真实光分析与Mental Ray应用(一)

        【火星数字教程10年精华】



　　教程思路
　　1.前言
　　2.光源五要素
        3.光源系统
        4.自然光源分析
        5.人工光源分析
        6.混合光源分析
        7.结语
        
　　一.前言
　　随着时代的进步，各式3D软硬件的渐趋成熟，一般使用者都可以用软件轻易地模拟出一个虚拟的环境来。但也因为这样，人们对真实的需求也愈来愈高，简单的空间光影表现已经不能满足大家的需求。做出几可乱真的照片级作品往往是各位3D User的追求课题，但由“模拟”到“拟真”再到“几可乱真”，一阶一阶的门坎往往让很多使用者望之却步。
　　而追求真实中非常重要的一步就是“光影”表现，如果能够成功地使用软件模拟出真实世界的光影，将可以为作品带来极度的真实感。然而，不管使用的是哪种3D软件，想要做出真实的光影效果，对软件的熟悉程度只能算是基本配备，真正重要的是，如何充实自己的美学感知与了解我们的真实世界。
　　本文开头先向各位介绍“光”的性质知识，我从光源五要素来分析光的特性，再将真实世界的光源按“自然光照”和“人工光照”两种分类，分别给各位读者进行介绍。而每个真实光照的解析后面都会再使用3ds Max的Mental Ray渲染器进行模拟，让读者在了解真实光照原理后，也可以学会模拟的技巧。

 
图：真实世界的光影表现 

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　　二.光源五要素
 　　光源具有两个重要的任务，分别是照亮场景对象和决定场景气氛。通常大部分的学习者都只注意到照亮场景对象，而忽略了灯光另一个非常重要的任务，光源将会决定场景气氛。
　　要控制好场景气氛，就要了解光源五要素，分别是位置、强弱、颜色、衰减、阴影。这五元素的排列顺序也正好是学习困难度的排列顺序，位置学习起来最为简单，但也是最重要的部分。灯光位置如果不正确，照不到所需要的对象，那一切都不用谈了。而阴影才是真正最困难且最精髓的部分，阴影如果漂亮，那么整体画面的构图、色调、表现力等都会趋近完美。下面将分别详细介绍光源五元素。
　　1.位置
　　光源位置除了光源的所在位置外，也代表着光源的投射角度。光源的照射位置与角度不同，带给人的感觉就不同，所以光源位置是第一个要决定的要素。

图：光源位置的不同，所表现出来的光影感觉就不同

　　而光源位置可以大致分为顶光、正面光、前侧面光、后侧面光、逆光五类，下面分别介绍。
　　<1>顶光
　　光源照亮主体的顶部，适合俯视与大范围的取景，这样的光照可以将大量的取景主体细节层次表现出来，如果用在单一主体的话，可能会有缺乏立体感或空间感的情形发生。

图：顶光会照亮主体的顶部，如果使用再单一主体的话，会有缺乏空间的情形

　　2.正面光
　　光源照亮主体的正面，适合表现主体正面的特征。但由于是正面的光照，所以主体正面会平均受光，容易有光线平淡、缺乏立体感的情形发生。

图：正面光会照亮主体的正面，主体平均受光，但可能会缺乏立体感

　　<3>前侧面光
　　光源照亮主体的前侧面，大约成45度左右的角度。不仅可以很好地表现主体的表面特征，同时也能充分地表现出主体的立体感，是经常使用的一种照明方式。

图：前侧面光照亮主体的前侧面，光影效果层次丰富，是经常使用的一种表现方式 

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　　<4>后侧面光
　　光源照亮主体的后侧面，使主体色调偏暗，但是在适当安排下，画面可以有与众不同的表现，也可以强调局部细节。

 
图：后侧面光照亮主体的后侧面，主体颜色偏暗，但可以强调细节 

　　<5>逆光
　　光源照亮主体的后面，虽然无法表现出主体的细节，但却有利于表现主体优美的轮廓线，还可以搭配适合的背景，给作品带来色彩绚丽的光影效果。

图：逆光照亮主体正后方，主体几乎是全黑的，但可以用于表现主体轮廓 

　　2.强度
　    决定好位置后，接下来要决定光源的强弱值。光源强度过强会造成局部曝光过度、明暗对比强烈；光源强度不够会造成图面亮度不足、颜色没有深浅层次。一般常见的光源强度有三种，分别是lm（流明）、cd （坎迪拉）、lx (lux) （勒克斯）。
    lm（流明）：测量整个灯光（光通量）的输出功率。（100 瓦的通用灯炮约有 1750 lm 的光通量）
    cd （坎迪拉）：测量灯光的最大发光强度，通常是沿着目标方向进行测量。（100 瓦的通用灯泡约有 139 cd 的光通量）
    lx (lux)（勒克斯）：测量由灯光引起的照度，该灯光以一定距离照射在曲面上，并面向光源的方向。（勒克斯是国际场景单位，等于1 流明/平方米）

图：光源强度过强会造成局部曝光过度、明暗对比强烈；光源强度不够会造成图面亮度不足、颜色没有深浅层次

        3. 颜色
　　要决定场景气氛，灯光的颜色是很重要的一部分。通常带点橘红色的暖色系，会让人有温暖、温馨的感觉，带点蓝绿色的冷色系，让人有严肃、阴森的感觉。
　　一般会用色温来表示光的颜色。色温是颜色温度的简称，指的是光波在不同的能量下，人类眼睛所感受的颜色变化。根据物理学的说法，将一块纯黑的物质加热，随着热力的增加，物质会开始有颜色出现，最初是红色，继而是黄，到最热时变成蓝色。
　　因此可以知道颜色与温度是有关系的，一般人眼可见的颜色大约就是光谱中的颜色，光谱是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色所组成，习惯上光谱红的一端光色称作暖色或低色温，光谱蓝的一端称作冷色或高色温。下面附上常见的光源色温表。

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图：光源颜色会带给观察者不同的感受，蓝绿色的光源较严肃，红黄色的光源较温暖

　　4.衰减
　　真实世界的光线有随着距离的增加而衰减的特性，离灯光愈远受到的光照度就会愈弱。刻意安排适当的照明衰减，可以让图面有特别的明暗层次。

图：刻意安排适当的照明衰减，可以让图面有特别的明暗层次

　　5. 阴影
　　阴影是整张图面中最画龙点睛的部分，适当而优美的阴影，往往可以让图面具有美感而且更具构图张力。然而“光与影是成双成对的，影不对就是光不对”，要有漂亮的阴影，就要有适合的照明系统。
　　一般我们可以将阴影简易的分类为硬阴影、软阴影和无阴影三类。这些不同类型阴影其实就是靠着不同的照明类型器具而产生的，下面分别详细介绍。
　　<1> 硬阴影
　　如果照明的发光体型态近似于单一个点的发光，如灯泡、强烈聚光灯等的照明器具，那么所产生的阴影就会比较实、比较硬，也就是俗称的硬阴影。对于视觉效果部分，可以带来强烈的对比，给观察者比较有个性及针对性的感觉。

 
图：照明的发光体型态近似于单一个点的发光，会产生比较实、比较硬的阴影型态

 　　<2>软阴影
　　如果照明的发光体型态近似于一个体积物件的发光，如台灯、立灯、窗外天空光等的照明，那么所产生的阴影就会比较虚、比较软，也就是俗称的软阴影。然而真实世界的灯罩或是灯箱对象是不会发光的，但因为里面有日光灯或灯泡照明，所以对于外界的阴影效果而言，很像是整个灯罩或是灯箱在发光并照亮场景，而阴影型态也因此不再坚硬。就视觉效果部分，可以带来比较柔和、比较舒适的感觉。

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图：照明的发光体型态近似于一个体积物件的发光，会产生比较虚、比较软的阴影型态

   　<3>无阴影
　　如果没有明显的照明发光体对象，整个环境或空间充满着漫射的光线，那么就表示没有固定方向的照明，自然就不会有明显的阴影，顶多会在对象的底部有点不明显且非常柔弱的阴影而已。就视觉效果而言，这种几乎看不见的柔弱阴影，会带来比较虚无和无空间感的感觉。

图：如果没有明显的照明发光体对象，整个环境或空间充满着漫射的光线，那就几乎不会产生阴影

　　 三.光源系统
　　人的眼睛之所以能够看见对象，就是因为有发光的对象发射出光照亮度，照射到对象并且反弹回来。如果反弹回来的光颜色是红色的，人们就认为该对象是红色的对象，如果反弹回来的光颜色是蓝色的，人们就认为该对象是蓝色的。
　　了解光源系统的种类与分类，将有助于我们灵活地运用光源，借此创造出所需要的画面效果。下面便是主要的光源系统分类图，在后面的小节中将会分别进行介绍。

          [未完待续]