光與材質(zhì)的藝術(shù)

渲染的概念

　　渲染，英文為Render,也有的把它稱為著色，但我更習(xí)慣把Shade稱為著色，把Render稱為渲染。因為Render和Shade值兩個詞在三維軟件中是截然不同的兩個概念，雖然它們的功能很相似，但卻有不同。Shade是一種顯示方案，一般出現(xiàn)在三維軟件的主要窗口中，和三維模型的線框圖一樣起到輔助觀察模型的作用。很明顯，著色模式比線框模式更容易讓我們理解模型的結(jié)構(gòu)，但它只是簡單的顯示而已，數(shù)字圖像中把它稱為明暗著色法。在像Maya這樣的高級三維軟件中，還可以用Shade顯示出簡單的燈光效果、陰影效果和表面紋理效果，當(dāng)然，高質(zhì)量的著色效果是需要專業(yè)三維圖形顯示卡來支持的，它可以加速和優(yōu)化三維圖形的顯示。但無論怎樣優(yōu)化，它都無法把顯示出來的三維圖形變成高質(zhì)量的圖像，這時因為Shade采用的是一種實時顯示技術(shù)，硬件的速度限制它無法實時地反饋出場景中的反射、折射等光線追蹤效果。而現(xiàn)實工作中我們往往要把模型或者場景輸出成圖像文件、視頻信號或者電影膠片，這就必須經(jīng)過Render程序。

　　Shade視窗，提供了非常直觀、實時的表面基本著色效果，根據(jù)硬件的能力，還能顯示出紋理貼圖、光源影響甚至陰影效果，但這一切都是粗糙的，特別是在沒有硬件支持的情況下，它的顯示甚至?xí)�是無理無序的。Render效果就不同了，它是基于一套完整的程序計算出來的，硬件對它的影響只是一個速度問題，而不會改變渲染的結(jié)果，影響結(jié)果的是看它是基于什么程序渲染的，比如是光影追蹤還是光能傳遞。

　　渲染的基本過程

　　首先，必須定位三維場景中的攝像機，這和真實的攝影是一樣的。一般來說，三維軟件已經(jīng)提供了四個默認(rèn)的攝像機，那就是軟件中四個主要的窗口，分為頂視圖、正視圖、側(cè)視圖和透視圖。我們大多數(shù)時候渲染的是透視圖而不是其他視圖，透視圖的攝像機基本遵循真實攝像機的原理，所以我們看到的結(jié)果才會和真實的三維世界一樣，具備立體感。接下來，為了體現(xiàn)空間感，渲染程序要做一些“特殊”的工作，就是決定哪些物體在前面、哪些物體在后面和那些物體被遮擋等�？臻g感僅通過物體的遮擋關(guān)系是不能完美再現(xiàn)的，很多初學(xué)三維的人只注意立體感的塑造而忽略了空間感。要知道空間感和光源的衰減、環(huán)境霧、景深效果都是有著密切聯(lián)系的。

　　渲染程序通過攝像機獲取了需要渲染的范圍之后，就要計算光源對物體的影響，這和真實世界的情況又是一樣的。許多三維軟件都有默認(rèn)的光源，否則，我們是看不到透視圖中的著色效果的，更不要說渲染了。因此，渲染程序就是要計算我們在場景中添加的每一個光源對物體的影響。和真實世界中光源不同的是，渲染程序往往要計算大量的輔助光源。在場景中，有的光源會照射所有的物體，而有的光源只照射某個物體，這樣使得原本簡單的事情又變得復(fù)雜起來。在這之后，還要是使用深度貼圖陰影還是使用光線追蹤陰影？這往往取決于在場景中是否使用了透明材質(zhì)的物體計算光源投射出來的陰影。另外，使用了面積光源之后，渲染程序還要計算一種特殊的陰影－－軟陰影（只能使用光線追蹤），場景中的光源如果使用了光源特效，渲染程序還將花費更多的系統(tǒng)資源來計算特效的結(jié)果，特別是體積光，也稱為燈光霧，它會占用代量的系統(tǒng)資源，使用的時候一定要注意。

　　在這之后，渲染程序還要根據(jù)物體的材質(zhì)來計算物體表面的顏色，材質(zhì)的類型不同，屬性不同，紋理不同都會產(chǎn)生各種不同的效果。而且，這個結(jié)果不是獨立存在的，它必須和前面所說的光源結(jié)合起來。如果場景中有粒子系統(tǒng)，比如火焰、煙霧等，渲染程序都要加以“考慮”。

　　智能光

　　我一直認(rèn)為，自然界的光是具有智慧的，它像一個魔法師，把世界變得繽紛絢麗，甚至離奇古怪，而渲染程序中的光就顯得笨拙得多了，程序雖然提供了足夠多的光源類型來讓我們模擬真實世界的光源，但就其本質(zhì)來說，都只解決了光源的直接照射問題，而真實世界中的照明不是這樣的，它還存在再次反射的現(xiàn)象，也就是通常所說的的光能傳遞，現(xiàn)在流行的叫法是Global Illumination，即全局照明。不要把它跟Lightscape的光能傳遞相混淆，它們雖然在原理和結(jié)果上非常相似，但是算方式卻不一樣。

　　光的“智能”還體現(xiàn)在它的反射和折射質(zhì)量上，這個質(zhì)量并不是指渲染圖像的質(zhì)量或者光線追蹤的正確與否，而是指是否能自動完成與光線的反射和折射有關(guān)的所有效果。Caustic特效的產(chǎn)生成為了高級渲染程序的一個重要標(biāo)志。Cau-stic是一種光學(xué)特效，通常出現(xiàn)在有反射和折射屬性的物體上，比如透明的圓球、凸透鏡、鏡子、水面等，它包含聚焦和散焦兩個方面的效果。

　　就目前的情況來說，衡量一個渲染程序里的光源是否具有“智能”，不是看它的光源類型有多么豐富，或者說，已經(jīng)與直接照明沒有什么關(guān)系了（所有的渲染程序都能很好的解決直接照明的問題），而是與光源的間接照明有密切的關(guān)系。無論是天空光還是全局照明，或者是Caustic特效，都不是光源直接照射到物體上產(chǎn)生的效果，它們是光線的Diffu-se、Radiosity、Reflection和Refraction產(chǎn)生的結(jié)果，產(chǎn)生這些結(jié)果的自動化程度很高，即不需借助任何輔助光源——我們就可以把該渲染程序的光源看成是有“智能”的。需要注意的是，并不是說不能自動產(chǎn)生間接照明效果的渲染程序就是低級的。我們依然可以使用輔助光源來模擬那些間接照明的效果，作為渲染的圖像來說，我們關(guān)心的仍然是圖像所顯示的效果，而不是產(chǎn)生結(jié)果的方法，所謂條條大路通羅馬，目的才是最重要的。我們不要迷失其中。

　　［說明：天空光是一種很特殊的光源。準(zhǔn)確的說天空光不應(yīng)該稱為光源，它是由于大氣漫反射太陽光形成的，所以，它也可以看成是太陽光的間接照明。］

　　材質(zhì)的真相

　　材質(zhì)是什么？簡單的說就是物體看起來是什么質(zhì)地。材質(zhì)可以看成是材料和質(zhì)感的結(jié)合。在渲染程序中，它是表面各可視屬性的結(jié)合，這些可視屬性是指表面的色彩、紋理、光滑度、透明度、反射率、折射率、發(fā)光度等。正是有了這些屬性，才能讓我們識別三維中的模型是什么做成的，也正是有了這些屬性，我們計算機三維的虛擬世界才會和真實世界一樣繽紛多彩。

這就是材質(zhì)的真相嗎？答案是否定的。不要奇怪，我們必須仔細(xì)分析產(chǎn)生不同材質(zhì)的原因，才能讓我們更好的把握質(zhì)感。那么，材質(zhì)的真相到底是什么呢？仍然是光，離開光材質(zhì)是無法體現(xiàn)的。舉例來說，借助夜晚微弱的天空光，我們往往很難分辨物體的材質(zhì)，而在正常的照明條件下，則很容易分辨。另外，在彩色光源的照射下，我們也很難分辨物體表面的顏色，在白色光源的照射下則很容易。這種情況表明了物體的材質(zhì)與光的微妙關(guān)系。下面，我們將具體分析兩者間的相互作用。

　　色彩（包括紋理）

　　色彩是光的一種特性，我們通�？吹降纳�彩是光作用于眼睛的結(jié)果。但光線照射到物體上的時候，物體會吸收一些光色，同時也會漫反射一些光色，這些漫反射出來的光色到達(dá)我們的眼睛之后，就決定物體看起來是什么顏色，這種顏色在繪畫中稱為“固有色”。這些被漫反射出來的光色除了會影響我們的視覺之外，還會影響它周圍的物體，這就是光能傳遞。當(dāng)然，影響的范圍不會像我們的視覺范圍那么大，它要遵循光能衰減的原理。另外，有很多資料把Radiosity翻譯成“熱輻射”，其實這也蠻貼切的，因為物體在反射光色的時候，光色就是以輻射的形式發(fā)散出去的，所以，它周圍的物體才會出現(xiàn)“染色”現(xiàn)象。

　　光滑與反射

　　一個物體是否有光滑的表面，往往不需要用手去觸摸，視覺就會告訴我們結(jié)果。因為光滑的物體，總會出現(xiàn)明顯的高光，比如玻璃、瓷器、金屬………而沒有明顯高光的物體，通常都是比較粗糙的，比如磚頭、瓦片、泥土………這種差異在自然界無處不在，但它是怎么產(chǎn)生的呢？依然是光線的反射作用，但和上面“固有色”的漫反射方式不同，光滑的物體有一種類似“鏡子”的效果，在物體的表面還沒有光滑到可以鏡像反射出周圍的物體的時候，它對光源的位置和顏色是非常敏感的。所以，光滑的物體表面只“鏡射”出光源，這就是物體表面的高光區(qū)，它的顏色是由照射它的光源顏色決定的（金屬除外），隨著物體表面光滑度的提高，對光源的反射會越來越清晰，這就是在三維材質(zhì)編輯中，越是光滑的物體高光范圍越小，強度越高。當(dāng)高光的清晰程度已經(jīng)接近光源本身后，物體表面通常就要呈現(xiàn)出另一種面貌了，這就是Reflection材質(zhì)產(chǎn)生的原因，也是古人磨銅為鏡的原理。但必須注意的是，不是任何材質(zhì)都可以在不斷的“磨練”中提高自己的光滑程度。比如我們很清楚瓦片是不可能磨成鏡的，為什么呢？原因是瓦片是很粗糙的，這個粗糙不單指它的外觀，也指它內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。瓦片質(zhì)地粗糙里面充滿了氣孔，無論怎樣磨它，也只能使它的表面看起來整齊，而不能填補這些氣孔，所以無法成鏡。我們在編輯材質(zhì)的時候，一定不能忽視材質(zhì)光滑度的上限，有很多初學(xué)者作品中的物體看起來都像是塑料做的就是這個原因。

　　透明與折射

　　自然界的大多數(shù)物體通常會遮擋光線，當(dāng)光線可以自由的穿過物體時，這個物體肯定就是透明的。這里所指的“穿過”，不單指光源的光線穿過透明物體，還指透明物體背后的物體反射出來的光線也要再次穿過透明物體，這樣使我們可以看見透明物體背后的東西。由于透明物體的密度不同，光線射入后會發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這就是折射。比如插進水里的筷子，看起來就是彎的。不同的透明物質(zhì)其折射率也不一樣，即使同一種透明的物質(zhì)，溫度的不同也會影響其折射率，比如當(dāng)我們穿過火焰上方的熱空氣觀察對面的景象，會發(fā)現(xiàn)有明顯的扭曲現(xiàn)象。這就是因為溫度改變了空氣的密度，不同的密度產(chǎn)生了不同的折射率。正確的使用折射率是真實再現(xiàn)透明物體的重要手段。

　　在自然界中還存在另一種形式的透明，在三維軟件的材質(zhì)編輯中把這種屬性稱之為“半透明”，比如紙張、塑料、植物的葉子、還有蠟燭等等。它們原本不是透明的物體，但在強光的照射下背光部分會出現(xiàn)“透光”現(xiàn)象。

　　通過上面簡單的描述，相信大家已經(jīng)進一步了解了光和材質(zhì)的關(guān)系，如果在編輯材質(zhì)時忽略了光的作用，是很難調(diào)出有真實感的材質(zhì)的。因此，在材質(zhì)編輯器中調(diào)節(jié)各種屬性時，必須考慮到場景中的光源，并參考基礎(chǔ)光學(xué)現(xiàn)象，最終以達(dá)到良好的視覺效果為目的，而不是孤立的調(diào)節(jié)它們。當(dāng)然，也不能一味的照搬物理現(xiàn)象，畢竟藝術(shù)和科學(xué)之間還是存在差距的，真實與唯美也不是同一個概念。

　　關(guān)于攝像機

　　一幅渲染出來的圖像其實就是一幅畫面。在模型定位之后，光源和材質(zhì)決定了畫面的色調(diào)，而攝像機就決定了畫面的構(gòu)圖。在確定攝像機的位置時，總是考慮到大眾的視覺習(xí)慣，在大多數(shù)情況下視點不應(yīng)高于正常人的身高，也會根據(jù)室內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)，選擇是采用人蹲著的視點高度、坐著的視點高度或是站立時的視點高度，這樣渲染出來的圖像就會符合人的視覺習(xí)慣，看起來也會很舒服。在使用站立時的視點高度時，目標(biāo)點一般都會在視點的同一高度，也就是平視。這樣墻體和柱子的垂直廓線才不會產(chǎn)生透視變形，給人穩(wěn)定的感覺，這種穩(wěn)定感和舒適感就是靠攝像機營造出來的。

　　當(dāng)然，這種放置攝像機的方法不見得也適合表現(xiàn)室外的建筑，我想說的是，攝像機的位置必須考慮觀察者所處的位置和習(xí)慣，否則畫面會看起來很別扭。在影視作品中，攝影機的自由度會大得多，為了表現(xiàn)特殊的情感效果。有時會故意使用一些夸張、甚至極端的鏡頭，要注意區(qū)別對待。

　　那么，在三維軟件中的攝像機除了影響構(gòu)圖之外，還有什么其他的作用呢？當(dāng)然有，這就是景深效果和運動模糊。應(yīng)該說這兩種特效都是和攝像機密不可分的，因為攝像機（或照相機）都有光圈和快門，而光圈和快門就是產(chǎn)生景深效果和運動模糊的直接原因，所以，運用好這兩種特效是再現(xiàn)真實攝像效果的必要手段。

　　三維軟件里的攝像機，除了上面提到的內(nèi)容外，還有更復(fù)雜的部分，那就是攝像機的運動。如果你的工作不會涉及到動畫制作，可以忽略與攝像機運動有關(guān)的內(nèi)容，但不論怎樣，花點時間看看攝像方面的書籍是很有幫助的。要知道虛擬現(xiàn)實類作品和我們平時照相不同，照相注重構(gòu)圖和用光，虛擬現(xiàn)實則更講究鏡頭的運動和鏡頭的切換。所以，如果你要運用好你的“虛擬攝像機”，就必須參考專業(yè)類的書籍，千萬不要再憑自己的想象，否則，費了好大的勁兒制作好了模型，設(shè)置好了光源，把最難調(diào)的材質(zhì)也調(diào)好了，還設(shè)置了動畫關(guān)鍵幀，本來應(yīng)該有個好的渲染結(jié)果了，卻因為使用了“蹩腳”的攝像機鏡頭和運動方法而導(dǎo)致后期無從下手，結(jié)果前功盡棄。所以，CG藝術(shù)家們專門抽點時間去學(xué)習(xí)一下鏡頭方面的只是是很有必要的。