三維動(dòng)畫(huà)中的構(gòu)成與染整技術(shù)

三維動(dòng)畫(huà)中的構(gòu)成與染整技術(shù)

維動(dòng)畫(huà)中的染色法應(yīng)用三維動(dòng)畫(huà)制作技術(shù)發(fā)展得越來(lái)越快，早期問(wèn)題已經(jīng)得到解決，比如液體、布料、頭發(fā)等。相比之下,渲染已經(jīng)成為最受關(guān)注并有待提高的領(lǐng)域。渲染在三維動(dòng)畫(huà)制作中占有舉足輕重的地位,無(wú)論多復(fù)雜的場(chǎng)景、多絢爛的特效,沒(méi)有好的渲染使之變?yōu)榫赖漠?huà)面,最后也是功虧一簣,同時(shí)也是對(duì)資源的巨大浪費(fèi)。渲染技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)是成績(jī)斐然,基本可以再現(xiàn)真實(shí)世界的任何景象與事物,進(jìn)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(gè)絢爛多彩的世界的。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)構(gòu)成的三維世界中,渲染器會(huì)把已經(jīng)存在的模型理解為具有不同構(gòu)成形態(tài)的“表面”(Surface),通過(guò)賦予表面不同的“著色器”(Shader)來(lái)定義它們的表面材質(zhì)屬性,這就是渲染器描述現(xiàn)實(shí)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(xiàn)金屬;蘭伯特(Lambert)著色器,一般用于表現(xiàn)啞光對(duì)象;風(fēng)(Phone)著色器,一般用于表現(xiàn)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(lái)表現(xiàn)具有復(fù)雜高光形態(tài)的物體;次表面散射(Subsurface)著色器,用來(lái)表現(xiàn)半透明或物體內(nèi)部具有折射現(xiàn)象的物質(zhì)?？傊?基本思路是對(duì)自然界物質(zhì)類型進(jìn)行大致分類,然后定義出表現(xiàn)它們的著色器類型來(lái)。這樣做的好處是簡(jiǎn)化了材質(zhì)的描述方法,大大提高了制作效率。通過(guò)以上著色器,理論上我們可以調(diào)節(jié)出世界上任何類型的材質(zhì)(見(jiàn)圖1)。除了基本的著色器類型,一些高端渲染器還會(huì)有自己的專項(xiàng)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(jí)別的影視制作還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了得到最佳的材質(zhì)表現(xiàn)效果,往往會(huì)根據(jù)需要編寫(xiě)一些新的著色器,而這取決于渲染器的拓展能力?，F(xiàn)實(shí)世界中,物體表面除了材質(zhì)屬性外,還具有紋理屬性,例如表面程度的凹凸、樹(shù)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(shí)的表現(xiàn)。所以渲染器引入了“紋理”(Texture)的概念,用來(lái)表現(xiàn)材質(zhì)千變?nèi)f化的不規(guī)則屬性。歸納起來(lái),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(yù)制好的,擁有大量可控參數(shù)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(lái)表現(xiàn)比較簡(jiǎn)單的圖案類型或表面,對(duì)于復(fù)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(dòng)畫(huà)、特效等方面,所以做為獨(dú)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(guò)加載數(shù)據(jù)集(Map),調(diào)用外部圖像文件的紋理類型。它的特點(diǎn)是快速、逼真、表現(xiàn)力強(qiáng)大,所以成為紋理表現(xiàn)的最主要手段。它的附著方式是拆解模型的貼圖坐標(biāo)(UV)。(3)漸變紋理(GradientTexture)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),這是程序紋理的一種,但是它所具有的特殊性和應(yīng)用的廣泛性,使它被單獨(dú)劃分開(kāi)來(lái)。以上就是渲染器描述世界的基本思路。除此之外,一些常見(jiàn)的自然現(xiàn)象,例如煙、火、云、電等等,渲染器都有相應(yīng)的表現(xiàn)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(zhì),例如鏡子、金屬、塑料、玻璃、玉石、蠟燭等等。有效、真實(shí)地表現(xiàn)這些物理現(xiàn)象,一直是渲染技術(shù)孜孜不倦、努力追求的目標(biāo)。在“光線追蹤”算法沒(méi)得到廣泛應(yīng)用之前,表現(xiàn)物質(zhì)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(jù),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(jiàn)圖2)。下面我們來(lái)看看什么是光線追蹤(RayTracing)。光線追蹤是當(dāng)下最為流行的渲染算法,它的基本原理是逆向跟蹤進(jìn)入虛擬攝像機(jī)鏡頭的光路。當(dāng)光線離開(kāi)燈到達(dá)一個(gè)物體表面的時(shí)候,會(huì)受到三種因素的影響:吸收、反射與折射。光滑物體會(huì)將光線按照鏡像角度反射出去。當(dāng)光線遇到透明或半透明物體時(shí),部分光線會(huì)改變光路穿透物體產(chǎn)生折射。理論上,吸收會(huì)始終伴隨這個(gè)過(guò)程,絕對(duì)的反射、折射是很沒(méi)有的。光線就這樣不斷地反射、折射,最終到達(dá)攝像機(jī)鏡頭,產(chǎn)生我們看到的渲染圖像。由于光源發(fā)射出來(lái)的光線經(jīng)過(guò)不斷消耗,大部分不會(huì)出現(xiàn)在攝像機(jī)鏡頭中,所以對(duì)于構(gòu)建可見(jiàn)信息來(lái)說(shuō),逆向跟蹤比真實(shí)計(jì)算光線交互效率要高。光線追蹤算法的廣泛應(yīng)用得益于它的真實(shí),像反射、折射、陰影這些對(duì)于其它算法很難實(shí)現(xiàn)的效果,對(duì)光線追蹤來(lái)說(shuō)卻是一種自然的結(jié)果。有了光線追蹤,得到逼真的反射與折射變得如此輕松,設(shè)置好參數(shù),調(diào)整好品質(zhì),剩下的就讓光線追蹤自己去計(jì)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(jì)算量巨大、消耗資源嚴(yán)重的不足。今天,絕大多數(shù)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(zhì)已經(jīng)決定了一個(gè)渲染器的好壞?；诠饩€追蹤的一些高級(jí)渲染功能也開(kāi)始被廣泛應(yīng)用。3不同技術(shù)的發(fā)展早期三維制作渲染出來(lái)的畫(huà)面效果是差強(qiáng)人意的,主要原因是渲染器無(wú)法計(jì)算現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境光照。光線照射到物體后并不能進(jìn)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(huà)面的真實(shí)度。為了彌補(bǔ)這些缺憾,制作人員嘗試使用燈光陣列(用大量燈光進(jìn)行有序排列,產(chǎn)生多角度照明與模糊陰影)作為環(huán)境光來(lái)調(diào)整畫(huà)面效果。這種方法不但速度慢、耗費(fèi)資源,并且效果也不理想。所以早期的三維動(dòng)畫(huà)作品畫(huà)面有一種虛假、單調(diào)、色彩匱乏的感覺(jué)。隨著時(shí)間的推移,情況發(fā)生了改變。渲染器終于可以營(yíng)造出真實(shí)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(chǎng)景發(fā)生真實(shí)的交互,從而帶來(lái)更為逼真的環(huán)境照明。全局照明算法種類繁多,效率與結(jié)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(lái)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(dòng)了一批商用渲染器,最著名的就是Lightscape。這款產(chǎn)品十年前曾風(fēng)靡一時(shí),主要用于建筑與室內(nèi)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,雖然速度較慢,但渲染效果出色。通過(guò)Lightscape,人們改變了對(duì)三維渲染的糟糕印象,開(kāi)始認(rèn)識(shí)到三維制作的巨大潛力。后來(lái)這個(gè)軟件被Autodesk公司收購(gòu)并內(nèi)置于3dsmax中,停止了繼續(xù)開(kāi)發(fā)。雖然已時(shí)光久遠(yuǎn),但很多人仍對(duì)它念念不忘,原因就是Lightscape當(dāng)初帶給了人們以強(qiáng)烈的震撼。(2)蒙特卡洛(MonteCarlo):基于光線追蹤的算法。這個(gè)名字來(lái)源于數(shù)學(xué)中的蒙特卡洛積分,是通過(guò)對(duì)大量隨機(jī)數(shù)據(jù)采樣,求預(yù)期值的算法。蒙特卡洛這一類算法在上世紀(jì)90年代得到了長(zhǎng)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(lǐng)域興極一時(shí)。光能傳遞和蒙特卡洛算法,從數(shù)學(xué)角度看是對(duì)“光的傳輸方程”的兩種不同解法。前者通過(guò)有限元算法(FiniteElementMethod)來(lái)求解,后者通過(guò)概率積分(ProbabilityIntegral)來(lái)求解。對(duì)于現(xiàn)有的全局照明類渲染器,我們通過(guò)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(shí)場(chǎng)景會(huì)被大量分割,同時(shí)按照指定的精度去計(jì)算面與面之間的交互關(guān)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(chǎn)生大量的隨機(jī)光線或粒子模擬光線傳播,通常還會(huì)跟隨一個(gè)最終聚集(FinalGather)的過(guò)程,用來(lái)做概率積分。這兩類全局照明方法具有各自的優(yōu)缺點(diǎn):光能傳遞算法間接照明效果出色、準(zhǔn)確,可是存在兼容性差、處理反射表面困難、內(nèi)存需求量大等弱點(diǎn);蒙特卡洛算法靈活、適應(yīng)范圍廣泛、集成度高,但隨機(jī)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(diǎn),所以現(xiàn)在經(jīng)常配合一些降噪手段一起使用。今天,蒙特卡洛算法越來(lái)越成為主流,最具代表性的渲染器就是MentalRay。該款產(chǎn)品是由德國(guó)的MentalImages公司(現(xiàn)已被Nvidia公司收購(gòu))開(kāi)發(fā)的一款獨(dú)立渲染器。由于具有品質(zhì)高、拓展能力強(qiáng)等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于影視行業(yè)。從上個(gè)世紀(jì)90年代開(kāi)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(jiǎn)單、實(shí)用,特別是在計(jì)算焦散(Caustic)效果上優(yōu)勢(shì)明顯。(3)點(diǎn)云(PointBasedRendering)。這種方法提出相對(duì)較晚,但實(shí)用價(jià)值很高。主要用于影視領(lǐng)域,極大改善了電影的制作效果。點(diǎn)云概念首先由Nvidia公司的高級(jí)工程師米歇爾·伯內(nèi)爾(MichaelBunnell)提出,后被Pixar公司成功應(yīng)用到自己的電影制作流程中,這在當(dāng)時(shí),成為一項(xiàng)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(chǎn)生非常真實(shí)的照明效果,但在電影領(lǐng)域并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用———光線追蹤需要在場(chǎng)景中產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的射線,光能傳遞需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行大量分割,這些都需要消耗大量計(jì)算資源和渲染時(shí)間,大部分電影制作負(fù)擔(dān)不起這樣的渲染成本。所以基于點(diǎn)云的渲染技術(shù)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(lái)看看什么是“點(diǎn)云”。我們可以把點(diǎn)云理解為附加在模型表面上的點(diǎn)狀集合體(點(diǎn)與點(diǎn)之間有一定的距離)。點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)都帶有一個(gè)或多個(gè)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(diǎn)云渲染的大致原理是:首先將場(chǎng)景中的模型與燈光信息烘焙到一個(gè)點(diǎn)云文件中,這樣點(diǎn)云文件中的每個(gè)點(diǎn)就帶有了相關(guān)信息。這里要說(shuō)明的是:點(diǎn)云描述的是場(chǎng)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(jì)算多邊形信息,時(shí)間成本得到了非?？捎^的優(yōu)化。第二步,渲染器會(huì)根據(jù)賦予模型的著色器信息,把點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成具有一定半徑的碟形,在沒(méi)有光線追蹤參與的情況下計(jì)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(diǎn)云技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì):渲染速度大幅度提升,最高可提升10倍;沒(méi)有噪點(diǎn)出現(xiàn);渲染色溢效果好、速度快;渲染置換不會(huì)增加額外的時(shí)間成本等等。點(diǎn)云的優(yōu)勢(shì)還在于它的靈活性。點(diǎn)云渲染可以根據(jù)少量的燈光生成點(diǎn)云文件,并且可以精確地定位和選擇性渲染,例如可以讓點(diǎn)云只渲染離鏡頭較近的物體,離鏡頭較遠(yuǎn)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(diǎn)。由于點(diǎn)云具有創(chuàng)新性的技術(shù)優(yōu)勢(shì),所以為電影工業(yè)生產(chǎn)開(kāi)創(chuàng)了嶄新的局面。4視野里的個(gè)人所能近些年,越來(lái)越多的高端渲染器出現(xiàn)在我們的視野里,個(gè)個(gè)模塊齊全、功能強(qiáng)大。如何對(duì)這些渲染器進(jìn)行評(píng)價(jià)、比較、選擇呢?首先,一款好的渲染器應(yīng)該具備以下特點(diǎn)。(1)染色粉的確性衡量渲染器的首要因素就是渲染品質(zhì)。材質(zhì)的表現(xiàn)力、算法的精確性,畫(huà)面的細(xì)膩程度,都直接體現(xiàn)了渲染品質(zhì)。不同的渲染器雖然具有類似功能,但是在具體表現(xiàn)和呈現(xiàn)的效果上卻大不相同,導(dǎo)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(dāng)兩款渲染器渲染品質(zhì)相同,判定高低的標(biāo)準(zhǔn)就是速度。渲染時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)大大延長(zhǎng)生產(chǎn)周期,增加生產(chǎn)成本,這是商業(yè)制作絕對(duì)不能接受的。反過(guò)來(lái),同樣的畫(huà)面質(zhì)量但速度能得到保證,這樣的渲染器一定會(huì)大放異彩。決定渲染器速度的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的Prman渲染器向來(lái)以快速、精確、細(xì)膩著稱,在業(yè)界難逢對(duì)手。擁有如此驕人成績(jī),離不開(kāi)它的StochasticSampling反走樣算法。我們可以得出這樣的結(jié)論,優(yōu)秀的渲染器應(yīng)該是速度與質(zhì)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(zhì)量與速度上占有優(yōu)勢(shì),還應(yīng)該具備強(qiáng)大的拓展能力。MentalRay與Prman可以說(shuō)是電影工業(yè)的渲染標(biāo)準(zhǔn)。它們能夠稱霸電影業(yè),不僅是因?yàn)樽陨淼膬?yōu)秀品質(zhì),還因?yàn)樗鼈儞碛袕?qiáng)大的拓展能力和靈活性。即時(shí)染染器渲染技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,以后的進(jìn)步也將會(huì)更加迅速。目前而言,即時(shí)渲染(RealTimeRendering)已經(jīng)成為了炙手可熱的渲染技術(shù)新課題。所謂即時(shí)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(dòng)畫(huà)級(jí)別的。即時(shí)渲染可以涵蓋所有的渲染元素,包括材質(zhì)表面屬性、