿再升檔。因為并不是發(fā)動機轉速越快產生動力越大，所以一旦發(fā)動機轉速超過了能夠輸出最大動力的節(jié)點，那么這個時候就應該換擋了，保持發(fā)動機始終處于動力輸出較大的區(qū)間，就可以在消耗相同燃料的情況下跑更遠的距離，這種做法俗稱“省油”。但某些競速游戲中可能出現(xiàn)發(fā)動機接近頂滿再換擋的現(xiàn)象，原因下文再敘。

根據(jù)我們上文的分析，我們就可以找到上一段游戲視頻中車輛出現(xiàn)發(fā)動機轉速頂滿的原因——扭矩變化設置不合理或車輛阻力設置不合理。

正常競速游戲中，在車輛接近最高速時，發(fā)動機轉速應該處于功率輸出最大值對應的轉速，該轉速通常大約為最大轉速的90%-95%左右。超過該轉速后發(fā)動機單位時間內提供的動力會下降，所以無法繼續(xù)提速。游戲中應當設置合理的發(fā)動機扭矩或功率曲線，以模擬該效果，否則發(fā)動機的聲音變化就不符合真實車輛的運行邏輯，從而失去擬真感。所以我對UE4車輛藍圖中的扭矩曲線做了如下修改（雖然我們的小白車連車殼都沒有，但是也要假裝自己有一個渦輪增壓發(fā)動機）。

該曲線其實也不嚴謹，大家可以根據(jù)需求調整自己的扭矩曲線。如此調整之后，則不會再輕易到達最大轉速。

但是如果這中間還調整過其他的參數(shù)，我們可能遇到新的問題。車輛的檔位切換不太順暢，甚至可能出現(xiàn)車輛掛檔掛不上去的情況。3檔掛4檔后會瞬間退回3檔。為了解決這兩個問題，接下來我們來看車輛引擎里另一個很重要的部件——變速箱。

2、變速箱

變速箱是用來調整發(fā)動機轉速和車速之間關系的裝置。我們可以通過一個極度簡化的圖來了解變速箱的工作原理，變速箱就是圖中右邊那個會改變自身大小的齒輪。齒輪越小，發(fā)動機轉動一周可以驅動汽車移動的距離越遠，但是發(fā)動機的負載更大。

因為變速箱的存在，不同檔位下相同的發(fā)動機轉速可以獲得不同的車速，這樣我們就可以通過換擋讓發(fā)動機一直保持在高功率轉速區(qū)間工作。在游戲引擎中，每個檔位的參數(shù)通常使用“齒輪比”來調節(jié)，看完上圖后，齒輪比的含義想必大家也都很清楚了。

我們可以看一下UE4的變速箱設置，可以簡單解釋一下這里的幾個參數(shù)的作用。

（注：該圖里的參數(shù)數(shù)值也僅為針對演示demo的調節(jié)，可以根據(jù)游戲和手感需求選擇其他的數(shù)值。）

自動變速——勾選與否決定了車輛是自動切換檔位，還是玩家操作手動切換檔位。
齒輪切換時間及齒輪自動盒體延遲——控制換擋過程的時長。
最終比——該值會同時影響所有檔位，取值越小，車輛可以達到的最高時速越大，同時車輛的負載越大。
齒比——每個檔位發(fā)動機轉速和車速之間的比值，值越小相同發(fā)動機轉速下車速越快，負載越大。
上齒比——自動變速模式下，當發(fā)動機轉速達和最大轉速的比值大于該值時觸發(fā)升檔。
下齒比——自動變速模式下，當發(fā)動機轉速達和最大轉速的比值低于該值時觸發(fā)降檔。

理解了變速箱的原理和游戲中引擎中的相關設置之后，我們就可以解決之前遇到的問題了。

如果自動變速的車輛換擋時機不對，那么原因是各檔位齒輪比設置的不合理。比如如果各檔位的齒輪比設置都是一樣的話，那么每個檔位的加速度都是相同的，就沒有了檔位之間的區(qū)別。

如果出現(xiàn)掛擋失敗，反復升降檔位的情況，那么原因就是兩個檔位之間齒輪比差異過大，或者車輛發(fā)動機扭矩不足，導致升檔后發(fā)動機負載過大無法繼續(xù)提速，從而轉速下降又觸發(fā)了降檔。

另外，還有一個部件對于控制車輛檔位切換至關重要，那就是離合器。

3、離合器

關于離合器的結構和工作原理，我們同樣用一個極簡的圖示來解釋：

離合器的主要功能是控制內燃機和變速箱的結合，其最大的優(yōu)點是可以控制結合的力度，可以緩慢的結合到一起，也可以緩慢放開，就算發(fā)動機轉速很快的時候進行結合和松開的操作也不會產生機械損傷。離合器如何做到這一點，我們暫時不用深究。對于音頻設計師來說我們需要明白的是——離合器控制動力的傳輸和換擋機制的觸發(fā)。

在駕駛模擬游戲中，非核心玩家一般是不會使用手動離合的，且在非擬真駕駛類游戲中，甚至玩家可能無法控制離合。玩家的操作只有油門、轉向、剎車。檔位切換就全部交給自動變速機制了。那么我們需要設計一個符合現(xiàn)實車輛運行邏輯的離合機制。但是如果細究離合的運用方法，可能較為復雜。所以我們簡化一下：當發(fā)動機給車輛輸出動力的時候，離合就應當閉合。當發(fā)動機停止給車輛輸出動力時離合就應當打開。在UE4的demo中我們可以直接使用油門來控制離合，其他非駕駛模擬類游戲也可以采用這種方法。

UE4中自身的載具模塊也是同樣的運行邏輯，當你松開油門，車輛自然減速，發(fā)動機轉速下降是不會觸發(fā)降檔機制的，會一直下降到0。為了方便大家更好的理解離合的開閉對于聲音表現(xiàn)的影響，我們可以通過視頻來對比一下不同情況下的聲音表現(xiàn)：

在現(xiàn)實生活中，如果離合完全打開下的情況下踩油門，車是不會動的，所以這種情況下匹配行駛的聲音效果不佳，換檔時的聲音質感非常的松軟。

離合全程閉合的情況下，車輛在自然減速甚至剎車的過程中都會觸發(fā)升檔的聲音，這也非常不合理。尤其在剎車時，我們希望車輛盡快停下，當然要斷開發(fā)動機的動力供給，所以肯定不該通過降檔提升發(fā)動機轉速。

如果游戲內的交互邏輯如果可以寫的更加精細和復雜，有更加擬真的離合控制邏輯更好。如果沒有，那么通過油門控制離合是一種簡易且有效的方法。了解完離合器的工作原理以及它對聲音的影響后，我們就可以回到Wwise中來設置離合的參數(shù)了：

Enableshifting：這個參數(shù)就是用來控制離合的，當該參數(shù)取值為on，rev就會在檔位發(fā)聲變化時播放檔位切換的聲音，取值為off就不會觸發(fā)檔位切換聲，我們將它和油門的參數(shù)綁定在一起，當油門被摁下時，離合就結合。

當我們完成了對于檔位、離合、發(fā)動機參數(shù)的所有調整后，我們就可以得到這樣的聲音。其聽感基本符合正常車輛的運行表現(xiàn)。

但是，這只有發(fā)動機的聲音，其實還缺失了非常多的細節(jié)。下一章節(jié)我們來給車輛添加更多的聲音細節(jié)。

四、更加豐富的車輛聲音細節(jié)

我們大致可以將車輛聲音的發(fā)聲源拆解為如下幾個部分，然后分別探討他們的做法。

內燃機、離合器和變速箱部分我們已經在上文討論了。接下來討論其他車輛部件的發(fā)聲規(guī)則和制作方法。

1、胎噪與風噪

胎噪的制作以loop采樣為主。給loop添加多段隨機素材減少重復感，同時增加車輛速度的RTPC來調制loop的音高、音量以及不同強度之間的過渡。而且需要制作不同的地面材質，利用switch來切換。最后如果可以獲取車輛輪胎和地面的摩擦系數(shù)更好，可以使用該參數(shù)來控制輪胎打滑聲的觸發(fā)和變化。我這邊偷了個懶，沒有計算輪胎和地面的摩擦，固定在剎車和轉向時會觸發(fā)聲音。

2、懸掛

懸掛的種類其實很多，我們這里并不詳細探討懸掛的工作原理和種類劃分，只探討它對聲音的影響。因為懸掛的本質是一個緩沖減震裝置，保證車輛在崎嶇不平的道路上行駛時的穩(wěn)定性。當車輛產生顛簸時，發(fā)動機的發(fā)聲會受到一定的影響，且懸掛會影響車輪受到的壓力，導致車輛的負載產生變化。所以這里針對車輛的懸掛系統(tǒng)我們要做兩件事：

制作會隨著懸掛受力情況變化而改變的車身抖動的聲音。
使懸掛的抖動可以對發(fā)動機和胎噪的發(fā)聲產生一點影響。

為了完成這兩件事，首先我們需要獲取車輛的懸掛偏移參數(shù)，這里我一共獲取了5個RTPC，分別是pianyi1、pianyi2、pianyi3、pianyi4對應四個輪子各自的懸掛偏移，然后將這四個參數(shù)求和得到一個總體的偏移量“zhendong”：

然后我們需要制作不同力度的車輛抖動聲音，并使用偏移程度和車速來同時調制他們：

然后再讓懸掛對發(fā)動機和胎噪也產生一點影響：

這樣就可以制作出隨著車輛顛簸而動態(tài)變化的聲音。

3、渦輪

對于渦輪的原理我們也做一下簡單的介紹，其實渦輪就是一個超高轉速的風扇，用來增加發(fā)動機的進氣量，從而使發(fā)動機可以在一個沖程之內燃燒更多的燃油，來提升發(fā)動機的性能。前文我們討論扭矩的時候就同時提供了渦輪增壓型和自吸型兩種發(fā)動機的扭矩和功率變化圖。渦輪增壓發(fā)動機更容易達到最大扭矩且保持的時間更長。具體渦輪的工作原理我們就贅述了，我們只關注一個問題——渦輪發(fā)出什么樣的聲音，以及它在什么樣的情況下發(fā)出聲音。

渦輪的種類不同，發(fā)出的聲音會略有差異，不過在游戲中的表現(xiàn)大致都是高頻的轉子轉動聲，因為渦輪本身就是一個超高轉速的風扇，其轉速可以輕松達到每分鐘上萬轉，甚至十萬轉以上。

其發(fā)聲的區(qū)間一般是發(fā)動機達到一定轉速以后。通常是至少達到2000RPM?以上才開始發(fā)揮作用，也只有這個時候渦輪的轉速才足夠高，其運轉的聲音才會被人所察覺。且在渦輪的聲音可以被察覺后，其聲音的變化幅度要小于發(fā)動機。

發(fā)動機轉速下降以后，渦輪的聲音不一定停止，一些高性能賽車為了避免“渦輪遲滯”，會安裝偏時點火裝置，保持車輛發(fā)動機轉速下降后渦輪依然可以繼續(xù)工作。所以渦輪的聲音制作需要根據(jù)不同的車輛定制，沒有通用解。

在我的游戲工程里，我就偷懶了，沒有考慮特殊情況，渦輪的觸發(fā)綁定發(fā)動機轉速，且并未使用渦輪的采樣。而是使用了一個經過處理的電鉆的聲音來模擬渦輪。

4、排氣管

???對于高品質競速游戲，排氣管在汽車運行時的聲音是需要單獨制作的，loop拼接過度的做法基本可以滿足需求。這里我們著重強探討一個在游戲中被夸大處理的聲音——回火。

現(xiàn)實生活中，“回火”一般出現(xiàn)在大排量性能車型上。在游戲里該機制的美術特效和音效表現(xiàn)是提升玩家游戲感的重點機制之一。為了制作好回火的聲音，我們需要對回火的發(fā)聲機制進行一定的分析。引起“回火”的原因，大致可以分為三種：

穩(wěn)定回火

發(fā)生時機：只發(fā)生在車輛高速高負荷運行時。

表現(xiàn)特征：尾焰穩(wěn)定且持續(xù)。

發(fā)聲類型：持續(xù)且穩(wěn)定的燃燒聲，不會帶有爆鳴聲。

發(fā)生原因：某些車型中，為了給三元催化器和發(fā)動機氣缸降溫，會在發(fā)動機溫度過高（高負載高轉速運行時）的情況下，增加氣缸內的噴油量，這樣氣缸內的油氣混合物就不能完全燃燒，因為燃油過量了。這些過量的氣化燃油會在排氣管口遇到空氣后繼續(xù)燃燒，此時賽車的排氣管就會有輕微的淡藍色尾焰。在游戲中這種穩(wěn)定尾焰通常會用在各種超高速行駛的狀態(tài)下，如非常常見的氮氣加速。

爆鳴回火

發(fā)生時機：發(fā)動機進氣量嚴重不足時，通常是高速啟動，或者車輛在高負荷行駛狀態(tài)下突然減小油門的時候。

表現(xiàn)特征：尾焰呈現(xiàn)短暫的點狀噴射。

發(fā)聲類型：類似爆炸的清脆爆破聲。

發(fā)生原因：由于發(fā)動機進氣量不足，氣缸內的燃油燃燒非常不充分，于是排氣沖程時，未燒凈的高溫汽油隨著氣流經過了高溫熾熱的排氣頭段和三元催化器（再度被加溫），高溫的氣化燃油由于氧氣不足無法燃燒。所以當這些廢棄來到排氣口，接觸到外界的新鮮空氣的一瞬間就會發(fā)聲爆燃，繼而引發(fā)爆鳴回火。

偏時點火

發(fā)生時機：換擋收油之后。

表現(xiàn)特征：尾焰持續(xù)時間較短但是爆炸感不強。

發(fā)聲類型：排氣管的低頻轟鳴，悶響。

發(fā)生原因：競速賽車中，換擋收油后排氣量會降低，導致增壓渦輪轉速降低，重新加速踩油門的時候會帶來渦輪遲滯，為了讓賽車獲得更好的加速性能。賽車中裝備一種名為偏點火系統(tǒng)的裝置，英文為"Anti-Lag System"，簡稱ALS系統(tǒng)。偏時點火是在發(fā)動機不需要提供動力時停止點火動作，刻意讓油氣在排氣門開啟后進入排氣頭段。頭段溫度極高，油氣一接觸即爆炸，強大的爆炸壓力便會推動渦輪機的排氣葉片，使得渦輪機內的增壓端葉片高速運轉，保持增壓狀態(tài)，使車輛即使在低速或是換檔收油時不失去增壓效果。此類火焰是在發(fā)動機內點燃隨著排氣管排出，所以一般爆破感不強，聲音聽起來略悶。

在我的演示工程中，其實沒有單獨制作排氣管的聲音，因為車的模型根本沒有排氣管，而且我調整的車輛手感并不像高性能賽車，也沒有回火特效，所以我就只在發(fā)動機轉速下降到4100轉一下的時候會固定觸發(fā)一下回火，沒有制作其他更加復雜的聲音表現(xiàn)。

我們來看一下添加完各種細節(jié)的車輛聲音：