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真实光分析与Mental Ray应用(一)

发布时间:2018-11-17 19:57:24

        【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]

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