３ＤＳ ＭＡＸ中高級照明技術應用研究

摘要：高級照明技術是3DS MAX中提供的渲染功能，能夠通過計算場物體彼此照明的相互影響來創(chuàng)建更為真實的照明環(huán)境。高級照明技術包含了光線跟蹤(raytrace)和光能傳遞(radiosity)兩種照明算法。光跟蹤器能為明亮場景提供邊緣柔和的陰影和顏色滲出，它通常用于模擬環(huán)境日光的天光對象。光能傳遞計算場景中所有曲面的強度，比光跟蹤器更精確。文章主要討論3DS MAX中光跟蹤器和光能傳遞的基本工作原理、使用方法及經(jīng)驗。

關鍵詞：光跟蹤器；光能傳遞；高級照明；全局照明

0 引言

3DS MAX中提供了兩種照明技術：全局照明(GlobalIllumination)技術和局部照明(Local Illumination)技術。局部照明技術是一種非完全照明方法，它只考慮從光源照射出來的光線及單獨曲面對光的反射或透射。全局照明考慮的是光在物體表面間相互傳遞產(chǎn)生的間接照明效果，如光照射到物體表面后，有些光線反射到其它對象(含自身)表面上，有些光線被表面吸收(使對象呈現(xiàn)不現(xiàn)色彩和質(zhì)地)，有些光線則透過表面而照射到其它對象表面等。全局對象比局部照明算法要復雜得多。在3DS MAX中使用兩種全局照明技術：光跟蹤器和光能傳遞。

1 光跟蹤器

我們知道，自然界中物體能在人腦中形成圖像，是人的眼睛接受物體表面反射的光子(直接反射或表面多次反射的光子)后形成的。計算機中用攝像機來模擬人的眼睛，屏幕上的像素表示人眼的感光系統(tǒng)。光跟蹤器的工作過程為，先從攝像出發(fā)，通過監(jiān)視器上的像素，做一條射線，直到它與一個曲面相交(即光子遇見對象表面)，根據(jù)對象材質(zhì)決定該點的亮度(亮度計算要反向追蹤一次)、顏色等，這就完成了一次光跟蹤，如果相交的曲面有光澤的或透明，這時光跟蹤器會在反射或透射方向上再執(zhí)行光跟蹤，如果光線遇到的另外曲面仍有光澤的或透明，則重復光跟蹤過程。光跟蹤器算法實際上是一種對光線采樣的過程。這種照明算法，對光線照不到的對象不會計算，因而存在不足。

光跟蹤算法的應用非常廣泛，因為它可以建立多種照明效果的模型，可以精確地實現(xiàn)直接照明的全局照明特性、陰影、鏡面反射(比如鏡子)以及通過透明材質(zhì)的折射。光跟蹤的主要不足在于即使對中等復雜的環(huán)境它也可能處理得非常慢。在3Ds max中，光跟蹤有選擇的用于使用光跟蹤材質(zhì)的對象上，這些材質(zhì)將光跟蹤指定為其著色選項。光跟蹤也可以指定為渲染光源投射陰影的方法。

2 光能傳遞

光能傳遞是解決場景照明的另一種算法，是一種與視點無關(view-independent)的全局照明(global illumination)算法，它模擬場景中漫反射表面間的光能傳遞過程。假定所有到達物體表面(surface)的光線都會被反射回場景中，場景中所有可見的物體都能發(fā)出光線或反射光線，光能在場景的表面間可以互相傳遞。光能傳遞算法的原理是，將場景細分成大量的小多邊形，從未射出光能最大的一個小多邊形開始，把它射出的光能加到其它所有的小多邊形上，之后把未射出光能的小多邊形中光能次大的小多邊形射出的光能加到其它所有的小多邊形上，反復執(zhí)行這一過程，直到達到指定的精度，光能傳遞的最終值就記錄在各小多邊形中。

物體表面間光的能量傳遞遵循以下光能傳遞方程：

Bi＝Ei＋Pi∑BjFji其中：Bi表示表面i的輻射度，Bj表示表面j的輻射度；

Ei表示表面i的發(fā)射率，Pi表示表面i的反射率；

Fji表示表面j相對于表面i的形狀因子。

現(xiàn)在光能傳遞技術都是建立在Stochastic Relaxation ren-dering(簡稱為SRR)技術基礎上的，常用的有progressive ra-diosity和wavelet radiosity。

光線跟蹤和光能傳遞算法優(yōu)點和不足比較見表1。

3 光跟蹤器與光能傳遞的使用方法

3.1 光跟蹤器的使用方法

根據(jù)前述分析，由于光跟蹤器只對光線進行追蹤采樣，因此對場景的要求不高，只需按常規(guī)方式建立場景和模型，添加標準燈光(也可加光度學燈光)。

具體步驟如下：

(1)打開“渲染”(Rendering)菜單中“高級照明”(Advanced Light)下的“光跟蹤器”(Light Tracer)，打開“渲染場景：默認掃描線渲染器”對話框，在“選擇高級照明”(SelectAdvanced Light)卷展欄中，選取“光跟蹤器”(Light Tracer)選項。

(2)設置必要的參數(shù)(其中增加“反彈”、“向下細分至”兩個選項的值，可大大提高渲染效果，但也會降低渲染的速度)，進行渲染測試，查看渲染情況。

(3)根據(jù)渲染情況，調(diào)整追蹤參數(shù)，反復調(diào)試，直到得到滿意效果。

3.2 光能傳遞的使用方法

光能傳遞由于要把場景分成很多小多邊形，因此場景中對象的尺寸就非常重要，最好按實際尺寸來建立。光能傳遞可分為人工模擬和仿真現(xiàn)實兩種。仿真現(xiàn)實是指場景中的燈光使用基于物理的光度學燈光(Photometric lights)，自然光要使用IES Sun和IES Sky，場景中的材質(zhì)設置應與現(xiàn)實中的一致。

下面僅以仿真現(xiàn)實為例說明使用光能傳遞的具體步驟：

(1)在場景中設置光度學燈光，設置曝光類型并渲染場景，調(diào)節(jié)燈光的位置、強度等。

(2)打開“渲染”(Rendering)菜單中“高級照明”(Advanced Light)下的“光能傳遞”(Radiosity)，打開“渲染場景：默認掃描線渲染器”對話框，在“選擇高級照明”(SelectAdvanced Light)卷展欄中選擇“光能傳遞”。

(3)“光能傳遞”的調(diào)節(jié)參數(shù)較多，其中常用的有“初始質(zhì)量”、“優(yōu)化迭代次數(shù)”、“對數(shù)曝光控制”、“網(wǎng)格尺寸”、“重聚集間接照明”等參數(shù)。“重聚集間接照明”用于根據(jù)全部光源計算明暗色調(diào)，糾正黑斑和光線滲漏。使用這種方式能夠產(chǎn)生最好的渲染效果，但需耗費較長的渲染時間。

(4)在“光能傳遞處理參數(shù)”(Radiosity Parameters)卷展欄中，單擊“開始”(Start)按鈕，系統(tǒng)開始光能傳遞計算，當計算完成時就能在視圖里看到計算結(jié)果。

(5)單擊“渲染”按鈕，對場景進行最終渲染，根據(jù)渲染情況，調(diào)整“光能傳遞”的調(diào)節(jié)參數(shù)，反復調(diào)試，直到得到滿意效果。

4 結(jié)束語

由于光跟蹤器不考慮場景真實的物理數(shù)據(jù)和尺寸，對模型沒有什么要求，一般用來制作室外照明效果，而且渲染速度也較快。使用光跟蹤器照明，不適宜制作室外動畫，因為會使畫面產(chǎn)生閃爍。

光能傳遞比較適宜室內(nèi)照明，因為室內(nèi)場景較小，易于分解；室內(nèi)光照要細膩、清晰、真實，而光能傳遞是基于物理方式的照明方法，可以真實再現(xiàn)室內(nèi)光線照明效果。