三維動(dòng)畫全流程活頁式項(xiàng)目化教程（Maya 2023版） 課件 5 項(xiàng)目四：三維動(dòng)畫制作燈光渲染篇

（搭配數(shù)字化課程資源）5項(xiàng)目五：三維動(dòng)畫制作燈光渲染篇（搭配數(shù)字化課程資源）在屏幕上呈現(xiàn)的三維物體的明暗和顏色，會(huì)受場景的光照的影響，如何計(jì)算這些光照造成的明暗顏色呢？一般來說有三種方法：一、基于光柵化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突诮?jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)物體上的光照，似乎可以分成3種：漫反射、高光、環(huán)境光，我們把這3種光線分別計(jì)算出來，再疊加在一起。如經(jīng)典的布林-馮著色模型：漫反射計(jì)算：任何物體表面都有，等于光線強(qiáng)度*光照角度*漫反射系數(shù)。高光計(jì)算：光滑表面才有，等于光照強(qiáng)度*觀測角度*高光系數(shù)。環(huán)境光：用一個(gè)常數(shù)表示，作用是不至于沒光線直線的地方完全黑。布林-馮著色模型的優(yōu)點(diǎn)：1.相對(duì)于光線追蹤，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)渲染效率更高。根本原因是它是基于光柵化的渲染模型，可以選擇逐像素渲染，也可以選擇逐頂點(diǎn)渲染或者面渲染（其他像素用差值得到），可以通過犧牲質(zhì)量加快速度。布林-馮著色模型的缺點(diǎn)：1.漫反射、高光、環(huán)境光畢竟是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而得來的，無法模擬真實(shí)的光照效果。具體如漫反射和高光系數(shù)如何定、光照強(qiáng)度如何定、環(huán)境光僅僅用常數(shù)表示是否不妥、真實(shí)世界是否真的由這三種光疊加而來，都無法解決，只能靠經(jīng)驗(yàn)大概給出一個(gè)值。最終造成渲染出來的效果為“塑料感”。2.無法計(jì)算陰影，只能用對(duì)比著色點(diǎn)和觀測點(diǎn)的距離、著色點(diǎn)和光照的距離，兩者的深度對(duì)比得到。3.無法表示反射光，如一個(gè)物體的材質(zhì)如何是鏡面或金屬，真實(shí)情況應(yīng)該是能反射看到周圍的物體的，但在布林-馮著色模型卻無法看到。二、光線追蹤光線追蹤是通過從觀測點(diǎn)向像素發(fā)射一條光線，碰撞到最近的物體，再不斷反射和折射彈向其他物體，最終收集所有彈到的物體表面的光強(qiáng)度來得到像素的光照值。光線追蹤的優(yōu)點(diǎn)：光線追蹤由于是基于物理反射，自然有了光線彈射，解決了布林-馮著色模型不能反射光的缺點(diǎn)，同時(shí)也順便解決了陰影問題（光的強(qiáng)弱自動(dòng)表示成陰影，不用額外計(jì)算陰影）。光線追蹤的缺點(diǎn)：1.計(jì)算量大，難以像經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍菢佑弥鸲c(diǎn)或逐面插值計(jì)算；2.光線反射和折射不完全準(zhǔn)確，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)方向，現(xiàn)實(shí)情況是會(huì)向四面八方彈射。光線追蹤雖然沒有了“塑料感”，能比較好的模擬現(xiàn)實(shí)光照，但仔細(xì)看還是會(huì)覺得不真實(shí)，表現(xiàn)為有的地方過曝，而有的地方又過暗。三、路徑追蹤（高級(jí)光線追蹤）路徑追蹤的原理見光線追蹤-路徑追蹤原理路徑追蹤是如何解決光線追蹤的第2個(gè)問題的呢？關(guān)鍵在于BRDF(雙向反射比分布函數(shù))，即明確定義在物體表面反射到各個(gè)方向的光線強(qiáng)度。于是反射不僅僅是一個(gè)方向上的環(huán)境光，而是整個(gè)半球面上的環(huán)境光的積分。三維制作流程接下來的這一階段是向三維場景中添加燈光。燈光的使用可以決定一個(gè)場景如何引導(dǎo)觀眾，以及如何設(shè)定一個(gè)場景或環(huán)境的情緒基調(diào)設(shè)定。最后三維動(dòng)畫作品在利用渲染器渲染作品，Arnold渲染器它可以滿足視覺上極其復(fù)雜和計(jì)算上要求極高的場景。這在電影、商業(yè)廣告和其他基于圖像的媒體中最常見。在三維制作流程中，渲染意味著導(dǎo)出視頻序列，但每個(gè)元素（環(huán)境、角色、道具等等）都是單獨(dú)渲染的，然后在后期制作中重新合成。通過本章的學(xué)習(xí),讀者可以掌握燈光和渲染器的使用方法和操作技巧。在學(xué)習(xí)軟件的使用過程中，認(rèn)識(shí)中國民族文化，民族自信，工匠精神來提升課程思政能力。使讀者快速掌握三維動(dòng)畫燈光渲染器實(shí)操技能，還能夠提升思想政治素質(zhì)為目標(biāo)，書中的實(shí)操任務(wù)能夠?qū)?+x數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作證書和數(shù)字創(chuàng)意建模證書的燈光渲染輸出的考試技能點(diǎn)。1.能力要求：（1）掌握Maya2023三點(diǎn)光源設(shè)置方法（1+X證書）。（2）掌握Maya2023軟件中Arnold燈光和渲染器使用技巧（1+X證書）。（3）掌握三維軟件中的燈光和渲染鏡頭的設(shè)置（1+X證書）。2.學(xué)習(xí)導(dǎo)覽：本任務(wù)學(xué)習(xí)導(dǎo)覽思維導(dǎo)圖所示。學(xué)習(xí)導(dǎo)覽思維導(dǎo)圖5.1卡通動(dòng)畫綜合渲染案例（（活動(dòng)頁1項(xiàng)目+活動(dòng)頁3項(xiàng)目）任務(wù)引入：通過前期制作的三維卡通場景，本章將了解卡通動(dòng)畫角色場景燈光制作要求，熟悉場景燈光的布局、鏡頭的擺放，學(xué)會(huì)如何巧妙的運(yùn)用燈光的布局，強(qiáng)度的大小，渲染出一個(gè)完美的卡通場景，熟練掌握Maya2023軟件中Arnold燈光和渲染器設(shè)置。將對(duì)接1+x數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作證書和數(shù)字創(chuàng)意建模證書三維作品燈光和渲染輸出的部分知識(shí)點(diǎn)。教學(xué)目標(biāo)：1.熟練掌握Maya2023軟件中Arnold燈光和渲染器使用技巧。2.熟練掌握三點(diǎn)光源法。3.熟練掌握三維軟件中的鏡頭語言的使用技能。

卡通動(dòng)畫角色展示綜合案例在Arnold燈光渲染出來的最終效果圖，如圖5-1所示。圖5-1卡通角色展示綜合案例渲染圖Arnold燈光采用三點(diǎn)布光

三點(diǎn)布光：點(diǎn)擊Maya2023的菜單欄上的創(chuàng)建下的攝影機(jī)，創(chuàng)建出一個(gè)攝影機(jī)，點(diǎn)擊視圖上方的面板，點(diǎn)擊【透視】，再點(diǎn)擊【camera1】，如圖5-2所示。圖5-2視圖面板控制類型進(jìn)入【camera1】的視圖后，點(diǎn)擊Alt+鼠標(biāo)左鍵去控制【camera1】的觀察視圖，最終調(diào)整好的視圖面板如圖5-3所示。圖5-3camera1的觀察視圖②創(chuàng)建Arnold燈光：點(diǎn)擊菜單欄上的Arnold下的【Light】，點(diǎn)擊【SkydomeLight(天空光)】，創(chuàng)建出一個(gè)【SkydomeLight（天空光）】，點(diǎn)擊縮放鍵【R】，縮小至框住整個(gè)場景，如圖5-4所示。點(diǎn)擊【SkydomeLight（天空光）】，右側(cè)屬性編輯器會(huì)出現(xiàn)aiSkyDomeLightShape1卷展欄，點(diǎn)擊【SkyDomeLightAttributes】下【Color】后方的棋盤方格，如圖5-5所示。給SkydomeLight（天空光）置換文件貼圖，點(diǎn)擊棋盤方格后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)創(chuàng)建渲染節(jié)點(diǎn)的卷展欄，點(diǎn)擊下方的文件，如圖5-6所示。圖5-4

SkydomeLight天空光

圖5-5aiSkyDomeLightShape1卷展欄圖5-6創(chuàng)建渲染節(jié)點(diǎn)卷展欄右側(cè)屬性編輯器會(huì)變成file29的卷展欄，點(diǎn)擊文件屬性下的圖像名稱后的文件夾，如圖5-7所示。之后會(huì)出現(xiàn)會(huì)彈出一個(gè)打開的彈窗，選擇所需的HDR（天空光球），點(diǎn)擊HDR的圖像后，在下方文件名后方點(diǎn)擊打開，如圖5-8所示。圖5-7天空光節(jié)點(diǎn)卷展欄

圖5-8HDR圖像點(diǎn)擊【Arnold】下的【Light】，點(diǎn)擊【AreaLight(區(qū)域光)】，創(chuàng)建出一個(gè)【AreaLight(區(qū)域光)】，點(diǎn)擊縮放鍵【R】，放大至可照射主體人物大小為止，，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)鍵【E】，旋轉(zhuǎn)角度為90度，點(diǎn)擊移動(dòng)鍵【W(wǎng)】，將區(qū)域光移至人物主體的頭頂上方，如圖5-9所示。按住【Shift】鍵，拖動(dòng)左鍵鼠標(biāo)，復(fù)制出另外兩盞【AreaLight(區(qū)域光)】，如圖5-10至11所示。圖5-9區(qū)域光

圖5-10復(fù)制區(qū)域光1圖5-11復(fù)制區(qū)域光2點(diǎn)擊復(fù)制出來的燈光，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)鍵【E】，旋轉(zhuǎn)角度各為45度，如圖5-12所示。布局出三點(diǎn)布光的燈光后，就可以去調(diào)整燈光的參數(shù)了。圖5-12布局區(qū)域光點(diǎn)擊創(chuàng)建下的【燈光】，點(diǎn)擊【平行光】，創(chuàng)建出一個(gè)Maya自帶的平行光作為整個(gè)場景的輔助光，如圖5-15所示。圖5-14調(diào)整天空光強(qiáng)度圖5-15創(chuàng)建平行光選擇對(duì)象平行光，點(diǎn)擊移動(dòng)鍵【W(wǎng)】，旋轉(zhuǎn)鍵【E】，縮放鍵【R】。對(duì)平行光進(jìn)行位置的變換。最終變換的位置如圖5-16所示。圖5-16分布平行光位置調(diào)整渲染設(shè)置數(shù)值點(diǎn)擊渲染設(shè)置圖標(biāo)，跳出渲染設(shè)置的彈窗，如圖5-17所示。圖5-17渲染設(shè)置卷展欄點(diǎn)擊【ArnoldRenderer】，將【Camera】的數(shù)值調(diào)至6,Diffuse的數(shù)值調(diào)至4，【Specular】的數(shù)值調(diào)至3，【Transmission】的數(shù)值調(diào)至3，【SSS】的數(shù)值調(diào)至6，【VolumeIndirect】的數(shù)值調(diào)至3，數(shù)值參數(shù)如圖5-18所示。圖5-18

ArnoldRenderer參數(shù)設(shè)置點(diǎn)擊公用下的圖像大小(渲染質(zhì)量)，點(diǎn)擊預(yù)設(shè)，選擇2k_Square，如圖5-19所示。在渲染攝影機(jī)下的RenderableCamera的選擇攝像機(jī)改為camera1，圖像如圖5-20所示。圖5-19圖像大小

圖5-20可渲染視圖調(diào)整好整個(gè)場景的渲染角度，點(diǎn)擊菜單欄上的【Arnold】，點(diǎn)擊【Render】進(jìn)行渲染，彈出ArnoldRenderView的彈窗，如圖5-21所示。在ArnoldRenderView的彈窗下點(diǎn)擊【perspShape】改為【cameraShape1】,如圖5-22所示。圖5-21ArnoldRender渲染

圖5-22渲染視圖選擇最后，點(diǎn)擊【ArnoldRenderView】的紅色開始渲染鍵，如圖5-23所示。開始渲染，等待結(jié)束渲染，最終渲染完的效果圖如圖5-24所示。圖5-23ArnoldRenderView渲染面板圖5-24Arnold卡通場景最終渲染圖本節(jié)練習(xí)：設(shè)置該作品的夜晚燈光照射效果，要求合理運(yùn)用燈光和Arnold渲染器，最終輸出為4K尺寸，保存JPG格式。練習(xí)15.2影視動(dòng)畫綜合渲染輸出案例（活動(dòng)頁2項(xiàng)目+活動(dòng)頁4項(xiàng)目）任務(wù)引入通過前期制作的三維影視動(dòng)畫場景，本章將了解影視動(dòng)畫場景燈光制作要求，熟悉場景燈光的布局、鏡頭的擺放，學(xué)會(huì)如何巧妙的運(yùn)用燈光的布局，強(qiáng)度的大小，渲染出一個(gè)完美的卡通場景，熟練掌握Maya2023軟件中Arnold燈光和渲染器設(shè)置。將對(duì)接1+x數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作證書和數(shù)字創(chuàng)意建模證書三維作品燈光和渲染輸出的部分知識(shí)點(diǎn)。教學(xué)目標(biāo)：1.熟練掌握Maya2023軟件中Arnold燈光和渲染器使用技巧。2.熟練掌握三點(diǎn)光源法。3.熟練掌握三維軟件中的鏡頭語言的使用技能。

影視動(dòng)畫展示綜合案例在Arnold燈光渲染出來的最終效果圖，如圖5-25所示。圖5-25影視動(dòng)畫展示案例最終效果圖(1)Arnold燈光布局采用三點(diǎn)布光三點(diǎn)布光：點(diǎn)擊Maya2023的菜單欄上的創(chuàng)建下的【攝影機(jī)】，創(chuàng)建出一個(gè)攝像機(jī)，如圖5-26所示。點(diǎn)擊視圖上方的面板，點(diǎn)擊透視中的【camera1】，如圖5-27所示。進(jìn)入【cameral】的視圖，按住【Alt】鍵，使用鼠標(biāo)左鍵來調(diào)整出最終渲染的畫面。畫面范圍以綠色邊框?yàn)橹饕秩井嬅?，如圖5-28所示。圖5-26camera1視圖

圖5-27視圖面板類型圖5-28渲染范圍②創(chuàng)建Arnold燈光點(diǎn)擊菜單欄上的【Arnold】下的【Light】，點(diǎn)擊【SkydomeLight(天空光)】，創(chuàng)建出一個(gè)【SkydomeLight（天空光）】，如圖5-29所示。點(diǎn)擊縮放鍵【R】，放大至框住整個(gè)場景，如圖5-30所示。再點(diǎn)擊【Arnold】下的【Light】，點(diǎn)擊【AreaLight(區(qū)域光)】，創(chuàng)建出一個(gè)【AreaLight(區(qū)域光))，點(diǎn)擊縮放鍵【R】，放大至可照射主體人物大小為止，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)鍵【E】，旋轉(zhuǎn)角度為90度，按住空格鍵，切換頂視圖，點(diǎn)擊移動(dòng)鍵（W），將區(qū)域光移至人物主體的頭頂上方，如圖5-31所示。圖5-29創(chuàng)建天空光面板

圖5-30天空光控制范圍圖5-31頂視圖創(chuàng)建區(qū)域光按住【Shift】鍵，拖動(dòng)左鍵鼠標(biāo)，復(fù)制出另外兩盞【AreaLight(區(qū)域光)】，如圖5-32所示。圖5-32復(fù)制區(qū)域光切換前視圖，點(diǎn)擊復(fù)制出來的燈光，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)鍵【E】，旋轉(zhuǎn)角度各為45度，如圖5-33所示。布局出三點(diǎn)布光的燈光后，就可以去調(diào)整燈光的參數(shù)了。圖5-33調(diào)整區(qū)域光(2)調(diào)整燈光參數(shù)點(diǎn)擊【SkydomeLight（天空光）】，右側(cè)屬性編輯器會(huì)出現(xiàn)aiSkyDomeLightShape1卷展欄，點(diǎn)擊【SkyDomeLightAttributes】下【Color】后方的棋盤方格，如圖5-34所示。給【SkydomeLight（天空光）】置換文件貼圖，點(diǎn)擊棋盤方格后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)創(chuàng)建渲染節(jié)點(diǎn)的卷展欄，點(diǎn)擊下方的文件，如圖5-35所示。圖5-34aiSkyDomeLightShape1卷展欄

圖5-35創(chuàng)建渲染節(jié)點(diǎn)面板右側(cè)屬性編輯器會(huì)變成file14的卷展欄，點(diǎn)擊文件屬性下的圖像名稱后的文件夾，如圖5-36所示。之后會(huì)出現(xiàn)會(huì)彈出一個(gè)打開的彈窗，選擇所需的HDR（天空光球），點(diǎn)擊HDR的圖像后，在下方文件名后方點(diǎn)擊打開，如圖5-37所示。圖5-36節(jié)點(diǎn)卷展欄

圖5-37HDR圖像選擇打開之后，【SkydomeLight（天空光）】就已經(jīng)貼好了材質(zhì)球了，【SkydomeLight（天空光）】最終的效果為如圖5-38所示。圖5-38天空光材質(zhì)效果圖點(diǎn)擊菜單欄上的【Arnold】，點(diǎn)擊【Render】進(jìn)行渲染，彈出【ArnoldRenderView】的彈窗，如圖5-39所示。在【ArnoldRenderView】的彈窗下點(diǎn)擊【perspShape】改為【cameraShape1】,如圖5-40所示。發(fā)現(xiàn)渲染的角度不合適時(shí)，及時(shí)去調(diào)整。圖5-39

ArnoldRenderView的彈窗

圖5-40渲染類型選擇(3)調(diào)整渲染設(shè)置數(shù)值點(diǎn)擊渲染設(shè)置圖標(biāo)，跳出渲染設(shè)置的彈窗，如圖5-41所示。圖5-41渲染設(shè)置彈窗點(diǎn)擊【ArnoldRenderer】，將【Camera】的數(shù)值調(diào)至6,【Diffuse】的數(shù)值調(diào)至4，【Specular】的數(shù)值調(diào)至4，【Transmission】的數(shù)值調(diào)至2，【SSS】的數(shù)值調(diào)至5，【VolumeIndirect】的數(shù)值調(diào)至2，數(shù)值參數(shù)如圖5-42所示。圖5-42

ArnoldRenderer卷展欄點(diǎn)擊公用下的圖像大小(渲染質(zhì)量)，點(diǎn)擊預(yù)設(shè)，選擇2k_Square，如圖5-43所示。在渲染攝影機(jī)下的【RenderableCamera】的選擇攝像機(jī)改為【camera1】，圖像如圖5-44所示。圖5-43渲染圖像質(zhì)量大小

圖5-44渲染視圖選擇點(diǎn)擊Maya2023菜單欄下的創(chuàng)建，點(diǎn)擊燈光，創(chuàng)建出一盞平行光，如圖5-45所示。點(diǎn)擊縮放【R】，移動(dòng)【W(wǎng)】，旋轉(zhuǎn)【E】，放置整個(gè)場景的右上方，如圖5-46所示。圖5-45創(chuàng)建平行光

圖5-46平行光角度位置圖5-47ArnoldRenderView渲染視圖面板圖5-48Arnold影視動(dòng)畫最終渲染效果圖本節(jié)練習(xí)：制作該作品的正午時(shí)刻的燈光模擬效果，合理設(shè)置好Arnold渲染器，要求渲染輸出畫面為4k尺寸，保存為JPG格式。練習(xí)2知識(shí)與技能小結(jié)：本章的學(xué)習(xí)能夠掌握Maya軟件中的燈光設(shè)置，掌握布光原理熟悉燈光的設(shè)置，能夠正確的運(yùn)用攝像機(jī)對(duì)鏡頭的使用方法有一定的認(rèn)識(shí)，熟練掌握Arnold渲染器渲染實(shí)操技能，能夠輸出完整的動(dòng)畫視頻效果。通過設(shè)計(jì)的實(shí)操案例拓展課程思政內(nèi)容的學(xué)習(xí)讓讀者了解民族文化，樹立文化自信，工匠精神等社會(huì)主義核心價(jià)值觀來引導(dǎo)讀者良好的價(jià)值觀，案例還結(jié)合1+X證書考證的燈光渲染部分的技能點(diǎn)相融合，讓讀者通過課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)提升技能，也掌握了數(shù)字創(chuàng)意建模證書和數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作證書的考試技能點(diǎn)，為參加該證書的考試提升考試的通過率。

拓展任務(wù)：渲染該作品的200幀的動(dòng)畫視頻，要求畫面為正午時(shí)刻的燈光設(shè)置，畫面表現(xiàn)清晰，合理利用攝像機(jī)景深，合理設(shè)置Arnold渲染器，最終畫面為1920*1280，渲染格式為avi.拓展任務(wù)Arnold室內(nèi)場景渲染室內(nèi)場景在Arnold燈光渲染出來的最終渲染圖，如圖5-49所示。圖5-49室內(nèi)場景最終渲染圖打開Maya臥室小場景，新建一個(gè)多邊形球體，如圖5-50所示。點(diǎn)擊R鍵，對(duì)多邊形球體進(jìn)行縮放，縮放后如圖5-51所示。圖5-50創(chuàng)建多邊形球體

圖5-51縮放多邊形球體選中多邊形球體后，點(diǎn)擊菜單欄中的Arnold，點(diǎn)擊Light，再點(diǎn)擊MeshLight，如圖5-52所示，以多邊形球體為點(diǎn)光源，生成臺(tái)燈的照明方式，點(diǎn)擊菜單欄中的Arnold下的ArnoldRenderedView進(jìn)行渲染，如圖5-53所示。圖5-52MeshLight選擇

圖5-53ArnoldRenderedView選擇針對(duì)臺(tái)燈照明的基本方式，對(duì)多邊形球體進(jìn)行位置的調(diào)整，渲染圖的臺(tái)燈位置如圖5-54所示。圖5-54臺(tái)燈燈光位置首先，點(diǎn)擊多邊形MeshLight。在右側(cè)屬性編輯器中的light_pSphere13Shape下，點(diǎn)擊LightAttributes下的Color，選取臺(tái)燈合適的顏色，如圖5-55所示，將Expose的數(shù)值調(diào)至0.418，如圖5-56所示。調(diào)整數(shù)值后，臺(tái)燈光的渲染圖如圖5-57所示。圖5-55調(diào)整臺(tái)燈顏色

圖5-56調(diào)整臺(tái)燈Exposure數(shù)值圖5-57臺(tái)燈光的渲染圖接下來創(chuàng)建一盞AreaLight作為全景的補(bǔ)光，點(diǎn)擊菜單欄中Arnold下的Light，再點(diǎn)擊AreaLight，創(chuàng)建好后，將AreaLight移動(dòng)至整個(gè)場景的上方，如圖5-58所示。圖5-58AreaLight位置選中AreaLight后，在右側(cè)屬性編輯器下，點(diǎn)擊ArnoldAreaL