The Science Of CG 渲染背后的科學(xué)

渲染要真實(shí) 除了燈光, GI參數(shù)設(shè)置之外, 材質(zhì)本身也是非常重要的. 成功的渲染圖, 這3項(xiàng)因素缺一不可. 材質(zhì)其實(shí)有很多不同的著色器(shaders) :某些Shader比較貼近真實(shí)世界的光影變化 某些則是比較平淡, 在本篇的討論串中你可以看出材質(zhì)的重要. 另外RAW格式與光譜算圖也有稍做討論.

這篇文章翻譯自CGTALK的討論串, 標(biāo)題雖是The Science Of CG, 但主要還是圍繞著CG渲染/材質(zhì)在討論, 來自烏克蘭的網(wǎng)友mister3d與playmesumch00ns提供了非常棒的文章與圖片, 所以特地選了這篇翻譯成中文跟各位網(wǎng)友分享.

-----以下翻譯自CGTALK討論串-----

標(biāo)題: The Science Of CG 渲染背后的科學(xué)

Dtox: 我不小心逛到同樣標(biāo)題的討論串。 但是，為認(rèn)為在那一帖中討論的不是很多。我簡直不敢相信，那帖沒有真正的深入討論。在那帖中有位老兄想討論CG的物理，希望能夠幫助軟體操作的觀念。 雖然有些人的答覆都是有益的，但它并沒有給任何人真正討論方向。

有位提到想知道如何光如何運(yùn)動，這樣一來他就可以根據(jù)光的理論來套用在他的軟體使用上。
這是我認(rèn)為每個(gè)人都想要知道的。大多數(shù)的答復(fù)是“去學(xué)一下藝術(shù)理論吧” ，或“管他的 只要調(diào)整參數(shù)看起來像, 就對了” 。 雖然這樣說有其原因，但我認(rèn)為還有更中庸的做法 。學(xué)習(xí)傳統(tǒng)藝術(shù)能夠更了解CG原理是一個(gè)基礎(chǔ)，但是在理論與實(shí)務(wù)之間還有其他灰色地帶。
尤其是關(guān)于打燈照明技術(shù)(lighting)。

光線受到物理法則所規(guī)范，如果你能更了解這些物理學(xué)，調(diào)整CG光線時(shí)就能得心應(yīng)手。 如果您是3D動畫的老手，當(dāng)然你會很了解怎樣打燈.但是，如果你還是菜鳥的話, 除非你是學(xué)物理的或是很有興趣, 否則你不太可能很了解打燈技巧。例如， “平方反比定律”并不只適用於光線，如果在CG的世界裡面 也可以應(yīng)用在照明技術(shù)(lighting)。 反平方定律就是：物體與光線的距離每增加一倍, 光照強(qiáng)度就是原本的四分之一。比較有經(jīng)驗(yàn)的藝術(shù)家會注意到這點(diǎn)，喔, 誰不知道這的定律呢? 但如果你看看WIP討論板，你會發(fā)現(xiàn)到很多人其實(shí)忽略了“平方反比定律”。

我認(rèn)為這很重要，如果你是剛接觸CG照明，并希望得到真實(shí)的渲染效果。我個(gè)人很喜歡燈光照明技術(shù)，因?yàn)槲覍ξ锢韺W(xué)感興趣。 討論照明是很棒的，因?yàn)閷Υ蠖鄶?shù)人照明是很復(fù)雜的。

cryptosporidium: 我認(rèn)為這欄會是非常有趣的帖，我個(gè)人喜歡用“物理正確”的方式去做燈光照明。但是：就我所知，只有極少數(shù)人關(guān)心物理學(xué)。絕大部分的電影製作讓你不得不用藝術(shù)的角度來調(diào)整光線 。你必須讓整個(gè)效果看起來好看且有趣。無論是物理上不正確，而且常常導(dǎo)演要的東西都不是物理精確的效果。有趣的是, 如果你真的用所謂的物理精確的參數(shù)去計(jì)算CG照明/材質(zhì), 算圖時(shí)間可能會百萬年后才會計(jì)算完(reach astronomic values)。我想這也就是為什麼這樣的主題沒有受到重視。但是，我必須同意，了解物理學(xué)可以幫助您的工作。

mister3d: 這是個(gè)好問題。大多數(shù)用戶是隨意地控制參數(shù)而不是依循物理法則。一旦了解算圖物理學(xué)后，這些觀念會跟著你一輩子而且能夠套用到任何一種渲染器中。

光跡追蹤(retracing)是以物理為基礎(chǔ)的（模擬光的行為，但其實(shí)不是物理精確的計(jì)算），渲染器外掛的使用手冊都是這樣寫的。所以，其實(shí)你需要學(xué)的是物理學(xué)而不是只是CG照明。而如果你想學(xué)習(xí)CG照明還需要你不僅需要學(xué)習(xí)CG照明, 你還需要學(xué)習(xí)傳統(tǒng)照明。研究這照明時(shí), 你不能不考慮材質(zhì)與相機(jī)參數(shù)。

(Image courtesy of mister3d)

有分直接和間接照明的差別。直接照明是說光線打在物體表面就停住了，因此沒有光線反彈。這絕不會發(fā)生在真實(shí)世界。

我認(rèn)為，能量守恆定律可應(yīng)用到任何反射材質(zhì)上, 這個(gè)反射數(shù)值不能超過光源的強(qiáng)度，所以反射光線會比原始光源暗一點(diǎn)，所以光線是以平方反比做衰減。

當(dāng)光線打到表面可能會發(fā)生以下情形:吸收, 反射 ,折射（或是不完全折射） 。反射或折射有可能是漫射性質(zhì)或是高光性質(zhì)(specular)。

如果光線在漫射性質(zhì)的表面反射則會發(fā)生混色/出血(color-bleeding)現(xiàn)象。
如果光線在高光性質(zhì)的表面反射則會發(fā)生焦散(caustics)反射的現(xiàn)象。
如果光線穿透折射物質(zhì)則會發(fā)生折射焦散的現(xiàn)象。
如果光線被物質(zhì)表面吸收并且產(chǎn)生些微漫射折色(diffused refraction), 則會發(fā)生次表面散色(subsurface scattering)現(xiàn)象。而且, 材質(zhì)必須要有點(diǎn)折色屬性才能發(fā)生次表面散射現(xiàn)象。吸收光是漫射折色外加漫射屬性，這種現(xiàn)象已皮膚為例就是由水和肉構(gòu)成，因此會同時(shí)有散色與折色的性質(zhì)..

除此之外, 還有焦散散射折射(caustics dispersion of refraction)現(xiàn)象，但相當(dāng)罕見，鉆石就有這種現(xiàn)象。它看起是彩色的折射

光源可能距離非常遙遠(yuǎn)，這種情況我們就不使用平方反比定律（但照我理解，他還是有衰減現(xiàn)象, 但為了計(jì)算方便我們不考慮衰減, 要不然我們就要把光源放在億萬英里遠(yuǎn)的距離, 就好像太陽跟地球的距離一樣。因此，我們只好省略這類光源的平方衰減性質(zhì)） ，除非, 光源不亮也不遠(yuǎn)----我們就會套用平方反比衰減定律。這就帶出了一個(gè)非常重要的觀念----場景的單位是很重要的，因?yàn)楣獾乃�減和它所在的空間尺度有關(guān)。
光線陰影的銳利度受到光源大小所影響。

有一個(gè)定律是說: 反射優(yōu)先於漫射，而折射優(yōu)先於反射。這表示，如果您有一個(gè)強(qiáng)烈反射材質(zhì)，例如金屬，您幾乎看不到他的漫射效果。因此， 100 ％的反射= 0 ％漫射。 100 ％的折射情況下----還能看到一點(diǎn)反射效果，但是漫射則完全看不到（這時(shí)候漫射乾脆設(shè)定成黑色好了） 。

所有物質(zhì)表面都會反射！全世界反射率最低的物質(zhì)也有0.045的反射率. 大部分的物質(zhì)表面具有漫射性的反射，鏡面反射則很少見。為什麼某些物質(zhì)具有鏡面反射而某些物質(zhì)只有漫射性反射？因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)表面都有許多微小的結(jié)構(gòu)面(microfaceted), 這些結(jié)構(gòu)不容易被肉眼觀察出來，如果是鏡面反射的話 其微表面產(chǎn)生的反射射線是往同一個(gè)方向, 漫射反射則是為表面產(chǎn)生的反射方向是多方向的。

這世界上有兩種個(gè)類型的材質(zhì)：金屬和其他材質(zhì)。所有材質(zhì)都會有菲涅爾(Fresnel)反射效果，沒錯全部的材質(zhì)都有！所以，你應(yīng)該每次都套用這樣的反射類型。Fresnel并不是簡單的衰減曲線效果：它是一開始是緩曲線, 然后在端點(diǎn)的地方有個(gè)陡峭的線段。而金屬有更加突出的反射屬性，例如80? 100的反射值，這時(shí)候您的漫射應(yīng)該改成黑色因?yàn)檫@時(shí)候的反射是優(yōu)先計(jì)算的。

只有金屬會有彩色的反射效果，因此，如果您需要製作任何非金屬的反射效果, 它的反射就只會是黑白反射而已。

還有一個(gè)數(shù)值: 反射折射率與折射反射率，這兩個(gè)數(shù)值一定會相同。你可以在表中查到這些數(shù)值。的這些數(shù)值會控制物體反射/折射的效果, 同樣的數(shù)值在金屬則是會稍微亮一點(diǎn)。

playmesumch00ns: 景深發(fā)生原因，是因?yàn)橥哥R的聚焦光線來自於一個(gè)圓錐的頂點(diǎn)投射到底片盒(film back)。這個(gè)圓錐的長度與物體到項(xiàng)機(jī)的距離, 和鏡頭在相機(jī)中的位置有關(guān)。如果底片沒有恰好擺在這個(gè)圓錐的頂點(diǎn)位置，則圓椎與底片會形成一個(gè)圓形的交錯（the circle of confusion） 。這就是為何當(dāng)3D的點(diǎn)投射到底片時(shí)會變成圓形 而且影像會變的模糊。

您對物體反射的解釋有點(diǎn)不清楚。希望我以下解釋會更清楚。有兩種類型的材質(zhì)：導(dǎo)電材質(zhì)（金屬）和非導(dǎo)電物質(zhì)(dielectrics)（其他非金屬材質(zhì)） 。當(dāng)光子打到物體表面時(shí)， 有叁種情況可能會發(fā)生：吸收，反射或穿透。

1 ）吸收。光能轉(zhuǎn)化為熱能，然后就消失了 。當(dāng)然這不是真的消失，但在渲染時(shí)我們只關(guān)心光線而不管熱能。實(shí)際應(yīng)用時(shí), 表示任何材質(zhì)都不該有100 ％的反射屬性, 如果你想製作真實(shí)的材質(zhì)效果。

2 ）反射。光子從表面反彈。實(shí)際的光子反彈方向是受到物體表面的細(xì)微幾何結(jié)構(gòu)(microgeometry)影響。非常光滑的表面會產(chǎn)生完全相同的反射方向(就像鏡子一般)，如果是非常粗糙表面會產(chǎn)生散射光, 往各個(gè)方向反彈（但是不是真的往四面八方反彈） 。我們把平滑表面所產(chǎn)生的反射稱為高光反射(specular reflections), 從粗糙表面產(chǎn)生的反射稱為“漫反射”(diffuse reflections) ，介於兩者之間的反射稱為 “光滑反射”(glossy reflections) 。

非導(dǎo)電材質(zhì)的反射總是與光源顏色相同，所以他們所產(chǎn)生的反射是“白色”的 ，而導(dǎo)導(dǎo)電物質(zhì)則會讓反射的光線帶有顏色。導(dǎo)電物質(zhì)會反射出怎樣顏色的反射光線是根據(jù)材質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與入射角度有關(guān)。例如光子撞擊到黃金表面, 比較淺的入射角所產(chǎn)生的黃顏色會比直接打到黃金表面的光線顏色來的不明顯。

3 ）穿透光(Transmission)。光線穿透到物質(zhì)裡面就是“折射” ，它使光線的運(yùn)動方向改變。確切的光線折射方向是根據(jù)材質(zhì)的折射率，以及光線的入射角。表面的細(xì)微構(gòu)造可能會導(dǎo)致光線往多個(gè)方向分散運(yùn)動，就好像漫反射或光澤反射(glossy)那樣。這種效應(yīng)造成光線穿透毛玻璃(frosted glass)產(chǎn)生霧霧的效果。

只有非導(dǎo)電的物質(zhì)(dielectrics)可以被光線穿透。光線的穿透或是反射是根據(jù)他的入射角與物體的直射率。我們利用菲涅爾方程式作為解釋這個(gè)現(xiàn)象的模型�；�本上光線直接垂直打到物質(zhì)表面會穿透過去，但是低的掠射角就會大部分產(chǎn)生反射。

上述事件只會有其中之一會發(fā)生在光子/物體表面的互動，但我們數(shù)學(xué)模型可能會導(dǎo)致難以想像的數(shù)值，因此, 在處理光線反應(yīng)數(shù)學(xué)模型時(shí), 我們會控制不同比例的光子做不同的反應(yīng)。因此，金屬可能反射50 ％的光子，并吸收剩下的50 ％，對於玻璃來說，90 ％的光子穿透，5 ％反射 ，并吸收其餘的光子。

這個(gè)反射規(guī)則稱為規(guī)則反映了被稱為能量守恆：你反射的光子不該大於入設(shè)的光子數(shù)目。這種條件對大部分的渲染器是很麻煩的。常見的做法是採用相加層式的BRDFs （光照模型） ，在明暗器(shader)裡面含有漫射與高光反射的選項(xiàng)。你必須確保漫射與高光反射的總和不能大於1 ，這樣才能符合物理規(guī)則。當(dāng)然，這不是材質(zhì)真正運(yùn)作的方式真正的材料的方式行事，但是這種做法讓數(shù)學(xué)式更容易處理。據(jù)我所知，只有maxwell 與fryrender渲染器具有這樣的參數(shù)。

當(dāng)光線穿透到物質(zhì)當(dāng)中時(shí), 就會發(fā)生次表面散射(Subsurface scattering)現(xiàn)象，光子會在內(nèi)部彈跳。光線在內(nèi)部相互作用會造成一些能量被吸收，通常是不同波長的光線，因此，當(dāng)光線最終彈出去時(shí), 顏色會比較暗而且會帶有某些顏色。只有非導(dǎo)電物質(zhì)才會發(fā)生次表面散射，這是唯一一種情況非金屬物質(zhì)會產(chǎn)生有顏色的反射（記得嗎 剛剛說過，非導(dǎo)電物質(zhì)的反色總是白色的） 。所以每次當(dāng)你看到一個(gè)彩色的物體，而這個(gè)物體不是金屬，光線穿透到物體內(nèi)部，在內(nèi)部反彈, 過程中產(chǎn)生有顏色的光線, 然后最后又彈出物體。

mister3d: 關(guān)於漫射，我不知道是不是有物理學(xué)上的根據(jù)，但除非是被折射或反射優(yōu)先計(jì)算（在這種情況下，漫射是黑色的） ，漫射數(shù)值應(yīng)該是在20-80 ％的亮度范圍內(nèi)，跟飽和度設(shè)定的概念是一樣的。這樣的設(shè)定能產(chǎn)生更好的照明效果----比較不會有過度曝光或是過黑的問題。

高光反射有同向性反射(isotropic)或異向性反射(anisotropic)。異向性高光反射與物體表面凹槽垂直的方向作反射，而同向性反射則是均勻分佈

談到攝影機(jī)，有曝光，運(yùn)動模糊，景深，白平衡等效果。這些都很重要。但其他效果，主要是濾境造成的。

曝光是底片在光線底下曝露多久。暴露久一點(diǎn)---曝光比較亮，短一點(diǎn)---產(chǎn)生的影像比較黑。曝光是由：f-number（這個(gè)數(shù)值也控制景深） ，快門速度和底片速度（ ISO ） 。

運(yùn)動模糊是因?yàn)榭扉T打開足夠長的時(shí)間使運(yùn)動物體在底片留下痕跡。

景深大多是由f-number所控制，但是它也受到鏡頭大小底片門(film gate)，能創(chuàng)造失焦的效果，這對寫實(shí)渲染效果非常重要，例如微距攝影(macroshooting)。在現(xiàn)實(shí)生活中, 想要得到極端的景深效果代價(jià)是很昂貴的。天知道為什麼產(chǎn)生景深;也許鏡頭的快門區(qū)域部分被遮蔽, 造成了部份成像模糊的結(jié)果。

每個(gè)光源多少會有顏色(color temperature)，但人眼會欺騙我們，當(dāng)我們觀看光源時(shí) 人眼會很快適應(yīng)讓你誤以為看到的是白燈。白色平衡是在白色的光源變的更藍(lán), 藍(lán)的顏色變的更紅

下一步是你如何用CG軟體來實(shí)現(xiàn)這些物理效果，當(dāng)然這是個(gè)大問題。

當(dāng)然, 你還必須考慮到螢?zāi)坏挠绊懀耗�的軟件必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)男Ｉ�功�?--http://forums.cgsociety.org/showthread.php?f=2&t=188341 ，顏色溫度（ 6500k ）和伽瑪校正

如果你想造製作物理寫實(shí)的算圖效果, 你就必須要控制這些參數(shù)。下一步是如何使用您的渲染器實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，無論是利用與更先進(jìn)的算法（光線跟蹤）或以非物理演算法來計(jì)算(fake-based)(Rays)

以上是基本的解釋

playmesumch00ns: 全世界最反光材料是Spectralon ，它可以這反射大約90 ％的入射光 (以接近lambertian的方式反射） 。一張白皮書是反射率大約有80 ％。

全世界反射率最低的材料是到常見的iirc---大約有3 ％的反射 。當(dāng)然您是可以將反射率射為1 ％，但大概只能在實(shí)驗(yàn)室裡面才有可能有反射率那麼低的物質(zhì)。

mister3d: 這是我讀過最棒的材料科學(xué)解釋，謝謝你，你的解釋比我更正確。特別感謝你對景深(DOF)的解釋。

我不太確定ㄟ, 如果真的是這樣的話，mental ray與vray的反射數(shù)值將超過1 ，對不對？事實(shí)并非如此�；蛘吣闶窃谡凪axwell與fryrender的另外一個(gè)數(shù)學(xué)模型 ？

然而，我想提一下光線分佈方式。在現(xiàn)實(shí)生活中光線會擴(kuò)散，因此對於聚光燈來說你很少能看到尖銳的陰影。但是當(dāng)你在3D軟體中製作聚光燈時(shí)，通常有1? 1的熱點(diǎn) faloff的比率 ，這是錯的。正確的比率應(yīng)該是1? 10 ，這樣你才會有自然的衰減。只要跟區(qū)域光源比較你就知道，真實(shí)光源是應(yīng)該怎樣表現(xiàn)的。

還有一點(diǎn)就是空氣透視效果：距離越遠(yuǎn)的物體顏色會比較昏暗，是因?yàn)榭諝夂�有小顆粒的灰塵，如果你是要表現(xiàn)物理真實(shí)的戶外場景就要考慮到這點(diǎn)

為了說明色溫，色溫規(guī)則對我來說就是沒有任何規(guī)則。主要有兩種色溫表示方式---kelvins和流明(lumens)，但如果你死板地使用的話你就只是一個(gè)調(diào)色溫的機(jī)器人，你應(yīng)該要依據(jù)顏色來調(diào)整而不是kelvins和流明。一般規(guī)則是，室外光亮度比很多室內(nèi)亮很多, 而且光源會有顏色。某些藝術(shù)家不使用任何有顏色的光源。這是因?yàn)樗麄冋J(rèn)為眼睛會快速適應(yīng)所觀看到的有色光源，將它們視為白色。但是，一但你用像機(jī)拍照的時(shí)候，你就會發(fā)現(xiàn)根本沒有這樣的事(除非你有設(shè)定白平衡whitebalance） 。請記住：顏色會影響心情，在電影中也使用有顏色的底片，所以為了要表現(xiàn)戲劇性的畫面你必須要研究色溫心理學(xué)。

thev: 你的說法有點(diǎn)過時(shí)了，最新的渲染器其實(shí)已經(jīng)強(qiáng)制設(shè)定能量守恆的效果, 使用者根本不需要手動去設(shè)定---這包括V-Ray 與 mental ray渲染器。
(譯者註: thev是Vray的開發(fā)者之一)

playmesumch00ns: 不, 我說的是這些渲染器的反射數(shù)學(xué)模型。就我所知它們是用Schlick BRDF為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型 （但似乎比Schlick BRDF更好，因?yàn)槲覍?shí)際使用Schlick BRDF感覺根本不好用） 。不同的是，它們只有1個(gè)異向反射模型，而且這個(gè)反射模型可以表現(xiàn)由lambertian漫射到完美高光之間的連續(xù)變化狀態(tài)。因此，它們能夠比blinn-phong表現(xiàn)出更符合真實(shí)世界的效果。

老式的漫射 高光明暗器面著色(diffuse specular shaders)做出來的效果其實(shí)效果也還不錯，因?yàn)榇蟛糠值某Ｒ娢镔|(zhì)都是有分層的或基板材料(substrate materials)，例如：油漆，塑料或涂漆木材。這類材質(zhì)，具有的漫射層，這個(gè)漫射層被高光層所覆蓋（例如油漆，塑料等漫射材料被高光材質(zhì)所覆蓋） 。這類的材料可以被老式著色器很好地表現(xiàn)出來。你甚至可以用這類數(shù)學(xué)模型表現(xiàn)出合理的皮膚材質(zhì), 就像木材覆蓋一層亮光漆一樣。

正如thev所說，我的說法有點(diǎn)過時(shí)了，也許其他渲染器也有提供類似的參數(shù)設(shè)置，我很多年都沒用過v-ray/brazil/finalrender，目前則是不用mental ray。

thev: 目前還沒有一個(gè)解析BRDF數(shù)學(xué)模型，可以準(zhǔn)確地表示世界上所有的材質(zhì); Cook-Torrance數(shù)學(xué)模型相當(dāng)接近這個(gè)目標(biāo)，但已採樣的觀點(diǎn)來說它不是很好用。最好的方法是用測量出來的BRDF數(shù)據(jù)，但即使這樣，通常需要一些逼近數(shù)字與某些假定。

mister3d: 還有一個(gè)東西，涉及硬表面模型，但是與照明有關(guān)的----那就是倒圓角(fillets)。倒圓角可以在高光燈光底下強(qiáng)化模型的表現(xiàn)。 但要考量倒圓角的實(shí)際尺寸。不要對建筑物做10公尺的倒圓角;一定要依照實(shí)際尺寸來建立倒圓角

我已經(jīng)提過了，所有的物體在某種程度上都有反射的屬性。因此，如果你要表現(xiàn)寫實(shí)的算圖效果, 記得把所有的材質(zhì)都套用上菲涅爾反射設(shè)定, 沒有例外。
反射對於表現(xiàn)真實(shí)算圖效果是第二重要的(第一重要的是全局照明)（從技術(shù)上來講，天份才是最重要的）
下面的例子說明有反射與沒反射的差別�？纯从蟹瓷溆卸嘭S富的表現(xiàn)效果。這就是建筑業(yè)不斷使用的----菲涅爾反射

然而，在現(xiàn)實(shí)世界中反射大多是模糊，而不是鏡子一樣。跟銳利和柔和一樣的觀念。每次都使用柔和陰影，就不會錯了。儘管在許多初學(xué)者的作品中，你可以看到一輛汽車具有鏡面反射與銳利影子

這是一個(gè)狠深入的話題，但真實(shí)照明仍然狠重要。在非常光明的影像中可能過於飽和, 看起來不正確，應(yīng)該要在后制里面作修正 ，無論是用photoshop或在其他合成軟體。在真實(shí)的照片中暗部的地方表現(xiàn)是飽和的，但更明亮的地方應(yīng)該會比較不飽

cryptosporidium: 問到反射的顏色。你為什麼說所有的非導(dǎo)電物質(zhì)都是反射白色呢？當(dāng)你看看四周，狠顯然所有的反射都是有色的。我的看法是，有色的反射并不是受到材質(zhì)表面的影響，而是受到入射光本身的波長有關(guān)。換句話說，當(dāng)被波長是紅色的光線射重時(shí)，反射的光線就是紅色的，這樣講有錯嗎？所以，我會說不導(dǎo)電的材質(zhì)不會把反射的光線染上顏色，而相反的, 金屬會把反射光染上它的顏色，因此金屬的反射光可能是有點(diǎn)黃，有點(diǎn)藍(lán)或是其他顏色。如果我有講錯請更正我...

mister3d: 反射光看起來有顏色，是因?yàn)樗鼈兎瓷漕伾�，而不是因�(yàn)椴馁|(zhì)將反射光染色，因此當(dāng)你套用黑白的貼圖到材質(zhì)上面時(shí), 它將反射光源的顏色但是不會將光線染色。也許我用錯字了吧---不應(yīng)該說是白色，而是它不反射顏色。我的意思是貼圖是黑白的，而不是說反射線不會反射顏色。

cryptosporidium: ok，我現(xiàn)在正確地理解這些材質(zhì)了。非導(dǎo)電物質(zhì)不會將反射光著色，但金屬會。

playmesumch00ns: 當(dāng)然可以。所有我見過不同的brdf都能符合測量數(shù)據(jù)（a&s提供了最新的論文）, 採用的是多重lobes數(shù)學(xué)模型。但這不是使用者想要花時(shí)間去調(diào)整的參數(shù)。

當(dāng)我說maxwell與fryrender的brdf模型在概念上比較好的原因是：在真實(shí)世界里面真的會有l(wèi)ambertian模組外加上高光lobe的情況嗎？我認(rèn)為maxwell與fryrender的數(shù)學(xué)模型更具有吸引力，因?yàn)樗鼈兏�方便進(jìn)行藝術(shù)性的調(diào)整，雖然我說過了，我還沒有看到這些渲染器能提供真實(shí)的皮膚材質(zhì)

dtox: 太好了, 你們所提供的資訊是我在整個(gè)cgtalk論壇里面看過最棒且詳細(xì)的資料。

mister3d: tox兄，以上是我對cg科學(xué)的說明，但是如果您想要更深入的資訊的話，我建議你讀這本書，我買了最近買了這本內(nèi)容非常棒，這本書介紹了所有關(guān)於物體材質(zhì) 照明等資訊http://www.amazon.com/langfords-bas...16178159&sr=8-1優(yōu)秀的插圖， 已經(jīng)出了第八版了，而且價(jià)格合理。

dtox:我對攝影也有興趣。 我不是一個(gè)真正攝影師但我常會為了要參考圖去拍照。 光線讓我深深著迷。 特別當(dāng)我可以把現(xiàn)實(shí)世界的照明融合到cg的世界里。當(dāng)我在使用cg攝影機(jī)時(shí), 在想不知道有什麼關(guān)於cg動畫相關(guān)的理論。像是有沒有可能添加出了alpha與深度以外的通道到渲染器產(chǎn)生的影像當(dāng)中。

如讓你可以添加紅外線(ir)通道到你的攝影機(jī)參數(shù)中。例如讓攝影機(jī)，除了捕捉可見光光譜以外，還能添加紅外線通道，讓您可以編輯最后影像的可見光譜。 而且還可以讓您可以提供分pass。它不僅讓您可以控制燈光外，它也可以用來更準(zhǔn)確地模擬爆炸的顏色效果從簡單的碳火，到噴氣機(jī)引擎，甚至恒星行程的效果和太空特效。

他們使用了類似哈伯望遠(yuǎn)鏡的色彩技術(shù)。我談的是比較鬆散的講法。 除非你生成一個(gè)熱資訊的灰階圖像來模擬爆炸和熱效果，也可以用多種顏色表現(xiàn)溫度控制與照明。 甚至你可以用紫外線通道用來動態(tài)控制gamma。 更容易地模擬太陽光且更真實(shí)。

我不知道m(xù)axwell, fry實(shí)際上是怎樣計(jì)算，我甚至沒有一套v-ray。我使用cinema4d 10內(nèi)建的高級渲染模組。但是當(dāng)計(jì)算gi, sss與焦散時(shí)會計(jì)算狠緩慢。 所以，沒有辦法依照自己的想法去控制場景照明。 但長期來看c4d真的狠容易制作逼真的影像。

magnus3d: 我并不想開始發(fā)一個(gè)新帖，所以就直接在這里問問題了。 當(dāng)你們設(shè)定材質(zhì)的時(shí)候(shaders)，你會用怎樣的方法去設(shè)定？你是用物理精確的方式嗎？也就是說，您會用實(shí)際測量的數(shù)據(jù)來設(shè)定您的材質(zhì)�；蛘吣闼阉鞔罅康膮⒖假Y料（圖片和文字）去設(shè)定材質(zhì)，然后只用肉眼觀察參考資料來重建真實(shí)世界的材質(zhì)？我把這種方法稱為從后拍照法(shoot-from-the-hip)。

上述兩種方法你最喜歡哪一個(gè)？或者你使用完全不同的做法呢？

cryptosporidium: 當(dāng)建立材質(zhì)時(shí)，我是用眼睛觀察真實(shí)世界的材質(zhì)效果, 讓它的視覺效果好看 不見得使用物理精確的數(shù)值。沒有人會管說ior, bdrf等參數(shù)，只要可以讓材質(zhì)看起來逼真就好。

bulletproof: 我同意。我真的不管物理上是否精確。我只用物理數(shù)值當(dāng)作概括的輪廓。然后我微調(diào)參數(shù)達(dá)到我想要的效果, 這個(gè)效果不一定是相片寫實(shí)的。只要是最終材質(zhì)的效果是你要的。

magnus3d: 真有趣, 你們是採用后拍照法來設(shè)定材質(zhì)，而不是用物理精確的方式。那我可不可以借問你們都是用什麼渲染器？

我使用的maxwell 與fry來算圖, 這兩個(gè)渲染器使用比較物理精確的方法設(shè)定材質(zhì)，老實(shí)說，當(dāng)你修該材質(zhì)時(shí)能預(yù)測最后的效果感覺會比較好。我在vray 或finalrender里面沒有看到如此簡單邏輯。

bulletproof: 我自己是狠喜歡使用modo與其算圖引擎。狠容易設(shè)置，也可以狠快算出結(jié)果。因?yàn)槲乙灿胢aya所以我的一些作品是用maya的mentalray算圖。

cryptosporidium:我在制作電影特效十大部分都是用xsi / mental ray。更準(zhǔn)確地說，能用這種物理精確的渲染器狠棒, 我總是盡可能的使用這類渲染器. 但現(xiàn)實(shí)的情況是, 導(dǎo)演會告訴你，那邊太暗，那邊應(yīng)該要多一點(diǎn)反射，你不可能跟導(dǎo)演說那樣改的話就會違反物理定律，因?yàn)槲抑�道現(xiàn)實(shí)狀況不可能那樣只是說我們想要吸引觀眾注意，或是想要更好的構(gòu)圖. 因?yàn)槲覀兪窃谧鏊囆g(shù)（至少從某些角度來看） ，我們應(yīng)該把可信度和視覺效果作為目標(biāo)，而不僅僅是物理精確的。在大部分情況下, 寫實(shí)主義通常沒有吸引力，缺少了藝術(shù)感道，結(jié)果就是---無聊。

playmesumch00ns: 當(dāng)使用prman制作視覺效果時(shí)，我盡量達(dá)到物理精確的目標(biāo)，我只在有必要的時(shí)候才會往藝術(shù)感的方向調(diào)整。 為什麼我要這樣做呢?，根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，用正確的參數(shù)算圖（盡可能的達(dá)到物理與數(shù)學(xué)精確）的方法，結(jié)果比較可以預(yù)期。

一再地使用藝術(shù)角度來調(diào)整材質(zhì)參數(shù)(layering artistic hack)會讓你狠快地產(chǎn)生難以收拾的結(jié)果。此外，如果你不用正確的方式調(diào)整材質(zhì)（如同那些設(shè)計(jì)師的想法），結(jié)果往往是怪誕或是支離破碎的渲染結(jié)果。尤其是，當(dāng)你與其他藝術(shù)家工作 需要設(shè)定多個(gè)鏡頭時(shí)候更為重要。

moidphotos: 首先我想說，謝謝每位在這帖發(fā)言的網(wǎng)友2這些文章狠有教育性, 讓我重新思考過去的工作流程。

我贊成dtox的說法 ，我想你所要問的是所謂的光譜渲染法(spectral rendering)---利用一個(gè)比可見光更大的能量范圍來表現(xiàn)傳統(tǒng)的rgb通道。mental ray有支援光譜渲染法，但我沒有實(shí)際的使用經(jīng)驗(yàn)，我聽說mental images的某位員工幫他們的客戶成功建立光譜材質(zhì)(spectral shaders)，使他們以18個(gè)顏色通道處理影像，讓材質(zhì)表現(xiàn)出不同光線，例如能夠表現(xiàn)紅外線(ultra violet light)對材質(zhì)有怎樣影響，或是infra red對物體有怎樣的影響。希望這可以用到您今后的研究。

playmesumch00ns: 好的, “光譜渲染”通常指的是對於對於可見光譜的採樣（通常是380 - 780nm ，如果我沒有記錯的話）通常比典型rgb色彩更為細(xì)緻。換言之，而不只是三色組成部分-r gb -你可能有8或1 0或3 0等數(shù)值 。

在怎麼樣的材質(zhì)與渲染器能做到呢？散射會造成不同波長的光產(chǎn)生不同程度的折射，造成了彩虹一樣的效果。

關(guān)於散射, 在wikipedia有詳細(xì)介紹

http://en.wikipedia.org/wiki/Dispersion_(optics)

dtox: 在cinema4d中有一個(gè)基本的材質(zhì)其中一個(gè)選項(xiàng)，稱為反射的散射(dispersion)。我一直認(rèn)為散射會讓反射變的模糊。 現(xiàn)在才知道這根本就不影響透明度, 我一直都弄不懂散射是什咪。
其實(shí)散射效果不是狠明顯, 因此不是狠懂原理所以我也避免用它，因?yàn)樗�似乎沒有必要。

另外，當(dāng)你看到cg燈光的“疊加選項(xiàng)(additive)”，到底是什麼意思？它是否就是指材質(zhì)樹(shader structure)中的混合模式？ 這是否指的是“顏色疊加理論(additive color theory)” ？

playmesumch00ns: 是的，基本上。它基本上就是假設(shè)光線是以線性的方式混色，例如分別渲染不同的燈光然后疊加在一起(a+b+c))就會等於你同時(shí)把所有燈光打開一樣的效果。有某些情況下，這種疊加演算法是不正確的（如例如攝影底片） ，但它的結(jié)果狠接近實(shí)際的物理學(xué)，這樣能大大簡化數(shù)學(xué)演算。我不熟悉cinema4d ，所以我真的不知道，c4d里面那個(gè)控制選項(xiàng)到底在做什麼。聽起來就像是一個(gè)模糊的反射控制，只是命名不佳（我認(rèn)為應(yīng)該要命名成1分歧1(divergence) ） 。

dtox: 當(dāng)你說多個(gè)影像合成時(shí), 你是說燈光效果能夠以不同的pass合成在一起嗎？讓你做進(jìn)一步控制，是嗎？ 有沒有一種專門的混合模式讓光線的混合結(jié)果能夠吻合實(shí)際上物理學(xué)的表現(xiàn)方式？ 如“添加(add)”模式 ，如同我先前提到的“添加劑(additive)”的功能？

這有點(diǎn)離題了。 如果我沒有使用maxwell這類的渲染器, 我用真的物理參數(shù)去設(shè)定光源還會對真實(shí)渲染有幫助嗎? 例如，假設(shè)我做了一個(gè)狠標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)場景照明, 利用一般的區(qū)域光來模擬真實(shí)的鹵素?zé)簟?我如果把真實(shí)的鹵素?zé)舻纳珳靥子玫轿业膮^(qū)域光中, 對於真實(shí)算圖有利嗎？

沒錯。 本來應(yīng)該就命名成模糊(blur)。 下一版的cinema 4d把它命名“ blurriness ” 。
為什麼又稱為又散射，就難倒我了。 c4d的材質(zhì)參數(shù)狠多都命名的狠怪。

playmesumch00ns: 是的，只是一個(gè)普通1添加1 。我就是記不住photoshop的混合模式是怎樣使用，但如果是用shake就只需要一個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以了。這個(gè)做法是假定燈光可以分開算圖 然后最終在以疊加的方式合成最終效果。

這要依照需求。如果您的專案是全cg動畫的, 那每盞燈的強(qiáng)弱的控制性就對色溫調(diào)整狠重要。如果想要讓cg色彩與真實(shí)底片的顏色吻合, 那就一點(diǎn)意義也沒有，因?yàn)橥ǔ５灼�拍出來的顏色狠少能與真正的顏色一樣。

使用maxwell的最大優(yōu)點(diǎn)是它狠方便, 因?yàn)橛跋裨谡嬲�輸出前就已�?jīng)調(diào)過色了(tone mapped), 所以確實(shí)的數(shù)據(jù)根本沒有意義。

dtox: 所以，maxwell輸出時(shí)會階調(diào)映射。哎呀，我以前從來不知道這一點(diǎn)。 這是所有算圖引擎的標(biāo)準(zhǔn)程序嗎？ 或者是只有maxwell有提供這功能？

我去年在攝影板上有學(xué)到階調(diào)映射(tone mapping)。 順帶提一下，算圖時(shí)如果存成raw檔案可能會更好。 電腦算圖理論上可以產(chǎn)生毫無瑕疵的raw檔案, 因?yàn)榛�本上算圖結(jié)果沒有經(jīng)過光學(xué)透鏡。

你將你的cg算圖影像與相機(jī)拍的影像用raw檔案作合成, 就像red1或adobe cameraraw那樣, 這樣會有更多的參數(shù)可控制, 你也可以用raw做文件歸檔的格式可以提供比賽畫面中的raw工作流程，畫面從相機(jī)一樣red1 ，及劇照在像adobe公司cameraraw 。然后，你想有一個(gè)更大數(shù)額的控制權(quán)屬性的影像之前它實(shí)際上是轉(zhuǎn)換成位圖圖像。 你也可用raw做文件歸檔。

有用過adobe camera raw的人都知道優(yōu)點(diǎn)在哪里。 用red1工作你可以輸出2k和4k的影片 。使用raw這種直接擷取出來的資料, 以pre-bitmap的形式.用acr來處理raw檔案狠方便。
您可以輕鬆地調(diào)整白平衡，色溫，燈光類型，陰影/高光，標(biāo)準(zhǔn)和中間色調(diào) 對比，銳利化。
一切都在進(jìn)入到photoshop之前就可以調(diào)整了。

在許多情況下，沒有必要做進(jìn)一步的編修。

playmesumch00ns: 為什麼乾脆算圖成openexr格式, 讓你有額外的資料可以處理？有一天，所有電影將用數(shù)位底片 然后直接輸出成linear exr。至少我希望如此。

dtox:將算圖輸出成raw的優(yōu)點(diǎn)是你可以直接將檔案與red1攝影機(jī)的資料的工作流程合在一起。我能想像算圖成hdr/exr格式會狠難處理, 即便輸出成狠小解析度的影像。 除非你有特殊需求, 要不然渲染成hdr/exr格式會浪費(fèi)更多時(shí)間算圖。 如果你真的有需要hdr/exr格式可以幫你節(jié)省調(diào)整影像的時(shí)間，跟普通的bitmap比較的話。

我還注意到，當(dāng)你用photoshop去開hdr/exr, 有些功能你沒辦法用。
但是raw格式就不會這樣 。

playmesumch00ns: 算圖成exr，應(yīng)該不會花費(fèi)更多的算圖時(shí)間。如果會的話, 你的渲染器還真是爛(f * cked) 。

photoshop的狠多功能不支援浮點(diǎn)影像，但你可以藉由切換位元深度(bit depth)來使用那些功能。

dtox: 切換的位元深度，不就會喪失了使用exr格式的優(yōu)點(diǎn)？

bt3d: 是的，轉(zhuǎn)換位元深度會讓您1正常1的影像。修圖最好盡量用高位元深度來操作（例如色階控制，曝光等等） ，除非要使用某些高位元深度不支援的濾鏡才切換到低位元深模式。

stew: 不，不會有益。 raw的優(yōu)點(diǎn)只有一個(gè)，那就是它直接儲存相機(jī)的感光源件的原始資料。用電腦算圖出來的raw格式和你相機(jī)輸出的raw格式非常不同, 如果你想把渲染圖轉(zhuǎn)換成類似相機(jī)的raw格式, 可能會降低影像品質(zhì)。

此外，raw根本就還沒有標(biāo)準(zhǔn)化---不同廠牌的相機(jī)有不同的raw格式，甚至同一家廠牌但不同型號的相機(jī)也有可能有不同的raw格式解算方式。raw并不直接儲存影像資訊，它就只是儲存感光原件的原始數(shù)據(jù)而已。

openexr能滿足目前常見的數(shù)位工作流程