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趁著工作外閑暇,學(xué)習(xí)Vray充充電已有1個禮拜。想想當(dāng)初的兩個幼稚求助帖,很是搞笑,讓人想幫都無處入手啊。
幾天實踐下來,初步掌握了一些渲染技巧。但是越往里研究,越發(fā)現(xiàn)自己物理基礎(chǔ)的薄弱,因為Vray的渲染都是建立在發(fā)射、散射、反射、折射等等光學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上。所以趕緊從網(wǎng)上搜索各種資料,來補充不足。不能理解這些基本原理,永遠(yuǎn)只能是渲染的門外漢。我覺得那些渲染界高人,至少也可算得上是半個物理光學(xué)工程師了。也難怪世界上那么多建筑設(shè)計師,往往又是出色數(shù)學(xué)家。
同時也希望,論壇內(nèi)的高人以后在幫我們釋疑時,不僅是指出軟件參數(shù)的不對,也可以從這些基本面去告訴大家為什么參數(shù)是這么設(shè)置的,所謂授人以魚,不如教人以漁。
常見名詞:
1. 放射——由一點向四外射出。例子:太陽的光向四面放射熱量。
2. 反射——光在兩種物質(zhì)分界面上改變傳播方向又返回原來物質(zhì)中的現(xiàn)象
理解光的反射定律
1)在反射現(xiàn)象中,反射光線,入射光線和法線都在同一個平面內(nèi)
2)反射光線,入射光線分居法線兩側(cè)
3)反射角等于入射角
可歸納為:“三線共面,兩線分居,兩角相等”
3. 漫反射——詳見百度百科 http://baike.baidu.com/view/43946.htm
4. 折射——詳見百度百科 http://baike.baidu.com/view/462574.htm
下面是一篇國外論壇的精彩轉(zhuǎn)帖,很是強悍!
[size=85%]
[size=85%]引言
[size=85%] CGTALK上的另一篇精彩帖子,已經(jīng)由hammerbchen翻譯,由于此帖討論過于深奧,特將譯文重新整理,并將重點科學(xué)理論標(biāo)紅,CG用戶建議行為標(biāo)橙,原貼地址[size=85%]http://forums.cgsociety.org/showthread.php?f=21&t=650761[size=85%],整理譯文如下。
[size=85%] 渲染效果要真實,除了燈光、GI參數(shù)設(shè)置外,材質(zhì)設(shè)置也是非常重要的因素,材質(zhì)主要通過不同的Shaders(明暗器)來模擬真實世界的光影變化,在CGTalk中,《The Science Of CG》這篇帖子對材質(zhì)進(jìn)行科學(xué)的深度討論,同時也涉及到RAW格式與光譜算圖。在這篇帖子中,烏克蘭網(wǎng)友mister3d與playmesumch00ns提供了很棒的討論與插圖。
[size=85%]Dtox提到:
在同類標(biāo)題的帖子中,都沒有進(jìn)行真正深入討論,即使網(wǎng)友的回復(fù)都是有益的,但并沒有給任何人真正討論方向。有位網(wǎng)友想知道光是如何運行的,這樣一來他可以將光的理論套用到軟件中。我認(rèn)為這是每個都想知道的,也是應(yīng)該知道的。大多數(shù)的答復(fù)是“去學(xué)習(xí)一下藝術(shù)理論”或“管他的,只要調(diào)整參數(shù)看起來像,就對了”。雖然這樣說有其原因,但我還有更中庸的做法。學(xué)習(xí)傳統(tǒng)藝術(shù)能夠更了解CG原理,但理論與實際之間還有其他的灰色地帶,尤其是關(guān)于打燈照明技術(shù)上。
光符合物理法則,如果了解這些物理學(xué),調(diào)整CG光線時就夠能得心應(yīng)手。例如“平方反比定律”并不只適用于光線,在CG世界中,也可以應(yīng)用在照明技術(shù)。平方反比定律是指物體與光線的距離每增加一倍,光照強度就是原來的四分之一。
如果是剛接觸CG照明,并希望得到真實的渲染效果,掌握一定的物理學(xué)很重要,就我個人而言是對物理學(xué)是非常感興趣的。
[size=85%]Cryptosporidium回復(fù):
我喜歡用“物理正確”的方式去做燈光照明。但只有極少數(shù)人關(guān)心物理學(xué),而大絕大部分的電影制作會從藝術(shù)的角度來調(diào)整光線,無論物理上正確與否,而且導(dǎo)演要的東西常常都不是物理精確的效果。有趣的是,如果真的用所謂的物理精確的參數(shù)去計算CG照明,算圖時間可能會在百萬年后才會計算完(reach astronomic values)。也許這也是為什么這樣的帖子沒有受到足夠的重視,但了解物理學(xué)可以幫助您的工作。
[size=85%]Mister3d回復(fù):
大多數(shù)用戶是隨意控制參數(shù)而不是依循物理法則,一旦了解算圖物理學(xué)后,這些觀念將在腦海中根深蒂固,重要的是能套用到任何一種渲染器中。
Retracing(光線追蹤)是以物理為基礎(chǔ)(模擬光的行為,但其實不是物理精確的計算),所以其實需要學(xué)的是物理學(xué)而不只是CG照明。要掌握CG照明知識也不僅需要學(xué)習(xí)傳統(tǒng)照明和CG照明技術(shù),同時也需要考慮到材質(zhì)和相機的參數(shù)。
[size=85%] CG照明分有直接照明和間接照明的區(qū)別,前者是指光線打在物體表面就停住了,并沒有光線的反彈,而這種情況并不會發(fā)生在真實世界。
[size=85%]我認(rèn)為能量守恒定律可應(yīng)用到任何反射材質(zhì)上,這個反射數(shù)值不能超過光源的強度,所以反射光線會比原始光線暗,同時光線是以平方反比做衰減。
當(dāng)光線打到物體表面可能會發(fā)生吸收、反射、折射(或不完全折射)。反射或折射有可能是漫射性或高光性質(zhì)(Specular)。 [size=85%] 如果光線在漫射性質(zhì)的表面反射則會發(fā)生混色現(xiàn)象(color-bleeding)。
如果光線在Specular的表面反射則會發(fā)生Reflect Caustics(反射焦散)現(xiàn)象。
如果光線穿透折射物質(zhì)則會發(fā)生Refract Caustics(折射焦散)現(xiàn)象。
如果光線被物質(zhì)表面吸收并產(chǎn)生些diffused refraction(微漫射折射),則會發(fā)生Sub-Surface Scattering(次表面散射)現(xiàn)象。吸收光是漫射折射外加漫射屬性,這種現(xiàn)象以皮膚為例就是由水和肉構(gòu)成,因此會同時有散射與折射的性質(zhì)。
除此之外,[size=85%] 還有就是Caustics Dispersion of Refraction(焦散散射折射)現(xiàn)象,這種現(xiàn)象相當(dāng)罕見,比如鉆石,看起來就是彩色的折射。
光源可能距離非常遙遠(yuǎn),這種情況我們就不使用平方反比定律(但據(jù)我理解,還是有衰減現(xiàn)象,為了計算方便不考慮衰減,否則就需要將光源放在億萬英里遠(yuǎn)的距離,就好像太陽到地球的距離一樣,所以只好省略這類光源的平方衰減性質(zhì)),當(dāng)光源不亮也不遠(yuǎn),可以套用平方衰減定律。如此就得出一個非常重要的觀念——場景單位的重要性,因為光的衰減和光源所在的空間尺度有關(guān),而且光線陰影的銳利度受到光源大小所影響。
有一個定律是說:反射優(yōu)先于漫射,而折射優(yōu)先于反射。這表示,如果有一個如果金屬之類的強烈反射材質(zhì),幾乎是看不到漫射效果,因此,100%=0%的漫射。100%的折射情況下能看到一點反射效果,但是漫射則完全看不到(這時漫色設(shè)置為黑色最好)。
所有的物質(zhì)都會反射,已知物種中反射率最低的物質(zhì)也有0.045的反射率,大部分的物質(zhì)表面具有漫射性的反射,鏡面反射則很少見。由于任何物質(zhì)表面都有許多microfaceted(微小的結(jié)構(gòu)面),而這些結(jié)構(gòu)不容易被肉眼觀察出來,如果是鏡面反射的話,微表面產(chǎn)生的反射射線是往同一個方向,漫射反射則是由表面產(chǎn)生的反射方向是多方向得來的。
這個世界上有兩種類型的材質(zhì):金屬和其他材質(zhì)。所有材質(zhì)都會有Fresnel(菲涅爾)反射效果,所以,每次都應(yīng)該套用這樣的反射類型。Fresnel實際上并不是簡單的衰減曲線效果,一開始是緩曲線,然后在端點的地方有陡峭的線段。而金屬有更加突出的反射屬性,漫射建議設(shè)置為黑色,因為這時反射是優(yōu)先計算的。
只有金屬會有彩色的反射效果,因此,如果需要制作任何非金屬的反射效果,只會是黑白反射而已。這里反射光看起來有顏色,是因為它們反射顏色,而不是因為材質(zhì)將反射光線染色。因此,當(dāng)使用黑白的貼圖在材質(zhì)上時,反射光只會反射光源的顏色,換句話說也就是說只有金屬材質(zhì)會將反射光著色,而其他材質(zhì)不會。
還有一個數(shù)值:反射折射率和折射反射率,這兩個數(shù)值一定相同,可以在各種參考資料中查到真實世界各種事物的具體數(shù)值,這些數(shù)值會控制物體反射/折射的效果,同樣的數(shù)值在導(dǎo)電物質(zhì)上只是會稍微亮一點。
[size=85%] Playmesumch00ns回復(fù):
景深發(fā)生的原因,是因為透鏡的聚焦光線來自于一個圓錐的頂點投射到底片盒,這個圓錐的長度與物體到相機的距離,和鏡頭在相機中的位置有關(guān)。如果底片沒有恰好擺在這個圓錐的頂點位置,則圓錐與底片會形成一個圓形的交錯(the circle of confusion),這就是為何當(dāng)3D的點投射到底片時會變成圓形,而且影像會變得模糊。
對于mister3d的回復(fù),我想糾正一下,材質(zhì)只有金屬和非金屬兩種類型的定義并不準(zhǔn)確,這兩種類型應(yīng)該是指導(dǎo)電材質(zhì)和非導(dǎo)電材質(zhì),[size=85%] 當(dāng)然在大多數(shù)情況正??梢岳斫鉃榻饘俸头墙饘?。而且當(dāng)光子打到物體表面時,會發(fā)生吸收、反射和穿透三種現(xiàn)象。
1.吸收
吸收是光能轉(zhuǎn)化為熱能,并逐漸消失,當(dāng)然這不是真的消失了,但在渲染時并不需要關(guān)心熱能。實際應(yīng)用時,表示任何材質(zhì)都不該有100%的反射屬性,如果你想制作真實的材質(zhì)效果。
2.反射
反射描述光線從表面反彈的過程。實際的光子反彈方向是受到物體表面的microgeometry(細(xì)微幾何結(jié)構(gòu))影響。非常光滑的表面會產(chǎn)生完全相同的反射方向,就像鏡子一樣,如果是非常粗糙的表面就會產(chǎn)生散射光,往各個方向反彈。我們把平滑表面所產(chǎn)生的反射稱為Specular Reflection(高光反射),從粗糙表面產(chǎn)生的反射稱為Diffuse Reflection(漫反射),介于兩者之間的反射稱為Glossy Reflection(光滑反射)。
非導(dǎo)電材質(zhì)的反射總是與光源顏色相同,所以產(chǎn)生的反射是白色的,而導(dǎo)電物質(zhì)則會讓反射的光線帶有顏色。導(dǎo)電物質(zhì)會反射出怎么顏色的反射光線是根據(jù)材質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與光線的入射角度有關(guān)。例如光線撞擊到黃金表面,比較淺的入射角所產(chǎn)生的黃色會比直接打到黃金表面的光線顏色不容易察覺。
3.Transmission(穿透)
[size=85%]光線穿透到物質(zhì)內(nèi)部就是折射,改變了光線的運動方向,確切的光線折射方向是根據(jù)材質(zhì)的折射率以及光線的入射角決定的。表面的microgeometry可能會導(dǎo)致光線往多個方向分散運動,就好像Diffuse Reflection或Glossy Reflection那樣,這樣可造成如磨砂玻璃產(chǎn)生的霧效果。
只有Dielectrics(非導(dǎo)電物質(zhì))可以被光線穿透,光線的穿透或是反射是根據(jù)入射角和物體的直射率決定,菲涅爾方程式可以作為解釋這個現(xiàn)象的模型。基本上光線直接垂直打到物體表面會穿透過去,但是低的掠射角就會大部分產(chǎn)生反射。
上述現(xiàn)象只有其中之一會發(fā)生在光子與物體接觸的互動中,但數(shù)學(xué)模型可能會導(dǎo)致難以想象的數(shù)值,因此,在處理光線反應(yīng)數(shù)學(xué)模型時,建議控制不同比例的光子做不同的反應(yīng)。如金屬可能反射50%的光子,并吸收剩下的50%,而玻璃有可能90%的光子會穿透,5%反射,并吸收其余的光子。
整個反射規(guī)則遵循、反映了能量守恒定律,所以反射的光子不應(yīng)該大于入射的光子數(shù)目,而這種條件在大部分的渲染器中是很難設(shè)定的。常見的做法是采用相加層式的BRDF,在明暗器里的漫射與高光反射總和不能大于1,這樣也才符合物理規(guī)則。當(dāng)然,材質(zhì)真正運作方式不會按真正的材料方式行事,但這種做法讓數(shù)學(xué)式更容易處理。據(jù)我所知,只有Maxwell和Fryrender渲染器具有這樣的參數(shù)。
當(dāng)光線穿透到物質(zhì)當(dāng)中時,就會發(fā)生Sub-Surface Scattering(次表面散射)現(xiàn)象,光子會在物體內(nèi)部彈跳。光線在內(nèi)部相互作用會造成一些能量被吸收,通常是不同波長的光線,因此,當(dāng)光線最終彈出去時,顏色會比較暗而會帶有某些顏色。只有非導(dǎo)電物質(zhì)才會發(fā)生該現(xiàn)象,這是唯一一種情況非金屬物質(zhì)會產(chǎn)生有顏色的反射。所以,每次當(dāng)看到一個彩色的物體,而這個物體不是金屬,光線是穿透到物體內(nèi)部,在內(nèi)部反彈,過程中產(chǎn)生有顏色的光線,然后最后又彈出物體。
Mister3d回復(fù):
關(guān)于漫射,我不知道是不是有物理學(xué)上的根據(jù),但除非是被折射或折射優(yōu)先計算(假設(shè)漫設(shè)是黑色的),漫射數(shù)值應(yīng)該在20%~80%的亮度范圍內(nèi),這樣的設(shè)定能產(chǎn)生更好的照明效果,不會有過度曝光或是過黑的問題。
[size=85%] [size=85%]高光反射時會產(chǎn)生Isotropic(同向性反射)或Anisotropic(異向性反射)不同的類型,Anisotropic光線與物體表面凹槽垂直的方向作反射,而Isotropic則均勻分布的。 [size=85%] 談到攝影機,有曝光、運動模糊、景深、白平衡等效果,但其他效果主要是鏡頭造成的。曝光是指底片在光線底正常曝露多久,時間越久,曝光較亮,曝光是由f-number、快門速度和ISO控制。
運動模糊是因為快門打開足夠長的時間使運動物體在底片上留下痕跡。
景深大多由f-number控制,但也受到Film Gate影響,對寫實渲染效果非常重要,如macroshootion。
每個光源多少會有顏色(Color Temperature),但眼睛所看到的并不真實,當(dāng)我們觀看光源時,人眼很快會適應(yīng)訨你誤以為看到的是白燈,而白平衡是在白色的光源變得更藍(lán),藍(lán)的顏色變得更紅。[size=85%] [size=85%] 如何使用CG軟件來實現(xiàn)這些物理效果,是很難的問題,當(dāng)然,還必須考慮到屏幕的影響,必須還需要一個適當(dāng)?shù)男I浖?,包括色溫和伽瑪校正,可參?/font>[size=85%]http://forums.cgsociety.org/showthread.php?f=2&t=188341[size=85%],如果想制作物理寫實的算圖效果,就必須要控制這些參數(shù),最后是通過渲染器實現(xiàn)這個目標(biāo),無論是利用先進(jìn)的算法或是非物理算法來計算。
以上是基本解釋。
[size=85%]Playmesumch00ns回復(fù):
真實世界中,最反光的材料是Spectralon,可以反射大約90%的入射光,基本接近Lambertian的方式反射,而一張白皮書的反射率大約有80%。反射率最低的材料是Iirc,大約只有3%的反射,當(dāng)然在實驗室只可以會有1%或更低反射率的物質(zhì)。
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