光与影的艺术及术语.doc
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1、光与影的艺术及术语然界的光源自然界始终充满着光线,即使在“漆黑”的夜晚也会有微弱的光线照射着周围的环境,他们有的是月光或者星光,如果没有月光和星光,至少也会有天空和云层的散射光线存在,所以,绝对的黑暗在生活中是不存在的,即使有,那也只是视觉上的假像。猫和人对黑暗的感受不相同,甚至在光线充足的环境里,对亮度的视觉感受也不是恒定不变的。人的瞳孔在放大和收缩时对光的感受也不相同,这也是为什么人从亮处突然走进暗处会感到一片漆黑的原因,这也是摄影为什么存在曝光不足和曝光过度的原因所在。但在三维软件的虚拟摄像机中是不会有这个现象的,场景的亮度完全由光源来控制,但这是否就简化了对光源的控制呢?回答是否定的,
2、要解释其中的原因,我们还要先来分析一下真实世界的光照模式。 光线照射的两种方式 想象自己站在阳光明媚的草原上,周围没有任何遮挡物。这时太阳是一个直射光源,它直接照亮你的身体和周围的草地,草地接受到太阳的光照后,会吸收一些光线,并漫反射出绿色的光线(注意,这绿色的光线也是太阳光里的一部分),这部分光线间接增强了太阳光的强度。如果在这个地方放一把遮阳伞,当你走进伞的阴影里时,对你而言,太阳光便不再是直射光源,此时照射你的都是来自天空和草地的漫反射光线。为了区别这两种不同的光照形式,我们把太阳光称为直射光照,把天空和草地的反射光称为间接光照,这两种光我们把它们统称为入射光,自然界的物体就是被这两种光
3、照亮的。 虽然两种光照产生的效果不同,但它们其实都是来自于太阳的光线,只是光线走的路径不一样,这就是真实世界的光照方式。在真实的世界里,天空是不会自己发光的,它必须依靠太阳的光能,而在三维软件中,通常把天空光也作为一种独立的光源。因此,在这里我们把天空光也称为直射光源,它可以不依靠太阳而独立存在。由于天空光是一种非常特殊的光源,我们将在下一小节“渲染软件的光源类型”中详细介绍它。 在分析真实世界的两种光照形式后我们了解到,应该还存在一种间接光照。其实依靠传统的渲染技术是不可能实现间接光照的照射效果的,它需要一种称之为“Radiosity”的渲染技术。现在一种采用GlobalIlluminati
4、on技术实现间接光照效果的软件正在逐步取代传统的光照效果,与传统的光照相比,它的出现从根本上解决了光线照射的两种方式的问题。首先,我们依然可以使用传统光源来模拟真实世界的直射光源,然后利用GlobalIllumination技术可以在前者的基础之上添加天空光照和来自环境的散射光线。 光线反射的两种形式 我们都知道,当光线照射到物体上时物体会吸收一部分光线,还会反射一部分光线,这个反射光也分为两种形式。第一种前一小节已经提到过了,就是漫反射。物体表面的固有色就是由漫反射光射入我们的眼睛决定的,在真实世界中,物体除了固有色之外,还应该有高光色,这个高光色就是由于镜面反射产生的,它往往出现在光滑的表
5、面上。对于镜面反射,它的原理是,由于反射跟入射光线的夹角相等,所以平滑的表面会把入射光线集中的向另一面反射,这时反射的能量很高,就形成了明显的高光。但不是所有的物体表面都会形成高光,既然它是由于光滑度产生的,那么,在粗糙的物体表面,高光就不再有了,那是不是粗糙的表面就不反射入射光线了呢?不是的,是由于反射光线不再集中的向一个方向反射,所以它的能量被分散掉了,整齐的入射光线照在粗糙的表面上被反射到了各个方向,这时由于反射光线和入射光线总是跟表面法线的夹角相等这一特性造成的,这种反射在物理学上称之为”漫反射“。这样,镜面反射和漫反射就形成了光线反射的两种形式。不要小看这两种反射形式的存在,它跟三维
6、软件中的材质有着密切关系。试想一下这样一幅图像,有从左到右三个材质球,左边红色球体是Lambert材质,在同样的光照条件下,它的表面上没有高光,使它看起来没有旁边的两个球体光滑,它模拟的是漫反射的效果;中间黄色的球体是典型的Blinn材质,它有明显的高光,这个高光就是模拟镜面反射的效果,黄色的固有色就是表面吸收光线之后散射出来的光色;右边蓝色的球体是一种比较特殊的反射现象,它的材质名称叫Anisotropic(各向异性),可以说三维软件里的光源是以真实光源为依据的,材质也是一样。 在这里要特别指出的是,Radiosity的渲染技术在计算间接光照的时候,它其实只计算了散射光的间接照射效果,也就是
7、物体表面固有色对周围环境的影响,对于镜面反射,Radiosity还是没有能力计算,它需要Caustic特效才能实现。现在越来越多的渲染程序支持Caustic特效,不过渲染出这种效果往往需要很大的代价(当然是指渲染时间),好在它只会在透明物体和有强烈反射的物体上出现。了解了真实世界的光照和反射形式,才能理解渲染程序中光源和材质的重要性,才可以根据场景的需要科学地把握最终的图像效果。 自然光源和人工光源 在我们的生活中,光线无处不在,可是被称为光源的并不多,因为只有能够自发光的物体才能称之为光源。但是在三维世界里便有了特例,比如月亮,它自己不发光,靠反射太阳的光线来照射物体,严格来说它不是光源,但
8、实际上在三维世界它也起到了光源的作用。通常把光源分为自然光源和人工光源。自然光源有太阳、月亮、星光,也包括闪电,甚至连萤火虫也是。其实在特殊的时刻,自然光照明也是充满情调的,这种情调往往来自于光源在特定时刻的色调,比如太阳在初出和将要落山的时候,桔红色光芒照射大地,这时给人的感觉和太阳在正午时分是截然不同的,所以,很多摄影师都避免在正午的时候到户外摄影,除了会引起曝光方面的问题外,色调与氛围也是很重要的一个原因。与朝阳的红色情调不同,夜晚的月光总是把世界渲染得神秘、朦胧、和浪漫,所以年轻的朋友一般都会选择有月亮的夜晚约会(美其名曰“步月”),特别是月圆之夜。 人工光源的起源可能要追溯到燧人氏钻
9、燧取火的时代,现在所指的人工光源主要是电灯,可以说,由于人工光源的出现,才会使得照明效果变得复杂起来,它除了给我们带来光明之外,也为生活增加了些许情趣,所以现在我们对光源的要求已经不以照明为简单目的了,而是更多地追求它的艺术效果。很多城市都实施过“亮起来”工程,就是用人工光源来装点我们的城市。其实仔细想想,人工光源在很大程度上实际是在模仿自然光源,比如在迪厅的灯光就象闪电一样,咖啡屋的灯光就像星光,客厅的灯光很明亮,像太阳一样,而卧室的灯光也朦胧得像月光一样在三维软件中,光源虽然没有自然光源和人工光源之分,但都是在模拟这两类光源产生的,而且越是优秀的作品,越能把握光源的“情感”问题。 光源的衰
10、减问题 在使用三维软件模拟光照效果的时候,最难的还不是光线的漫反射和Caustic,因为很多渲染程序都已经把这个过程“人工智能”化了,难的是正确表现光线的衰减,真实世界的光源是随着距离的增加按反向平方衰减的,而三维软件中的光源却需要我们人为地调节衰减,很多朋友在调节光源的时候忽略了这一步,这是一个非常不好的习惯,特别是在做室内设计的时候,这个问题尤其突出。 由于很多渲染程序没有提供Radiosity,所以它不能计算物体表面在接受光照之后,散射光线对周围物体的影响,因此,如果按真实光源的方式来衰减,那么场景就会很暗。为了解决这个问题,多数三维软件都采用了一种折衷的方式,就是用线性衰减,这种衰减方
11、式比真实情况简单,但存在的问题是光线照射的聚光区不够真实,也就是由于衰减不够快使得聚光区产生类似“曝光过度”的现象,特别是场景中有很多辅助光源的情况下更容易发生这种情况。在Lightscape中即使把光源的亮度提高几倍,它也不会在聚光区产生生硬的光斑,它总是显得非常有层次。其实在其它三维软件中也可以产生这样的效果,笔者喜欢把光源的衰减由线性衰减改变为反向平方衰减,然后使用Multiplier参数(在MAX中)或者Intensity参数(在Maya中)来调节光源的亮度,这时光源投射的聚光区会很有层次,当然,要产生好的效果,必须配合相应的辅助光源,而且千万不要忽视辅助光源的衰减问题。 渲染软件的光
12、源类型 在分析了自然光源和人工光源之后,让我们回到三维软件中,软件中的光源也可以分成几个类型,具体的类型会因为软件的不同而有所差异,但总的说来不外乎点、线、面、体积这几类。 点光源 点光源是最常见的光源类型,光线从单一的点发射出来,根据光线发射的形式不同,在三维软件中又被细分为Point、Spot和Directional,它们通常用来代表真实的灯泡、射灯和太阳光。 需要注意的是,不同的三维软件对Point光源的称呼也不同,比如在3dsmax中就称为Omni;在TrueSpace中却被称为LocalLight;在Lightscape中又被称为Isotropic,笔者觉得还是Isotropic最恰
13、当,“等方向性”一下子就把该光源的特性概括了。Point光源是指光线从某一点开始,向各个方向等量的发射。 Spot也是一种点光源,和Point光源最大的不同是Spot光源有一个用来限制光线照射范围的锥角,也称为光束的发散角度。要知道Point光源是全向的,而 Spot光源最大的发散角度通常不会大于180度,除了这一点之外,和Point光源相比Spot光源的照射区域还分为聚光区和衰减区,我们平常使用的手电筒就是最典型的Spot光源,还有舞台上常用的追光灯。 和前面介绍的两种点光源的光线发射不同,Directional光源发射出来的每条光线彼此之间是平行的。所以也被称为平行光源,把它也作为点光源的
14、一种,是因为它常被用来模拟太阳光,我们都知道太阳其实是一个巨大的Point光源,由于和地球有足够远的距离,才使得它的每条光线之间的夹角非常的小并接近于平行,所以虽然它的照射效果跟Point光源截然不同,但还是把它作为点光源来看待。三维软件中常用Directional光源来模拟太阳光,它的特点就是单向性的平行光。 线光源 线光源是一种比较特殊的光源类型,最早接触到这类光源应该是在Lightscape中,它常用来模拟日光灯管的光线。在室内设计中,经常会在吊顶中暗藏日光灯管形成发光灯带,有了线光源,就能很好来模拟它的效果。线光源与点光源相比最大的不同在于它的阴影发生了变化,三维软件中把这种阴影称为S
15、oftShadow。 注意:从严格意义上说,虽然线光源可以模拟日光灯的光照效果,但它的结果和真实情况还是有区别的。日光灯是圆柱状的光源,除了两端之外,应该是通体发光,而线光源居然有指向性,要完全的模拟日光灯的效果,估计需要用两个线光源背向而置才可以。另外,线光源目前还不能产生曲线的照射效果,比如弯曲的霓虹灯文字等。 面光源 顾名思义,面光源是一个发光的二维平面,与线光源一样属于高级的光源类型,常用来模拟室内来自窗户的天空光,其实它还有个最好的模拟对象,就是把它作为辅助光源,模拟表面的光能传递。原理很简单,当表面接收光线的照射后,会反射出一部分光线,既然散射出来的光线是从二维平面上发射出来的,那
16、不正好是个典型的面光源吗?当然,为了获得更好的效果,还需要把面光源的颜色调节得和表面一致。 环境光源 环境光源比较复杂,并不是所有的三维软件都提供环境光,它主要是用来做什么的呢?依然离不开光的漫反射,前面曾不止一次的提到过,表面接收到光照后,会反射一部分光线出去,现实空间中的每一个物体其实都受到来自四面八方的反射光线的影响,为了模拟这种效果,就产生了环境光源。在Maya中,当Ambient 光源的AmbientShade参数为1时,其效果很容易跟Point光源混淆。要知道,为了让Ambient光源很好的表现反射效果,该光源是不会在物体的表面上产生高光的。 体积光源 体积光源在生活中经常见到,但
17、在三维软件中就不常见了。真正把它单独列出来的笔者还只在AliasStudioTools中见过,当然,这并不是说在其它的三维软件中就不能模拟这种效果,而且只要分析产生这种光源的原因和其照射效果,模拟就不难了。我们打个比方,一个亮着的灯泡,是典型的Point光源,但如果用一个磨砂玻璃做的球形的灯罩把它罩起来,这时光线的发射就产生了变化,它会因为磨砂玻璃粗糙的表面而打破光线原有的“次序”,这使它看起来不像是由一个点发出的光线,而更像是整个灯罩发出的光,而且阴影也会因为这个原因变成SoftShadow。明白了这个原理之后,仿真体积光源的效果也就变得容易了。不过可惜的是,对于其它的几何形状来说就不太好模
18、拟了,好在不是所有的CG图像都要求照明的精确,一般只有建筑设计和工业设计的效果图才对照明要求准确无误。 特殊的天空光 在所有的光源类型中,天空光可能是最特殊的了。天空光可以看成一个巨大的球形体积光源,不过我们都处在这个光源的内部,而且总是只能看到球形体积光源的上半部分,也就是倒扣着的“锅”,这么一解释,天空光岂不是像一个反的Point光源? Point光源是从一个点向四面八方发射光线,而天空光正好相反,它是光从四面八方向内部的一个点发射。解释起来虽然简单,但这种光源却非常难得,很多三维软件都没有提供。离开了天空光,是很难表现出户外效果的。特别是对于从事建筑效果图制作的人来说,其意义就更重要了,
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