快速表現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)感的渲染方法研究

1、快速表現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)感的渲染方法研究    1 引言近年來，產(chǎn)品外型成為繼加工能力、核心技術(shù)之后，機(jī)電產(chǎn)品的又一賣點(diǎn)。好的產(chǎn)品外形可以非常有效的提升產(chǎn)品的附加值。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用極大的改變了產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的技術(shù)手段，也改變了產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的程序與方法，特別是在最終的效果展示方面。計(jì)算機(jī)生成的外觀質(zhì)感效果圖可以逼真的表達(dá)產(chǎn)品表面的質(zhì)感、色彩等信息，以及在各種照明下表現(xiàn)出的真實(shí)明暗程度1。這對(duì)于初期方案評(píng)選以及后期的營(yíng)銷傳媒都起到了至關(guān)重要的作用。因此，研究一套快捷高效地完成機(jī)電產(chǎn)品電腦模型的質(zhì)感渲染方法將是十分迫切的。2 面向機(jī)電產(chǎn)品的快速質(zhì)感表現(xiàn)方法和流程三維模型

2、的真實(shí)感渲染一般指的是把用戶提供的建模與設(shè)置的照明以及材質(zhì)、背景等各種對(duì)象綜合到一起，制作成為一個(gè)具有光影效果的圖像文件。該圖像文件只有通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)模型的綜合計(jì)算（渲染）才能反映出來2。機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)感渲染方法區(qū)別于普通消費(fèi)品，因?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：（1）體量大，塊面相對(duì)比較規(guī)整；（2）由于生產(chǎn)制造的因素限制，復(fù)雜曲面較少；（3）材質(zhì)種類相對(duì)較少，以金屬、玻璃、塑料為主；（4）色彩有行業(yè)規(guī)范，工程色運(yùn)用較多；（5）覆蓋件表面處理工藝以噴涂為主，復(fù)雜工藝運(yùn)用相對(duì)較少。基于以上特點(diǎn)，機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)感表現(xiàn)與普通產(chǎn)品的區(qū)別在于：光影效果要求簡(jiǎn)單直觀，易于突出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)特征；質(zhì)感表現(xiàn)以真實(shí)準(zhǔn)確為

3、目的，不能一味追求藝術(shù)化夸張；機(jī)電產(chǎn)品的研發(fā)，時(shí)間緊任務(wù)重，制作效果圖要求快捷高效。Vray 通過使用Global Illumination Rendering System 進(jìn)行逼真的燈光運(yùn)算2，與3ds max 及Photoshop 互相配合非常適合用來表現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的形態(tài)結(jié)構(gòu)及質(zhì)感方案。如圖1 所示是由3ds max、VRay、Photoshop 三方軟件進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品質(zhì)感表現(xiàn)的基本流程，以及各軟件在各步驟的分工使用情況。3 場(chǎng)景設(shè)置場(chǎng)景通常包括燈光、前景（地面）和背景。機(jī)電產(chǎn)品的場(chǎng)景設(shè)置目的在于快速表現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征及質(zhì)感，因此場(chǎng)景三要素設(shè)置不能太繁雜，否則渲染時(shí)會(huì)占用計(jì)算機(jī)大量?jī)?nèi)存，降低渲

4、染速度。3.1 燈光比較3D 場(chǎng)景常見的布光方法3包括：三點(diǎn)布光、陣列布光等，甚至可以用一張HDRI 貼圖模擬照亮整個(gè)場(chǎng)景。渲染機(jī)電產(chǎn)品與普通消費(fèi)品不同，在GI 全局光照天光環(huán)境下，只需要添加一盞目標(biāo)聚光燈，就可以較好地表現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的立體形象以及產(chǎn)品各部分的結(jié)構(gòu)形狀和材質(zhì)本身所具有的美學(xué)特點(diǎn)，不但渲染速度快，而且設(shè)置簡(jiǎn)單。4 材質(zhì)質(zhì)感的快速表現(xiàn)方法機(jī)電產(chǎn)品中金屬、塑料、玻璃以及橡膠等材質(zhì)使用最頻繁。根據(jù)機(jī)電產(chǎn)品具體零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及表面工藝，采用適當(dāng)?shù)匿秩痉椒ò堰@些材質(zhì)的光澤、色彩恰如其分地表現(xiàn)出來，將使整體外觀造型達(dá)到形、色、質(zhì)的完美統(tǒng)一。4.1 金屬材質(zhì)機(jī)電產(chǎn)品覆蓋件的百分之八十約為金屬材

5、質(zhì)，例如鈑金件、鑄件等。由于面飾工藝的不同，表現(xiàn)出的質(zhì)感效果也有很多種4。最具代表性的是不銹鋼和磨砂金屬。不銹鋼是具有高光澤的金屬材質(zhì)。在渲染這種反射材質(zhì)時(shí)，不同的結(jié)構(gòu)類型對(duì)應(yīng)不同的渲染方法，如表3 所示，只有正確的渲染方法才會(huì)省時(shí)省力。相同的場(chǎng)景中，采用后者的效果與前者基本相同，但渲染時(shí)間卻明顯減少。這說明合理的利用3ds max 默認(rèn)的材質(zhì)貼圖方式，可以大幅度節(jié)約渲染時(shí)間。4.2 玻璃材質(zhì)玻璃非常廣泛地應(yīng)用在機(jī)電產(chǎn)品中。例如，在觀察窗、推拉門、駕駛倉上多使用比較通透的鋼化玻璃，而在一些電火花加工機(jī)床工件臺(tái)上的圍板件則采用深色的磨砂玻璃或有機(jī)玻璃。在Vray 材質(zhì)反射通道中使用衰減貼圖控制F

6、resnelreflections（菲涅爾反射）的強(qiáng)弱程度，就可以使玻璃表面產(chǎn)生真實(shí)弧度反射計(jì)算。當(dāng)光線與表面幾乎平行時(shí)，反射將是可見的，當(dāng)光線垂直于表面時(shí)將幾乎沒有反射5。渲染機(jī)電產(chǎn)品時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到Vray 玻璃材質(zhì)不能正常透光的現(xiàn)象。解決辦法有兩種：（1）分兩次渲染。第一次渲染時(shí)將玻璃模型隱藏，渲染完成后保存光子圖用于第二次渲染。第二次渲染時(shí)再將玻璃模型取消隱藏即可達(dá)到玻璃透光的效果。（2）在3ds max 標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)的貼圖通道中加VRay map 貼圖，強(qiáng)度越大透光效果越明顯。透明材質(zhì)的透明度取決于材質(zhì)的光滑程度，透明材質(zhì)越光滑，透光率就越高6。因此，磨砂玻璃的透光率要比鋼化玻璃低很多。磨砂

7、玻璃材質(zhì)的設(shè)置可以適當(dāng)參考磨砂金屬的實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果再次證明了采用3ds max 默認(rèn)的材質(zhì)貼圖方式配合VRay的基本材質(zhì)渲染方案是最快最好的編輯磨砂材質(zhì)的方法。4.3 塑料材質(zhì)塑料與金屬兩大材質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別在于塑料材質(zhì)的表面光滑程度沒有金屬材質(zhì)高。而反射材質(zhì)的反射率、反射模糊率同樣取決于材質(zhì)的光滑程度，即材質(zhì)越光滑，反射就越強(qiáng)烈，反射模糊率就越低，高光就越明顯6。因此，塑料材質(zhì)的編輯只需在金屬材質(zhì)基本屬性之上適當(dāng)調(diào)整參數(shù)即可。塑料材質(zhì)在機(jī)電產(chǎn)品中所占比例很小，多出現(xiàn)在控制面板中?？刂泼姘逑鄬?duì)體量很小，且面板內(nèi)容信息繁簡(jiǎn)不盡相同。針對(duì)不同的控制面板類型可以選擇編輯材質(zhì)渲染或PS 貼圖渲染兩種方

8、法。編輯材質(zhì)渲染耗時(shí)較多，但效果真實(shí)，若需重點(diǎn)突出表現(xiàn)控制面板，可以采用該方案。一般情況采用更快的PS 貼圖模擬渲染。5 分次渲染VRay 渲染器由于使用了GI（全局光）照明技術(shù)，如果想要使渲染速度得到最大的提高，必須使用正確的制作流程，否則會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間。整個(gè)測(cè)試渲染可分為三步。首次渲染的目的是在極短的時(shí)間里大體了解模型場(chǎng)景的效果，若有漏光、黑斑等問題可做及時(shí)調(diào)整。二次渲染應(yīng)注意觀察產(chǎn)品各個(gè)結(jié)構(gòu)形態(tài)之間的結(jié)構(gòu)縫及連接關(guān)系是否表達(dá)清晰以及材質(zhì)編輯是否符合預(yù)期等。渲染完成后保存光子圖，可用于最終渲染。如果沒有達(dá)到效果，可以適當(dāng)調(diào)整模型后局部渲染該區(qū)域，而不用重新渲染全圖。由于VRay 的渲染圖片分辨率為72dpi，所以為了保證A4 照片級(jí)效果，最終渲染時(shí)將渲染尺寸設(shè)置為2400*1800 或更高，進(jìn)一步保證精度效果。VRay 采用3 種不同的算法來進(jìn)行圖像采樣，都比Scanline需要的渲染時(shí)間長(zhǎng)，但可以在短時(shí)間內(nèi)制作出高品質(zhì)圖像。在不同渲染階段采用不同的圖像采樣