VRay物理相机基本原理详解

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作者简介：

乔艳良，火星id：乔艳良。2004年毕业后从事了两年多的CG教学工作，2006年开始在设计公司做室内表现工作。现在有了自己的工作室。新书<<3ds Max/VRay商业大空间效果图表现技法>>即将上市。

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1. 功能

VRayPhysicalCamera（VRay物理相机）可以模拟真实相机的结构原理，包括镜头、光圈、快门和景深等。因为相机的结构比较复杂，所以先要了解一下相机的基本原理，这样学习VRay物理相机就轻松多了，如图1所示。

 
 
1. 图1

从图1中可以看出相机的基本原理是很简单的，就是在一个封闭的区域内有一个小孔，光线通过小孔照射到内部的感光材料（胶片）中就可以形成图像，图像的效果和孔（后面所说的孔径就指的这个孔）的大小与孔所通过的光的多少有关，孔越大光线就越多，在感光材料（胶片）上所得到的潜影也就越暗，最终形成的图像就越亮。当然，图像的亮度也与感光材料（胶片）接收光的时间长短有关，接收光线的时间越长，在感光材料（胶片）上所得到的潜影也就越暗，最终形成的图像也越亮。

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要点提示：

需要注意的是，感光材料（胶片）不是最终的照片，它是照片的负片，如图2所示，所以负片越亮的部分，最后洗出来的照片对应的部分就越暗，如图3所示。

感光材料（胶片）的明暗与接受光的强弱成反比，也就是说感光材料（胶片）在光照强的地方所形成的影像就会越暗。这一点让人很难理解，想知道原因就必须要了解感光材料（胶片）的受光原理。

胶片是由一个单层或多层的感光乳剂以及附着感光乳剂的一个透明基片组成。感光乳剂一般是由卤化银晶体组成，在基片上均匀分布，当有光照到卤化银晶体时，其结构就会发生化学变化，卤化银晶体会相互聚结起来，形成黑色金属银颗粒的聚结体，光量少的地方卤化银晶体会相互聚结也少，这样就形成了影像（负像）。负像上黑暗（厚的）部分就是曝光较多部分；明亮（薄的）部分就是曝光较少的部分；全透明部分就是没有受到光照射的部分。

上面的理论有些复杂，其实这些理论的最终解释就是相机上的孔径大小以及光通过孔的时间与最后洗出来的照片的明暗区是成正比的。

 
2. 图2

 
3. 图3

真实相机的结构要比图1中复杂，如图4所示，最主要的就是增加了镜头、光圈、快门和焦距控制等装置。

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4. 图4

镜头就是接收光线的最前端部分，主要是由一片曲面玻璃或塑料制成，以凸透镜的原理聚焦形成清晰可辨的影像，而更复杂些的镜头是由称作透镜单元的两片或更多光学玻璃组成，并将所有透镜单元组装在一起成为一个整体，它主要的功能就是聚焦光线。

光圈是控制光通过镜头的孔径大小的装置（参数），孔径越大光线通过的光就越多，感光材料（胶片）所接收的光线也就越多，最后形成影像（最后渲染的效果图）也就越亮。

快门是控制光通过镜头的时间长短的装置，它的主要功能就是控制感光材料（胶片）接收光的时间。接收光线的时间越长感光材料（胶片）的感光就越多，最后形成影像（最后渲染的效果图）也就越亮。

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焦距控制装置是控制画面透视及焦长大小的，焦距分为广角、标准和长焦（望远），镜头除了可以改变画面的透视以外，还有一个主要的功能就是可以影响到感光材料（胶片）接收光的强度。广角镜头最短，光从镜头到达感光材料（胶片）的时间也最短，这时感光材料（胶片）接收光也最强。反之，长焦镜头会使感光材料（胶片）所接收的光线减少。

不同的感光材料（胶片）也会影响到胶片的感光度（接收光的敏感度），一般分为快速胶片（接收光的敏感度高）、中速胶片和慢速胶片。快速胶片适合在亮度较低的场景中使用，慢速胶片适合在亮度较高的场景中使用。

除了镜头以外，其他4个相机的装置都能影响感光材料（胶片）感光的多少，特别是焦距控制装置对光的控制，所以新的相机就将焦距和光圈两个功能用一个参数（f值体系（光圈））来控制，应用这一体系后，就可以使用一个数字来实现焦距和光圈多个参数才能得到的效果。在考虑曝光时，不必计算焦距和光圈（孔径）的关系，f值已将这些变量结合为一个单一的数。例如f/8光圈就代表到达胶片的一个确定的光量，这一数字已经把镜头的焦距和光圈的大小两项因素考虑在内了，任何两只将光圈设置为f/8的镜头，它们让胶片所接纳的光量都是完全相等的。

f/n光圈这个参数可以控制孔径的大小，n值越小孔径就越大（f为分子，n为分母，f为一个定数，分母n越小，最后的f/n就是越大，孔径也会越大，所以最后我们发现，n值的大小与孔径成反比，也可以说n值越小，最后所得到的图像（渲染的图像）就会越亮。

一般常用的光圈数值为f/1、f/1.4、f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16、f/22等。

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2 参数

　　物理相机的参数设置面板如图5所示。

5. 图5

（1）Basic parameters（基本属性）

type（类型）：Still camera（静态相机）主要模拟常规的静态画面的相机，也是在效果图中所用的一种相机类型；Cinematic camera（电影相机）主要模拟电影相机效果；Video camera（视频相机）主要模拟录像机的镜头。

targeted（目标）：是否手动控制相机的目标点。

 film gate（mm）（胶片（mm））：是指感光材料的对角尺寸，35mm的胶片是最流行的胶片画幅，也就是常说的照片底版（负片）大小，该数值越大画幅也就会越大，透视越强，所看到的画面也越多。

focal length（mm）（焦长（mm））：控制相机的焦长，同时也会影响到画面的感光强度。较大的数值效果类似于长焦效果，且感光材料（胶片）就会越暗，特别是胶片边缘的区域会更暗，较小数值的效果类似于广角效果，透视感强，胶片就会越亮。

图6是焦长为50时的效果（类似人眼所看到的效果），图7是焦长为10时的效果（广角效果）。

 
 
6. 图6

 
7. 图7

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zoom factor（视图缩放）：控制相机的视角大小，与focal length（mm）（焦长（mm））功能相似，只是该功能只改变画面的透视效果，不会影响到画面的感光强度。

f-number（光圈数值）：光圈数值就是控制光通过镜头到达胶片所通过的孔的大小，数值越大胶片感光就越强，反之就越弱，图8左是f-number为2时的效果，图8右是f-number为4时的效果

要点提示：

f-number中的数值是指number中的数值，最后的光圈为f/number。

 
 
8. 图8

distortion（扭曲）：扭曲效果是由下面的distortion type（扭曲类型）来控制的。

vertical shift（垂直变形）：可以控制在垂直方向的透视效果，类似于Camera correction（相机修正）功能。

specify focus（指定焦点）：勾选该选项后，用户可以用下面的focus distance（焦点距离）选项来改变相机目标点到相机镜头的距离。

exposure（曝光）：勾选此参数后，改变场景亮度一些选项（f-number（光圈）、shutter speed（快门）、ISO（感光系数））才能起作用。

vignetting（虚光）：该功能可以模拟真实相机的虚光效果，也就是画面中心部分比边缘部分的光线亮，图9左是不勾选时的效果，图9右是勾选后的效果。

 
 
9. 图9

white balance（白平衡）：真实相机所拍摄的画面和肉眼所看到的会一有定差别，这主要是由于相机不会像大脑一样智能处理色彩信息，白平衡就是针对不同色温条件下，通过调整摄像机内部的色彩电路使拍摄出来的影像抵消偏色，更接近人眼的视觉习惯。白平衡可以简单地理解为在任意色温条件下，摄像机镜头所拍摄的标准白色经过电路的调整，且使之成像后仍然为白色，可以由右边的预设选项来定义白平衡，也可以由下面的custom balance（手动白平衡）选项来调节，白平衡调成  时的效果如图10右所示。

 
 
10. 图10

要点提示：

从图10中可以看出白平衡的色彩映射到感光材料（负片）后，色彩会增加到负片上，负片是相片（渲染的效果图）的反色，所以最后的图就会与白平衡的色调相反。

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shutter speed（快门速度）（单位是秒）：这里的快门速度中的数值是实际速度的倒数，也就是说如果将快门速度设为80，那么最后的实际快门速度为1/80秒，它可以控制光通过镜头到达感光材料（胶片）的时间，其时间长短会影响到最后图像（效果图）的亮度，数值小（例如shutter speed（快门速度）为10，最后的实际速度为1/10秒）与数值大（例如shutter speed（快门速度）为200，最后的实际速度为1/200）相比，数值小的快门慢（快门打开的时间长，通过的光就会多，感光材料（胶片）所得到的光就会越多，最后的图像（效果图）就会越亮），数值大的快门快（所得到的图像（效果图）就会越暗）。这样就得到一个结果，shutter speed（快门速度）数值越大图像就会越暗，反之就会越亮。如图11所示，右图的shutter speed（快门速度）数值就比左图的大。

  
 
11. 图11

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shutter angel（快门的角度）：当开启Cinematic camera（电影相机）选项时，快门角度也会影响最终渲染图的亮度，但Cinematic camera（电影相机）与Still camera（静态相机）中的shutter speed（快门速度）功能是相似的。

shutter offset（快门偏移）：当开启Cinematic camera（电影相机）选项时，可以控制快门角度的偏移。

latency（反应时间）：当开启Video camera（视频相机）选项时，该功能与Still camera（静态相机）中的shutter speed（快门速度）功能相似。

film speed（ISO）：（ISO胶片感光系数）：不同的胶片感光系数对光的敏感度是不一样的，数值越高胶片感光度就越高，最后的图像（效果图）就会越亮，反之图像就会越暗。一般在渲染白天效果时可以使用较小的数值，这样就可以让胶片对光的敏感度低一些，可以避免画面曝光过度；而晚上可以使用较高的数值，这样可以避免曝光不足。如图12所示，左边的film speed（ISO）数值为600，右边的film speed（ISO）数值为200。

 
12. 图12

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（2）Sampling（采样）

depth-of-field（景深）：控制是否开启景深效果。当某一物体聚焦清晰时，从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都是相当清晰的，焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深，景深效果可以让画面清晰的区域更引人注目，也可以凸显视觉中心效果，如图13所示，但是开启景深功能后会大大增加渲染时间。

 
 
13. 图13

要点提示：

有景深的图像最清晰的区域为焦点的地方，也就是指VRay物理相机中的目标点。

景深大就说明在目标点到很远的距离都相对清晰，景深小就说明只有目标点周围很小的区域是清晰的，其它区域是模糊的。

motion blur（运动模糊）：控制是否开启运动模糊功能，它只适用于有运动画面的物体，对静态画面不起作用。

subdivs（细分）：对depth-of-field（景深）和Motion blur（运动模糊）功能的细分采样，数值越高效果越好，但渲染时间就越长。

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（3）Bokeh effects（散景效果）

Bokeh effects（散景效果）可以实现镜头特殊的模糊效果，对于有景深效果的模糊的区域会产生松散的画面效果，也就是散景，如图14所示

14. 图14

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 blades（边缘）：勾选该选项后可以改变散景后的形状边数数值，数值越大边数就越多，也就越接近圆形。

 rotation（deg）（旋转）：控制边缘形状的旋转角度。

center bias（中心偏移）：控制边缘形状的偏移值。

anisotropy（各向异性）：控制边缘形状的变形强度，数值越大形状就越长。

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（4）Miscellaneous（杂项）

horizon line（地平线）：是否显示地平线标志。

clipping（剪切）：开启该选项后，下面的near clipping range（近景剪切）和far clipping range（远端剪切）选项才可用，该功能可以剪切数值以外的场景画面。

near env range（近景环境范围）和far env range（远端环境范围）：与3ds Max中相机的Environment range（环境范围）中的Near Clip（近景剪切）和Far Clip（远端剪切）功能相同，主要是针对Environment（环境）面版中的特效范围。

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要点提示：

影响景深的3个因素是光圈（光圈f值越大，也就是说孔径越小，所需的快门时间就会越长，这时的景深就会大，因为快门时间加长后，感光材料（胶片）所受光时间就会加长，整个画面就相对清晰；反之景深就会小）、被摄体到照相机的距离，以及镜头的焦距。焦距最短的镜头对准无限远聚焦时，其最小的有效光圈能产生最大景深。也就是说光圈越大，焦距越长，被摄体距离越近，景深就越小。

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如图15所示，VRay物理相机的目标点都是场景中的花，左边的VRay物理相机的f-number（光圈数值）值为1.4，shutter speed（快门速度）为200，所渲染的景深较浅；右边的VRay物理相机的f-number（光圈数值）值为4，shutter speed（快门速度）为30，所渲染景深较深。

 
 
15. 图15

VRayPhysicalCamera（VRay物理相机）功能强大，参数也很庞杂，对于初学者来说有一定的难度，其实在效果图中所用到的参数并不多，景深和散景特效一般情况下不会用到。Basic parameters（基本属性）是学习的重点和难点，这里面主要有三大功能，一是控制画面透视效果的一些参数；二是控制画面亮度的一些参数，这几个控制亮度的参数虽然在解释上有所不同，但效果却很相似，所以一般只调整一两个参数就可以达到调整多个参数的效果；最后一个就是白平衡，它的主要功能就是控制画面的偏色效果。

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