三維動畫中的構成與染整技術

三維動畫中的構成與染整技術

維動畫中的染色法應用三維動畫制作技術發(fā)展得越來越快，早期問題已經得到解決，比如液體、布料、頭發(fā)等。相比之下,渲染已經成為最受關注并有待提高的領域。渲染在三維動畫制作中占有舉足輕重的地位,無論多復雜的場景、多絢爛的特效,沒有好的渲染使之變?yōu)榫赖漠嬅?最后也是功虧一簣,同時也是對資源的巨大浪費。渲染技術發(fā)展到今天已經是成績斐然,基本可以再現真實世界的任何景象與事物,進步明顯,但仍存在著不足。1著色器的類型首先,讓我們看看渲染器是如何描述我們眼前這個絢爛多彩的世界的。在計算機圖形學構成的三維世界中,渲染器會把已經存在的模型理解為具有不同構成形態(tài)的“表面”(Surface),通過賦予表面不同的“著色器”(Shader)來定義它們的表面材質屬性,這就是渲染器描述現實世界的基本方法。通常著色器可以被定義為幾大類,它們分別是布林(Blin)著色器,一般用于表現金屬;蘭伯特(Lambert)著色器,一般用于表現啞光對象;風(Phone)著色器,一般用于表現塑料、不銹鋼等具有銳利高光的物體;各向異性(Anisotropic)著色器,用來表現具有復雜高光形態(tài)的物體;次表面散射(Subsurface)著色器,用來表現半透明或物體內部具有折射現象的物質?？傊?基本思路是對自然界物質類型進行大致分類,然后定義出表現它們的著色器類型來。這樣做的好處是簡化了材質的描述方法,大大提高了制作效率。通過以上著色器,理論上我們可以調節(jié)出世界上任何類型的材質(見圖1)。除了基本的著色器類型,一些高端渲染器還會有自己的專項著色器,例如玻璃、皮膚、車漆著色器等。普遍意義上的著色器是商業(yè)軟件的通常做法,要滿足高級別的影視制作還是遠遠不夠的。為了得到最佳的材質表現效果,往往會根據需要編寫一些新的著色器,而這取決于渲染器的拓展能力?，F實世界中,物體表面除了材質屬性外,還具有紋理屬性,例如表面程度的凹凸、樹樁的年輪、布料的花色、骯臟的墻面等等,這些都需要予以真實的表現。所以渲染器引入了“紋理”(Texture)的概念,用來表現材質千變萬化的不規(guī)則屬性。歸納起來,它們可大致分為三種。(1)程序紋理(ProcedureTexture)。這種類型的紋理依靠軟件自身生成,是預制好的,擁有大量可控參數的紋理類型。它的附著方式依賴于三維映射。程序紋理一般用來表現比較簡單的圖案類型或表面,對于復雜、自然天成的圖形,它顯得力不從心。程序紋理最重要的用途是在制作紋理動畫、特效等方面,所以做為獨立的紋理類型,它是不可或缺的。(2)圖像紋理(ImageTexture)。這種紋理類型是通過加載數據集(Map),調用外部圖像文件的紋理類型。它的特點是快速、逼真、表現力強大,所以成為紋理表現的最主要手段。它的附著方式是拆解模型的貼圖坐標(UV)。(3)漸變紋理(GradientTexture)。嚴格來說,這是程序紋理的一種,但是它所具有的特殊性和應用的廣泛性,使它被單獨劃分開來。以上就是渲染器描述世界的基本思路。除此之外,一些常見的自然現象,例如煙、火、云、電等等,渲染器都有相應的表現技巧。2逆向追蹤算法我們身邊的很多物體或多或少都帶有反射和折射性質,例如鏡子、金屬、塑料、玻璃、玉石、蠟燭等等。有效、真實地表現這些物理現象,一直是渲染技術孜孜不倦、努力追求的目標。在“光線追蹤”算法沒得到廣泛應用之前,表現物質反射、折射最常用的辦法就是模擬:用一張與周圍環(huán)境匹配的紋理貼圖作為反射、折射的依據,速度雖然快,但效果不佳。隨著光線追蹤算法效率的不斷提升,這種情況得到了極大的改善(見圖2)。下面我們來看看什么是光線追蹤(RayTracing)。光線追蹤是當下最為流行的渲染算法,它的基本原理是逆向跟蹤進入虛擬攝像機鏡頭的光路。當光線離開燈到達一個物體表面的時候,會受到三種因素的影響:吸收、反射與折射。光滑物體會將光線按照鏡像角度反射出去。當光線遇到透明或半透明物體時,部分光線會改變光路穿透物體產生折射。理論上,吸收會始終伴隨這個過程,絕對的反射、折射是很沒有的。光線就這樣不斷地反射、折射,最終到達攝像機鏡頭,產生我們看到的渲染圖像。由于光源發(fā)射出來的光線經過不斷消耗,大部分不會出現在攝像機鏡頭中,所以對于構建可見信息來說,逆向跟蹤比真實計算光線交互效率要高。光線追蹤算法的廣泛應用得益于它的真實,像反射、折射、陰影這些對于其它算法很難實現的效果,對光線追蹤來說卻是一種自然的結果。有了光線追蹤,得到逼真的反射與折射變得如此輕松,設置好參數,調整好品質,剩下的就讓光線追蹤自己去計算好了。不得不提的是,光線追蹤算法效果雖然出眾,但也存在計算量巨大、消耗資源嚴重的不足。今天,絕大多數商業(yè)渲染器都是基于光線追蹤類型的渲染器。光線追蹤的品質已經決定了一個渲染器的好壞?；诠饩€追蹤的一些高級渲染功能也開始被廣泛應用。3不同技術的發(fā)展早期三維制作渲染出來的畫面效果是差強人意的,主要原因是渲染器無法計算現實世界的環(huán)境光照。光線照射到物體后并不能進行反彈,被照射之外的區(qū)域是一片漆黑的,這大大降低了畫面的真實度。為了彌補這些缺憾,制作人員嘗試使用燈光陣列(用大量燈光進行有序排列,產生多角度照明與模糊陰影)作為環(huán)境光來調整畫面效果。這種方法不但速度慢、耗費資源,并且效果也不理想。所以早期的三維動畫作品畫面有一種虛假、單調、色彩匱乏的感覺。隨著時間的推移,情況發(fā)生了改變。渲染器終于可以營造出真實的環(huán)境照明了,這種方法我們稱之為“全局照明”(GlobeIllumination)。所謂全局照明就是摒棄光照的單一效果,使光路與場景發(fā)生真實的交互,從而帶來更為逼真的環(huán)境照明。全局照明算法種類繁多,效率與結果也不盡相同,大致可以分為幾類。(1)光能傳遞(Radiosity)。由“有限元”算法演變而來的各種全局照明算法可以統(tǒng)稱為光能傳遞算法。這種算法帶動了一批商用渲染器,最著名的就是Lightscape。這款產品十年前曾風靡一時,主要用于建筑與室內設計領域,雖然速度較慢,但渲染效果出色。通過Lightscape,人們改變了對三維渲染的糟糕印象,開始認識到三維制作的巨大潛力。后來這個軟件被Autodesk公司收購并內置于3dsmax中,停止了繼續(xù)開發(fā)。雖然已時光久遠,但很多人仍對它念念不忘,原因就是Lightscape當初帶給了人們以強烈的震撼。(2)蒙特卡洛(MonteCarlo):基于光線追蹤的算法。這個名字來源于數學中的蒙特卡洛積分,是通過對大量隨機數據采樣,求預期值的算法。蒙特卡洛這一類算法在上世紀90年代得到了長足發(fā)展,各種新的方案層出不窮,與光能傳遞一起,在研究領域興極一時。光能傳遞和蒙特卡洛算法,從數學角度看是對“光的傳輸方程”的兩種不同解法。前者通過有限元算法(FiniteElementMethod)來求解,后者通過概率積分(ProbabilityIntegral)來求解。對于現有的全局照明類渲染器,我們通過一些明顯特征,很容易判別它屬于哪一類。有限元算法意味著渲染時場景會被大量分割,同時按照指定的精度去計算面與面之間的交互關系,有如此功能步驟的算法一定是光能傳遞算法。蒙特卡洛算法最明顯的特征則是產生大量的隨機光線或粒子模擬光線傳播,通常還會跟隨一個最終聚集(FinalGather)的過程,用來做概率積分。這兩類全局照明方法具有各自的優(yōu)缺點:光能傳遞算法間接照明效果出色、準確,可是存在兼容性差、處理反射表面困難、內存需求量大等弱點;蒙特卡洛算法靈活、適應范圍廣泛、集成度高,但隨機性是其致命缺陷。蒙特卡洛算法生成的圖像中往往含有大量噪點,所以現在經常配合一些降噪手段一起使用。今天,蒙特卡洛算法越來越成為主流,最具代表性的渲染器就是MentalRay。該款產品是由德國的MentalImages公司(現已被Nvidia公司收購)開發(fā)的一款獨立渲染器。由于具有品質高、拓展能力強等特點,被廣泛應用于影視行業(yè)。從上個世紀90年代開始,被陸續(xù)集成到Softimage、Maya、3dmax中。MentalRay使用的全局照明算法稱為光子貼圖(PhotonMap),是蒙特卡洛算法的一種。這種算法簡單、實用,特別是在計算焦散(Caustic)效果上優(yōu)勢明顯。(3)點云(PointBasedRendering)。這種方法提出相對較晚,但實用價值很高。主要用于影視領域,極大改善了電影的制作效果。點云概念首先由Nvidia公司的高級工程師米歇爾·伯內爾(MichaelBunnell)提出,后被Pixar公司成功應用到自己的電影制作流程中,這在當時,成為一項驚人創(chuàng)舉。前面我們提到的“光線追蹤”與“光能傳遞”,雖然都能產生非常真實的照明效果,但在電影領域并沒有得到廣泛應用———光線追蹤需要在場景中產生數以萬計的射線,光能傳遞需要對場景進行大量分割,這些都需要消耗大量計算資源和渲染時間,大部分電影制作負擔不起這樣的渲染成本。所以基于點云的渲染技術意義非凡,它在光線追蹤和光能傳遞之外,提供給我們一套更為靈活和高效的解決方案。首先來看看什么是“點云”。我們可以把點云理解為附加在模型表面上的點狀集合體(點與點之間有一定的距離)。點云中的每個點都帶有一個或多個通道信息,例如照明信息、環(huán)境光阻塞信息(OCC)、位置信息、法線信息、色溢信息等等。點云渲染的大致原理是:首先將場景中的模型與燈光信息烘焙到一個點云文件中,這樣點云文件中的每個點就帶有了相關信息。這里要說明的是:點云描述的是場景模型的近似信息,是模型的大致輪廓。相比光線追蹤精確計算多邊形信息,時間成本得到了非?？捎^的優(yōu)化。第二步,渲染器會根據賦予模型的著色器信息,把點云中的每個點轉換成具有一定半徑的碟形,在沒有光線追蹤參與的情況下計算色溢和環(huán)境光阻塞的分布信息。渲染效果媲美光線追蹤,但速度卻快得驚人。相比傳統(tǒng)全局照明方案,點云技術具有以下優(yōu)勢:渲染速度大幅度提升,最高可提升10倍;沒有噪點出現;渲染色溢效果好、速度快;渲染置換不會增加額外的時間成本等等。點云的優(yōu)勢還在于它的靈活性。點云渲染可以根據少量的燈光生成點云文件,并且可以精確地定位和選擇性渲染,例如可以讓點云只渲染離鏡頭較近的物體,離鏡頭較遠的物體和區(qū)域則可排除在外,這樣做的好處是能在最佳效果與最低能耗之間找到平衡點。由于點云具有創(chuàng)新性的技術優(yōu)勢,所以為電影工業(yè)生產開創(chuàng)了嶄新的局面。4視野里的個人所能近些年,越來越多的高端渲染器出現在我們的視野里,個個模塊齊全、功能強大。如何對這些渲染器進行評價、比較、選擇呢?首先,一款好的渲染器應該具備以下特點。(1)染色粉的確性衡量渲染器的首要因素就是渲染品質。材質的表現力、算法的精確性,畫面的細膩程度,都直接體現了渲染品質。不同的渲染器雖然具有類似功能,但是在具體表現和呈現的效果上卻大不相同,導致這些差別的主要原因是渲染器的核心算法不同。(2)prman煉焦法制備反走樣算法當兩款渲染器渲染品質相同,判定高低的標準就是速度。渲染時間過長,會大大延長生產周期,增加生產成本,這是商業(yè)制作絕對不能接受的。反過來,同樣的畫面質量但速度能得到保證,這樣的渲染器一定會大放異彩。決定渲染器速度的關鍵環(huán)節(jié)是反走樣算法。反走樣算法是否高效,直接決定了渲染器的速度?；赗enderman標準的Prman渲染器向來以快速、精確、細膩著稱,在業(yè)界難逢對手。擁有如此驕人成績,離不開它的StochasticSampling反走樣算法。我們可以得出這樣的結論,優(yōu)秀的渲染器應該是速度與質量的完美平衡。(3)拓展能力與電影工業(yè)一款優(yōu)秀的渲染器除了在質量與速度上占有優(yōu)勢,還應該具備強大的拓展能力。MentalRay與Prman可以說是電影工業(yè)的渲染標準。它們能夠稱霸電影業(yè),不僅是因為自身的優(yōu)秀品質,還因為它們擁有強大的拓展能力和靈活性。即時染染器渲染技術發(fā)展到今天已經取得了長足的發(fā)展,以后的進步也將會更加迅速。目前而言,即時渲染(RealTimeRendering)已經成為了炙手可熱的渲染技術新課題。所謂即時渲染就是制作與渲染的同步更新能力,這種同步更新也可以是動畫級別的。即時渲染可以涵蓋所有的渲染元素,包括材質表面屬性、