三維場(chǎng)景中燈光系統(tǒng)的應(yīng)用

1、三維場(chǎng)景中燈光系統(tǒng)的應(yīng)用    摘要:燈光的配置是三維場(chǎng)景設(shè)計(jì)當(dāng)中的一個(gè)重要組成部分。它可以照亮場(chǎng)景、使物體顯示出各種反射效果、創(chuàng)建陰影和特效。通常燈光和材質(zhì)、環(huán)境共同作用,它們的結(jié)合可以使得三維作品更具有真實(shí)感。有效的燈光管理可以大幅提高渲染速度和優(yōu)化渲染效果。    關(guān)鍵詞:三維場(chǎng)景;燈光系統(tǒng);三點(diǎn)照明法;陰影貼圖;燈光陣列        在三維世界中,物體材質(zhì)表現(xiàn)出的效果完全取決于燈光的照射。為建立好的場(chǎng)景或者模型賦予材質(zhì)并打上燈

2、光可以極大地增強(qiáng)模型的逼真感,令場(chǎng)景或模型栩栩如生。燈光還可以用來(lái)烘托和渲染畫面的氣氛。幾乎所有的三維建模軟件都自帶燈光面板,并可以模擬出在現(xiàn)實(shí)世界中的所有燈光效果。近年來(lái),三維建模技術(shù)和動(dòng)畫技術(shù)日益成熟,而對(duì)于燈光到底如何較好地在三維建模軟件中應(yīng)用對(duì)于許多學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)仍是個(gè)難點(diǎn)。本文以三維建模軟件3dsmax為例對(duì)燈光系統(tǒng)在三維軟件中的應(yīng)用進(jìn)行探討。        13dsmax燈光系統(tǒng)簡(jiǎn)介    在3dsmax的燈光面板上的標(biāo)準(zhǔn)燈光系統(tǒng)是一種基于計(jì)算機(jī)的模擬燈光。不同種類的

3、燈光對(duì)象可用不同的方式投射燈光,用于模擬真實(shí)世界不同種類的光源。其大致分類有:        聚光燈。表現(xiàn)為在一個(gè)圓錐形的區(qū)域里均勻的發(fā)射光線。聚光燈有目標(biāo)聚光燈和自由聚光燈兩種:前者是一種投射光束,可影響光束內(nèi)被照射的物體,產(chǎn)生一種逼真的投影陰影,當(dāng)有物體遮擋光束時(shí),光束將被截?cái)?且光束的范圍可以任意調(diào)整;自由聚光燈是一種沒(méi)有投射目標(biāo)的聚光燈,通常用于運(yùn)動(dòng)路徑上,或是與其它物體相連而以子對(duì)象方式出現(xiàn),比如模仿類似手電筒和汽車前燈發(fā)出的燈光。因?yàn)榫酃鉄艨梢院苋菀椎乇欢ㄎ缓涂刂?故常用聚光燈作為照明場(chǎng)景的主光源。&#

4、160;   平行光。平行光常常用來(lái)模擬陽(yáng)光效果,方向均勻的發(fā)射燈光。箭頭指示光照方向,光線是互相平行的。平行光在室內(nèi)場(chǎng)景的燈光設(shè)置中經(jīng)常做為配合或輔助光源來(lái)使用,而不作為主要光源。在大的室外場(chǎng)景中,可以從若干個(gè)不同的角度發(fā)出多個(gè)方向光作為整體的輔助光源。        泛光燈。用于模擬燈泡或者蠟燭的光。從光源位置處向各個(gè)方向發(fā)散。照射范圍可以任意調(diào)整,并可以對(duì)物體產(chǎn)生投影陰影。泛光燈在很多時(shí)候適合用來(lái)做輔助光,用于襯托物體的外形。    

5、60;   天光。天光可以從四面八方同時(shí)對(duì)物體投射光線,從而模擬日光的照射效果。天光燈的設(shè)置非常簡(jiǎn)單,在大多數(shù)表現(xiàn)室外照明的場(chǎng)景中,只使用一盞天光燈就可以獲得理想的照明效果,并且還可以得到類似穹頂燈一樣的柔化陰影。天光比較適合使用在開放的室外場(chǎng)景照明。并只有與光能傳遞渲染器配合才能得到理想的照明效果。        MR光。又稱區(qū)域燈光,是從幾何區(qū)域發(fā)射光的燈光。    當(dāng)使用專用渲染插件MentalRay渲染器渲染場(chǎng)景時(shí),區(qū)域泛光燈從球體或圓柱

6、體區(qū)域發(fā)射光線;區(qū)域聚光燈從矩形或碟形區(qū)域發(fā)射光線。值得注意的是,此類型光比較耗費(fèi)渲染時(shí)間。    除此之外,還可以利用環(huán)境面板中的體積光和輝光效果來(lái)增添場(chǎng)景的特效。普通光效只能照亮物體,使物體產(chǎn)生明暗的光感和投射陰影。而體積光可以在場(chǎng)景中被看到。體積光可以表現(xiàn)光線照明中的空氣微粒效果。如在光束照耀下塵埃的飄動(dòng)等。而輝光效果一般用來(lái)模擬普照大地的太陽(yáng)或者爆炸的中心。        2采用三點(diǎn)照明法作為三維場(chǎng)景的布光策略    被廣泛應(yīng)用

7、于平面攝影,電影電視中的三點(diǎn)照明法被采用在三維場(chǎng)景中,其簡(jiǎn)便易行,被許多設(shè)計(jì)師所接受。三點(diǎn)照明法實(shí)際上就是指光從三個(gè)不同的角度對(duì)物體進(jìn)行照明;這三個(gè)不同角度的光被定義為:關(guān)鍵光、輔助光以及背光。    三點(diǎn)照明法的思路是:首先先加關(guān)鍵光,也就是物體的主要照明燈光,利用它在場(chǎng)景中創(chuàng)建初步的燈光效果。它定義了大部分的可視高光和最深陰影。關(guān)鍵光要亮于任何正面照射物體的光源。關(guān)鍵光的亮度必須達(dá)到足以使一個(gè)不光滑的物體(也就是沒(méi)有高光)在渲染場(chǎng)景內(nèi)正確顯現(xiàn)。例如能夠模擬太陽(yáng)光、透明窗戶或是房間內(nèi)的吊燈。通常放在四分之三的位置上(從物體的正面轉(zhuǎn)45度,并從中心線向上

8、轉(zhuǎn)45度,這一位置很多時(shí)候被當(dāng)作慣例使用)。但根據(jù)具體場(chǎng)景的需要,也可來(lái)自物體的下面或后面,或者其他任何位置。值得注意的是,關(guān)鍵光不局限于一盞燈光,也可是多盞。    其次添加輔助光:只加入關(guān)鍵光的場(chǎng)景多數(shù)條件下不夠明亮。需要使用輔助光源為關(guān)鍵光做輔助照明來(lái)突現(xiàn)更多的細(xì)節(jié),照亮主光源沒(méi)有照亮的區(qū)域,體現(xiàn)層次性。通過(guò)添加環(huán)境光來(lái)確定整幅作品的基調(diào),也能夠提高整個(gè)場(chǎng)景的亮度。但這種整體性也導(dǎo)致一些缺點(diǎn):比如不能對(duì)高光和陰影帶來(lái)變化,逼真度不強(qiáng)。因此在創(chuàng)作時(shí)還應(yīng)該增添一些低亮度的聚光燈或者泛光燈和平行光放在與關(guān)鍵光相對(duì)的位置(若關(guān)鍵光向左打,則輔助光向右打,反

9、之亦然)這樣就可以減淡關(guān)鍵光所帶來(lái)的陰影。從而提亮過(guò)于黑暗的區(qū)域。尤其注意輔助燈光強(qiáng)度不要高于主光源。        再次就是背光:在頂視圖中增加一個(gè)聚光燈,移動(dòng)它到物體的后邊去,對(duì)著攝像機(jī)。在右視圖看,此光的放置高于物體的位置。這樣就布了一盞背光。背光在物體邊緣生成一個(gè)邊界以區(qū)分物體和背景,將物體從背景中“剝離”出來(lái),從而增強(qiáng)主體的立體感。        3利用“排除”“陰影貼圖”等方法優(yōu)化布光策略   

10、 由于燈光效果與后期渲染速度密切相關(guān)。故當(dāng)一個(gè)場(chǎng)景中有多盞燈光時(shí),利用一些布光技巧可以優(yōu)化燈光場(chǎng)景和提高最終渲染速度。燈光的“排除”功能用于模擬非自然超現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中,在需要精確控制場(chǎng)景中的照明時(shí)非常有用。例如,有時(shí)專門添加燈光來(lái)照亮單個(gè)對(duì)象而不是其周圍環(huán)境,或希望燈光從一個(gè)對(duì)象(而不是其他對(duì)象)投射陰影。陰影的渲染是相當(dāng)耗費(fèi)渲染速度的,所以慣例下,很少會(huì)對(duì)場(chǎng)景當(dāng)中的每一個(gè)光源照亮的每一個(gè)物體都設(shè)置陰影。        使用“陰影貼圖”功能也能夠加速渲染和實(shí)現(xiàn)一些特殊的效果。例如建筑物光源、照亮的顯示器和其他

11、獨(dú)立的小組合光源,有時(shí)可以用貼圖創(chuàng)建,而不使用實(shí)際光源。在3dsmax中,燈光創(chuàng)建的越多,管理也就越困難,因此能用貼圖處理的盡量不用打燈處理。從而優(yōu)化燈光場(chǎng)景。        可以嘗試使用燈光陣列的方法來(lái)模擬自然光。本文前面介紹的“天光”是一種理想的表現(xiàn)室內(nèi)外照明的燈光效果。它的一個(gè)特點(diǎn)是必須使用光能傳遞渲染器進(jìn)行渲染。這種渲染器為追求更好的畫面質(zhì)量而導(dǎo)致計(jì)算量龐大,也就是渲染時(shí)間耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)。燈光陣列渲染的原理是手工模擬光能傳遞。每盞燈的強(qiáng)度都很微弱,而且投影也很淡很模糊,混合在一起就可以產(chǎn)生很逼真的漫反射照明和投

12、影效果。這種布光方式的優(yōu)點(diǎn)就是渲染速度很快.在降低參數(shù)后可以很快看到整體效果。這是很多渲染軟件不能相比的,典型的燈光陣列有以下幾種:鉆石形燈光陣列、金字塔形燈光陣列、圓頂形燈光陣列、環(huán)形燈光陣列、正方形燈光陣列、管形燈光陣列和綜合形燈光陣    列等。    4靈活運(yùn)用三維場(chǎng)景中的燈光照明策略    在為三維場(chǎng)景布置燈光時(shí),第一個(gè)要考慮的是“顯示”的需要,也就是看得見。這是燈光照明的首要任務(wù),但決不是最終目的。其次要確定將完成的作品的使用目的。三維設(shè)計(jì)用途越來(lái)越廣,從室內(nèi)外建筑效果圖輸出,工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì),影視片頭設(shè)計(jì)以及影視動(dòng)畫片的制作等。設(shè)計(jì)者必須明確目的才能再根據(jù)各自的特點(diǎn)分配燈光。比如工業(yè)產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì),其最終設(shè)計(jì)目的是為了凸顯產(chǎn)品的造型和材質(zhì)感,在布置光源時(shí)標(biāo)準(zhǔn)    的三點(diǎn)照明法就很重要,展示整體,凸顯細(xì)節(jié)。在動(dòng)畫片中給角色打光,經(jīng)驗(yàn)表明:燈光的照射角度不同引起觀看者的不同感覺(jué):如正面角色一般都會(huì)使用斜上方的燈光來(lái)照明,而反面角色一般都會(huì)使用從下往上照