如何渲染才能獲得逼真金屬效果（ 上）

在開(kāi)始之前小編必須吐槽一下這是一篇極為高大上的教程，崇拜之情如滔滔江水延綿不絕，好了，我就不啰嗦了，大家一起來(lái)漲姿勢(shì)吧！

如果您也有原創(chuàng)的作品或經(jīng)驗(yàn)希望與大家分享，可以聯(lián)系小編，QQ：2474671719，朱峰社區(qū)希望能更多地分享大家的原創(chuàng)作品，并與大家共同進(jìn)步。

先來(lái)看看最終效果圖吧！

要渲染出真實(shí)可信的金屬可能需要大量的時(shí)間，因?yàn)楣饩�追蹤會(huì)對(duì)渲染時(shí)間造成負(fù)面影響，所以我們應(yīng)該了解GP著色器的高光屬性，讓我們可以在保證渲染盡可能高效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)想要的外觀。

金屬可以添加各種各樣的圖層。因?yàn)檫@是在未來(lái)，所以我們可以在藝術(shù)風(fēng)格上有更大的自由度。從下面的金屬參考可以看出，真正的金屬鉻可以形成區(qū)別很大的外觀，比如我們可以在《蘭戈》和《拜見(jiàn)羅賓遜一家》這樣的電影看到這些效果。每一種外觀都是由技術(shù)總監(jiān)根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)指定的。我們?cè)谶x擇金屬著色器的時(shí)候需要考慮一些限制。

我們想在飛行汽車上實(shí)現(xiàn)一種處于兩者之間的效果，不會(huì)太真實(shí)，也不會(huì)太卡通，但肯定會(huì)更加明亮，比較接近高導(dǎo)電性的鉻或者鍺的外觀。

請(qǐng)觀看GP著色器中的一些關(guān)鍵屬性，它們能夠幫助我們實(shí)現(xiàn)想要的外觀。

粗糙度（Roughness）

要描繪出真實(shí)可信的金屬，其中一個(gè)最重要的屬性高光的不規(guī)則性。粗糙度屬性能夠讓我們控制金屬的拋光或粗糙程度，不規(guī)則的粗糙樣式可以大幅提升渲染的真實(shí)感。很重要的一點(diǎn)是不要做出過(guò)高的粗糙度，因?yàn)楦叨嚷�反射的表面和非常粗糙的表面在某種程度上來(lái)看是一致的，導(dǎo)致出現(xiàn)過(guò)多的高成本高光光線。

高光增加（Specular Gain）

在控制高光不規(guī)則性時(shí)，其中一個(gè)最重要的設(shè)置是高光增加。這個(gè)數(shù)值能夠接受亮度輸入，定義表面高光的強(qiáng)度。在這個(gè)數(shù)值上使用粗糙貼圖（grunge map）添加磨損和劃痕總是有用的，因?yàn)檫@樣可以改變表面的高光強(qiáng)度。我們?cè)阢t金屬的著色上使用繪制貼圖，即使是最輕微的不規(guī)則性都能將鉻金屬的著色的可信度大幅提升。

另外一個(gè)重要屬性是模式（Mode），它能夠決定使用光線追蹤還是反射遮蔽來(lái)計(jì)算出反射。完全（Full）光線追蹤是可以達(dá)到很高的成本的，不過(guò)它會(huì)利用到整個(gè)場(chǎng)景來(lái)計(jì)算出著色的最準(zhǔn)確反射。另一方面，直接（Direct）光線追蹤只會(huì)采樣燈光，但同時(shí)也會(huì)使用反射遮蔽，它能夠通過(guò)估計(jì)多邊形的情況（不是著色）來(lái)模擬物體的反射。反射遮蔽能夠提供超高的渲染效率，同時(shí)保持可信的反射外觀。

各向異性（Anisotropy）

各向異性控制的是高光部分的形狀。這個(gè)屬性能夠?qū)χ�色的外觀產(chǎn)生明顯的影響，因?yàn)榉瓷鋾?huì)彎折并跟隨這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，幫助我們實(shí)現(xiàn)這種金屬拉絲的外觀。還有幾個(gè)屬性是需要與各向異性配合使用才能在著色中準(zhǔn)確呈現(xiàn)：

粗糙度必須大于0，通常0.2的取值就開(kāi)始出現(xiàn)明顯的各向異性特性。

各向異性的方向取決于多種幾何因素，包括UV、幾何圖形類型（多邊形、NURBS、SubD等）、以及GP著色器的切線光源（Tangent Source）屬性。

切線光源（Tangent Source）

在高級(jí)高光（Advanced Specular）標(biāo)簽中可以找到切線光源屬性。這個(gè)屬性對(duì)于各向異性高光的方向來(lái)說(shuō)十分重要。

Default選項(xiàng)會(huì)使用表面的dPdu來(lái)計(jì)算出切線，用于各向異性和切線空間的編碼。這是一個(gè)由著色系統(tǒng)提供的內(nèi)置向量，因此無(wú)需額外的計(jì)算。如果拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有問(wèn)題時(shí)就會(huì)看到過(guò)高的反射。

S選項(xiàng)會(huì)從ST（UV）坐標(biāo)上計(jì)算出一個(gè)漸變。如果網(wǎng)格沒(méi)有UV，那么它可能就會(huì)渲染出黑色或者dPdu的默認(rèn)顏色。它不能很好地處理自動(dòng)映射的UV，因?yàn)榉较蛟诮涌谔帟?huì)發(fā)生改變，但是能夠處理好帶有不當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確UV。

Mesh選項(xiàng)會(huì)從多邊形網(wǎng)格中生成切線。為了生成所需的切線，請(qǐng)選擇多邊形形狀節(jié)點(diǎn)，并添加一個(gè)叫做“Output Tangents”的RenderMan屬性。這樣會(huì)引入額外的計(jì)算。

Input選項(xiàng)會(huì)使用一個(gè)材質(zhì)貼圖來(lái)生成并計(jì)算網(wǎng)格的切線。簡(jiǎn)單的漸變會(huì)有最好的效果，不過(guò)可以使用任意圖像來(lái)生成自定義和創(chuàng)意的效果。材質(zhì)貼圖必須連接到切線漸變（Tangent Gradient）屬性上，它對(duì)帶有相似方向的UV有最好的效果。

最大高光值（Max Specular Value）

這是一個(gè)很有用的屬性，它能夠利用高光值進(jìn)行更加高效和可靠的采樣和圖像過(guò)濾，真正避免了物理渲染所帶來(lái)的斑點(diǎn)和假象。如果將這個(gè)數(shù)值設(shè)成1，那么渲染數(shù)值就不會(huì)超過(guò)1，即使選擇了浮點(diǎn)圖像格式也一樣。常用的設(shè)置值為2-10，這個(gè)區(qū)間可以將光圈值保持在合理高效的范圍。

我們先來(lái)看看汽車的金屬著色器。

你會(huì)注意到我已經(jīng)將最大燈光采樣（Max Light Samples）和最大反射采樣（Max Reflection Samples）從16增加到32，這樣可以確保粗糙區(qū)域有較高的采樣，不然的話會(huì)造成噪點(diǎn)。RMS可以智能地使用最大采樣（Max Samples）參數(shù)，它只會(huì)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行采樣。所以在大部分情況下，將最小采樣（Min Samples）保持在1就足夠了。

另外要注意的是我在大部分的著色器中都將最大高光值設(shè)成了2到4之間，這樣就能保證著色當(dāng)中不會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)或假象。

然后看一下路標(biāo)的著色。

你會(huì)注意到我們的表面顏色（Surface Color）和高光顏色（Specular Color）是使用同一個(gè)漫射材質(zhì)貼圖的，因?yàn)楦�塑料之類的絕緣材料是不一樣的，導(dǎo)電材料（金屬）總是會(huì)反射跟漫射一樣的顏色。例如黃金的高光是黃色的，而不是白色。我們也會(huì)用繪畫材質(zhì)貼圖來(lái)控制金屬（Metallic）屬性和高光增加屬性，將路標(biāo)的粗糙部分和光澤部分分開(kāi)。我們?cè)诮饘賹傩约尤肓艘恍�漸變，因?yàn)槲覀儾幌氚崖窐?biāo)做得像鏡子一樣光滑。

注意我們已經(jīng)將切線光源設(shè)成了S，這樣可以讓我們更好地利用布局良好的UV，并實(shí)現(xiàn)美觀的直接各向異性高光，即使我們沒(méi)有良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也能做到這些。另外一個(gè)有趣的技巧是利用程序性的噪點(diǎn)提升著色器的突起。這樣可以為反射增加一種特別的彎曲，讓路標(biāo)看起來(lái)更加飽經(jīng)風(fēng)霜。

提示：如果與Mudbox配合使用的話，請(qǐng)嘗試導(dǎo)出FBX文件來(lái)保持Maya creasing。Renderman的subD能夠很好地與Maya creasing兼容，讓你可以添加有趣的傾斜邊緣，不會(huì)增加不必要的幾何圖形。

汽車噴漆

我們的復(fù)古未來(lái)汽車需要一種獨(dú)特的汽車噴漆。GP著色器的其中一個(gè)有趣功能是可以生成金屬噴漆薄片。結(jié)合了金屬控制之后，噴漆薄片可以在汽車噴漆著色器中生成獨(dú)特有趣的樣式。

這張F(tuán)inn McMissile和Mater的圖像完美地結(jié)合了我們的外觀發(fā)展。我們需要在汽車的底部實(shí)現(xiàn)一種磨損的效果，然后在飛行汽車的其他部分加上明亮的金屬噴漆和清漆涂層。

接下來(lái)看看這些GP著色器屬性如何幫助我們實(shí)現(xiàn)想要的外觀。

薄片數(shù)量

薄片數(shù)量可以自由地進(jìn)行藝術(shù)指導(dǎo)。這些薄片是基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)（base normal）的隨機(jī)分散，所以請(qǐng)注意不要添加過(guò)多薄片，不然的話它的樣式會(huì)開(kāi)始在著色上出現(xiàn)奇怪的噪點(diǎn)，特別是在動(dòng)畫當(dāng)中。我們針對(duì)車輛采用了0.15的數(shù)值，如果用更大的數(shù)值的話就會(huì)在特定的角度出現(xiàn)白色的假象。這些需要根據(jù)表面的曲率進(jìn)行細(xì)致的處理。

薄片頻率（Flake Frequency）

薄片頻率是指薄片在表面上的大小。它并非處于真實(shí)世界的空間，所以我們需要根據(jù)每個(gè)物體的需要微調(diào)薄片的大小，得到想要的外觀。我們的薄片頻率被設(shè)置成了10左右，因?yàn)閷?duì)于這個(gè)鏡頭距離來(lái)說(shuō)能夠達(dá)到很好的外觀。如果取更大的數(shù)值的話，我們就需要大量的過(guò)濾來(lái)阻止薄片出現(xiàn)閃爍。另一方面，如果取值過(guò)低的話，薄片就可能會(huì)變得過(guò)大。

這時(shí)我們也要確保較高的IOR（Index of Refraction，折射率），或者大于0的金屬屬性，這樣才能看到金屬薄片。正如下方例子所示，薄片在高光部分添加了一個(gè)有趣的樣式。

現(xiàn)在回到我們的汽車噴漆著色器。

金屬汽車噴漆會(huì)在觀看角度中變暗，而且顏色也會(huì)產(chǎn)生變化。為了實(shí)現(xiàn)這種效果，我們會(huì)利用“samplerInfo”節(jié)點(diǎn)的表面比率來(lái)控制漸變的V坐標(biāo)。之前的繪制材質(zhì)貼圖用來(lái)控制其他的屬性，例如表面顏色和高光增加，這樣汽車泥濘的底部就不會(huì)出現(xiàn)高光著色。

這個(gè)汽車噴漆著色器當(dāng)中很重要的一點(diǎn)是它采用了次級(jí)高光葉片，它可以在金屬噴漆層的頂部做出一層透明漆，不需要用到副著色器。同時(shí)還會(huì)用到一個(gè)類似的漸變來(lái)控制高光顏色，不過(guò)顏色會(huì)變得更加不飽和，避免環(huán)境有過(guò)于鮮艷的著色。我已經(jīng)將粗糙度維持到最低的水平，也將高光混合（Specular Blend）設(shè)成了0.5。這樣做會(huì)保留一半的次級(jí)高光和一半的主要高光。注意不要讓其中一種高光比另一種高出很多，不然就不會(huì)出現(xiàn)分層的效果。我們也會(huì)在兩個(gè)高光葉片上使用“Full”的高光模式來(lái)反射整個(gè)環(huán)境，從而得到更加準(zhǔn)確的映像，特別是地面的反射。

由于大小的關(guān)系，金屬薄片會(huì)比較難準(zhǔn)確的過(guò)濾。為了克服這點(diǎn)，我在Car Paint Shader中添加了一個(gè)著色率（Shading Rate）的屬性，它會(huì)覆蓋掉全局的設(shè)置。我已經(jīng)將著色率設(shè)置成0.5，這樣可以確保我們的著色能夠在每個(gè)像素上細(xì)分兩次。

玻璃

玻璃的渲染通常都是非常昂貴的。這就是RMS 18擁有一個(gè)專門的GP Glass著色器的原因，它是專門優(yōu)化用于復(fù)雜的可信著色的。在這個(gè)部分我們將會(huì)詳細(xì)了解在我們的汽車上使用GP Glass的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。我們也會(huì)研究如何使用GP著色器來(lái)取代GP Glass著色器，做出一種有趣的磨損玻璃效果，同時(shí)盡量減少渲染的時(shí)間。

我們的視覺(jué)發(fā)展需要不會(huì)遮擋角色，同時(shí)可以跟環(huán)境良好互動(dòng)的玻璃。這種玻璃還需要足夠薄，而且可以有一點(diǎn)折射，再加上一些來(lái)自道路的塵土。在下面的參考圖像中我們可以找到一些有用的粒子，從巴斯光年的透明塑料面罩到一塊飽經(jīng)風(fēng)霜的玻璃。我們需要在這些圖像之間達(dá)到一種平衡。

我們現(xiàn)在來(lái)看看GP Glass和GP Surface著色器中的一些有用的參數(shù)和巧妙的用法，以及它們是如何幫助我們實(shí)現(xiàn)想要的外觀的。

GP Glass

雖然GP Glass著色器可以快速地做出照片級(jí)的玻璃外觀，它在渲染折射時(shí)會(huì)比GP Surface著色器要慢得多。如果我們可以為了可信的外觀而犧牲準(zhǔn)確度，那么我們就可以用GP Surface 著色器做出非常好看的玻璃外觀。

正如我們?cè)谶@里看到的，使用GP Surface著色器的“Direct”反射來(lái)對(duì)玻璃著色的效果是跟“Full”反射差不多的，但是渲染成本只有三分之一。GP Glass能夠做到美觀而且折射，但是缺乏GP著色器可以做出的特別磨損效果。它還需要更多的高光深度來(lái)生成可接受的結(jié)果，這樣會(huì)增加渲染的時(shí)間。

我們會(huì)在汽車前燈使用GP Glass著色器，我們已經(jīng)在車燈上做了一些細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)美觀的燈泡折射。

GP Surface

因?yàn)槠�車上的玻璃比較輕薄，所以使用非折射著色器已經(jīng)可以有不錯(cuò)的效果，如果我們能夠用上副著色器和遮罩就更好了。對(duì)于我們的鏡頭來(lái)說(shuō)這是一個(gè)很好的妥協(xié)。

先來(lái)看一下我們的“低成本”玻璃著色器。

我們?cè)谥髦�色器和副著色器上加入了不�?guī)則的磨損和透明。副著色器帶有一個(gè)連接到遮罩（Mask）輸入的粗糙貼圖，它能夠切斷副著色器并讓它在某些區(qū)域變得更加不透明。我們也使用了一個(gè)強(qiáng)制執(zhí)行的透明度貼圖來(lái)調(diào)整主著色器的粗糙度（Roughness）。這樣可以確保我們的燈光可以在不同的強(qiáng)度下得到反射。最后我們會(huì)添加一個(gè)繪制貼圖來(lái)分離主玻璃著色器的整體高光。磨損效果會(huì)為我們的高光內(nèi)容提供一些不錯(cuò)的刮痕。

最重要的是，我選擇了“Direct”的高光模式，這樣可以在設(shè)計(jì)和效率之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。跟“Full”高光相比，它可以做出纖薄的玻璃外觀，同時(shí)減少渲染的時(shí)間。我們也可以看到長(zhǎng)滿毛發(fā)的角色在車中也不會(huì)被遮擋，正如我們可以透過(guò)巴斯光年的面罩看到他一樣。

未完待續(xù)， 下部 即將奉上，敬請(qǐng)期待！