vray在三維動畫中的應用

vray在三維動畫中的應用

0vroa煉焦短片與傳統(tǒng)藝術相比，動畫是一種新興的藝術作品。經過近10年的發(fā)展，動畫設計逐漸進入了一個百花齊放的時期。與此同時,三維動畫也在當今的數字時代如雨后春筍般茁壯成長,三維動畫短片繼三維動畫出現之后走入了人們的視線。由于制作成本低、周期短以及短小精練的故事情節(jié)等動畫電影無可比擬的優(yōu)點,三維動畫短片贏得了越來越多觀眾的關注和青睞。在世界數字多媒體技術百花齊放的今天,人們不再滿足于傳統(tǒng)二維的視覺效果,而更傾向于逼真絢麗多彩的畫面特效,因此制作水平尤其是圖像渲染器的應用更加成為三維動畫技術的關鍵所在。VRAY渲染器于2001年問世,在各種渲染器的競爭中,以速度快、效率高而聞名,發(fā)展至今獲得了越來越多的追隨者。然而其在動畫中的應用卻是一直無法引起三維動畫業(yè)界的關注,甚至在三維動畫制作中的應用也是比較少見。盡管如此,仍然出現了一批成功的作品,例如PS2電子游戲大作《鬼舞者3》的開場三維動畫在美國E3游戲大展上獲得2005年度游戲動畫短片第2名,短片所采用的正是VRAY渲染器(如圖一)。由此可見,VRAY在動畫中的應用潛力是十分巨大的。1渲染器1.1突出的三維特性,提高三維軟件在三維渲染是三維動畫“集大成”的部分,既集中了圖像最復雜的和精妙的算法,又負責輸出成片質量的把關,甚至解決了動畫制作的瓶頸,因此渲染器和三維軟件密不可分。早期的渲染器內置于軟件,令人可惜的是可供數字藝術家選擇的太少,在一定程度上影響了數碼媒體創(chuàng)作的發(fā)展空間。然而從上世紀80年代末RenderMan誕生,到MentalRay的出現,再到VRAY橫空出世,CG業(yè)界出現了各自的熱情追隨者,因為它們的出現都會給CG藝術帶來更豐富的創(chuàng)作手法和變化。1.2vroa歷史上簡介當前,CG業(yè)界出現的渲染器已經不下幾十種,除了上文提到的幾種之外,還有諸如Maxwell、Turtle和Finalrender。每一款渲染器都誕生了偉大的作品,每一款都具有不同的特性。VRAY渲染器由3DSMAX軟件最大的插件生產商ChaosGroup公司于2001年開發(fā)完成,并在同一年正式推向市場,目前已經開發(fā)到2.0版本。最新版本的VRAY渲染器適用于3DSMAX的同時,還支持MAYA、XSI、RHINO等其他三維軟件。由于它的計算快速、操作的人性化,現在已經成功應用于電子游戲、產品效果圖、影視制作等各種CG設計行業(yè),特別是廣泛應用于建筑表現行業(yè)。如CAPCOM游戲公司的《鬼武者3》、中央電視臺的《克里夫蘭號》紀錄片、水晶石公司的建筑效果圖(如圖二至圖五所示)。圖五別墅效果圖2對rv相機成像的真實探索2.1維動畫模擬動畫可以分為傳統(tǒng)的二維動畫和近十年來急速發(fā)展的三維動畫。這里的二維動畫是指傳統(tǒng)的動畫設計方法,動畫師在透明膠片上將物體主角和動畫背景分別進行繪制,然后層疊在一起形成完整的動畫畫面。而日益進步的計算機科技與出色的軟件動畫師的聯合為三維動畫提供了巨大的發(fā)展動力,越來越多的三維動畫在計算機上直接制作完成,利用計算機強大的運算能力還能繪制出自然奇妙、瞬間特效等手繪無法完成的畫面。正因其視覺效果上的真實性,所以能在當今動畫發(fā)展中占據主流位置,如圖六至圖七所示。2.2動畫過程的構圖與語言重構渲染是三維動畫制作的最重要的一步,要想形神合一地把精準的模型、生動的畫面、逼真的材質、真實的燈光完美地讓觀眾感受到,都需要經過最后的渲染形成可視化的圖像。嚴格地說,如果動畫畫面渲染得不到位,會讓整個制作前功盡棄。對于大多數三維動畫藝術家而言,渲染只是一個點擊“Render”按鈕,然后等待的過程。在這么看似簡單的過程背后,其實隱藏著極其精妙復雜的計算。所謂渲染,其實就是根據光學物理的有關定律,計算場景中所有物體可見表面上任一點投向觀察者眼中的光亮度的大小和色彩。渲染在嚴格意義上是一個采樣(Sampling)和重構(Reconstruction)的過程:對抽象三維場景進行采樣、對采樣結果進行可視化重構。采樣包含了渲染的主要步驟,包括消隱(Hiding)和著色(Shading)(如圖八所示)。當前的動畫渲染主要有兩種發(fā)展方向:一種是追求真實的照片級圖像質量的渲染(PhotorealisticRendering);一種是追求特殊藝術效果的非真實渲染(NPR,Non-PhotorealisticRendering)。VRAY所具備的真實感渲染是目前大多數三維動畫作品追求的效,主要用于虛擬現實、影視特效、圖形仿真、廣告、電腦游戲等領域。真實性和實時性是它的研究要點,它可分為局部照明渲染和全局照明渲染,其中HDR技術在全局照明渲染中占據著關鍵的地位。2.2.1局部照明的計算速度比較局部照明也稱為直接照明(directillumination),只計算光源發(fā)出的光直接照射在物體表面所產生的光照效果,物體表面通常被假定為不透明,且具有均勻的反射率。局部照明能表現由光源直接照射在漫射表面上形成的連續(xù)明暗色調、鏡面上的高光以及由于物體相互遮擋而形成的陰影等(如圖九至圖十中產生的高光的色調變化以及由于空間的遮擋關系產生的陰影)。但它不考慮周圍環(huán)境對當前物體表面的光照影響,忽略了光在環(huán)境中各物體之間的傳遞,因而在局部照明中,直接光照不到的地方是黑暗的,陰影的邊緣也是硬的,很難表現自然界復雜場景中的很多光照現象,因而是片面的、不完全真實的(如圖九至圖十,陰影是完全黑暗的)。但是由于參與計算的光照少,因此它的計算速度非?？?。根據它的特性,在以VRAY為渲染器的動畫制作中通常起到快速預覽的作用,有利于貼圖和燈光設置的多次調整和修正。2.2.2vroa染色環(huán)境中光照的模擬三維動畫場景的真實感,極大程度上取決于光照的真實感,如果想得到真實的照片級圖像效果就必須采用全局照明(以下簡稱為GI)的方法。GI是一種重要而普遍的照明技術,它能清晰地表現出物體在虛擬空間中的相互光照影響,即考慮了場景中光線與物體之間的位置與色彩關系以及物體與物體之間相互影響而引起的所有間接照明(Indirectlllumi-nation)情況。它可以模擬自然界中的各種光照現象,例如:漫反射、鏡面反射、折射、次表面光線散射(1)、顏色滲透(2)和焦散(3)等效果(如圖十一,球體底面有了紅色地板光線的反射不僅得到了光照,還出現了紅色的反光),還能夠形成柔和的陰影(圖十一至圖十二,陰影處有了更多光線的照射而顯得通透,陰影邊緣也自然而真實)。在VRAY渲染器環(huán)境中,三維動畫場景如果能充分把握好GI與場景的關系,將能夠自動分析出場景中存在的燈光。將發(fā)光體(燈光)當成一個具有長寬高的面體積來看待,這樣發(fā)出的光線不會像缺省下的燈光那樣從一個無限小的點出發(fā),而是從一個面發(fā)光,計算得出的結果就模擬出了現實中真實的物理特性。因此所有的光線投射出的陰影都具有隨著距離投影物體遠去而變得模糊柔和的特性,這一特性也是三維動畫的畫面真實感的來源之一。2.3動態(tài)光照渲染GI全局光照能夠把單一的光照分解計算成為面燈光,然而在物體局部的顏色傾向與光源的強弱上卻缺乏現實光照的多樣性。因此,在應用GI技術的同時為了進一步加強場景照明的真實性,我們可以使用HDR技術模擬出真實光照的顏色傾向與強弱。HDR(Hygh-DynamicRange)高動態(tài)光照渲染,與之對應的是LDR(Low-DynamicRange),即CCD(數碼相機的感光元件)的動態(tài)范圍有限,顏色表征范圍小,很強或很弱光會造成類似膠片曝光過度或曝光不足的結果,損失細節(jié),層次感不夠豐富。而HDR的CCD動態(tài)感光范圍大,在比較極端的光線條件下仍能捕捉到細節(jié),這項照明技術主要是依靠HDRI(Hygh-DynamicRangeImage)高范圍動態(tài)圖像來實現的。HDRI不同于一般的環(huán)境貼圖,不僅保存了真實場景的圖像信息,還包含了從極端光亮到極端黑暗的真實光照信息(如圖十三所示)。VRAY渲染器里的環(huán)境貼圖里應用HDRI技術,由于燈光的方向、強弱、色彩等數據是從HDRI里讀取的,從而為三維動畫場景提供真實的環(huán)境光照。與普通簡單的全局光照相比,應用了HDR技術的光影效果更加柔和,畫面效果更加突出與真實(如圖十四至十五所示)。3蘆葦組渲染3.1位計算的困難隨著視頻技術的不斷發(fā)展,當動畫越來越逼真、模型越來越細膩、渲染要求越來越高的情況下,伴隨著文件變大、素材庫變大,龐大的數據處理將使得32位計算本身在架構上就成為一個瓶頸。對任何制作人員而言,等待最終結果都是漫長和無趣的,如果客戶催促,則更是令人感到煩心。三維動畫短片雖然相比于動畫電影在時間方面處于優(yōu)勢,但是由于高質量三維動畫短片的場景和特效的復雜,單幀往往需要大量時間進行著色渲染,因此單機渲染和動畫生成計算仍然非常耗時,渲染一個復雜的動畫鏡頭可能要占用幾天時間。如果以一般習慣的單帖幀渲染方式,想看到類似《魔戒》這樣的畫面特效難度十分巨大。3.2vroa網絡的自動與智能化所謂的VRAY集群渲染平臺,是利用集群計算機的優(yōu)勢,通過VRAY軟件的服務器渲染功能,充分利用集群網絡中的計算機硬件資源將復雜的三維動畫場景通過大量計算,生成預覽圖像或最終動畫圖像,以供效果調整審定或后期制作合成之用。整個過程是自動化和智能化的,它代表了制作技術的發(fā)展方向。這一革命性變革,不僅打破了傳統(tǒng)的孤島式的制作方式,而且優(yōu)化配置了整個網絡資源,減少了原來因分散造成的資源浪費。并且,它可根據制作需求,隨時增加VRAY網絡中渲染單元。通過VRAY采用網絡集群渲染極大地提高了制作效率,節(jié)約了制作時間并提高了設備利用率,而且可以提高系統(tǒng)的容錯能力,保護工作成果。3.3系統(tǒng)程序的響應VRAY渲染器中的網絡集群渲染的典型工作流程是:(1)用3D軟件制作3D場景后,輸出渲染器能接受的文件,通過VRAY軟件該文件提交給管理服務器。(2)管理服務器啟動以后,通知VRAY管理軟件有工作需要進行渲染。(3)VRAY管理軟件查找網絡上的空閑節(jié)點,并把工作分配下去。(4)空閑渲染節(jié)點接到任務后,開始渲染工作,并把工作情況實時報告給管理服務器。(5)管理服務器把收到的信息反饋給VRAY管理軟件,同時把信息反饋給用戶。(7)整個場景渲染完成,用戶得到可以應用的圖片序列。這種集群式的網絡渲染方式和單幀渲染方式的差距,就是能在同一時間聯合發(fā)揮計算機的硬件優(yōu)勢,效率與單幀相比是天壤之別的。4維動畫