mental ray基本概念

mental ray是:个专业的3D渲染器，它在电影领域中已得到广泛的应用和认可，被认为是市场上最高级的三维渲染解决方案之一。 本章主要介绍mental ray的基础知识，包括基本的概念及应用、发展历程、加载mental ray的方法、材质定义、Scanline渲染和Raytracing渲染， 以及全局照明。

mental ray的材质着色器和Maya的工作思路有很大的差异，很多初学者往往无法正确理解和使用。这里针对初学者在学习mental ray时可能会碰到的术语进行详解，帮助初学者理解mental ray的工作原理。

一、材质定义

打开Hypershade (材质编辑器)窗口，创建一个Maya常规Blinn材质，然后单击Hypershade(材质编辑器)窗口上方的园(输出连接)按钮，会显示一个与Blinn材质节点相连的“###SG”节点(阴影组节点)，双击这个阴影组节点，打开它的属性编辑器，Shading Group Attributes(阴影组属性)卷展栏中的所有内容才是Maya常规材质完整定义所包含的内容，如下图所示。

 也就是说，Maya常规材质的完整定义是Surface material (表面材质)、Volume material (体积材质)和Displacement material (置换材质)这3种材质的组合。Blinn (布林)、Lambert (兰伯特)等只是材质完整定义中的表面材质。

以上是Maya常规材质的完整定义，那么mental ray类型材质的完整定义都包括什么呢?打开Hypershade (材质编辑器)窗口，执行Create>mental ray Materials>dgs_ material (创建>mental ray材质>DGS材质)命令，然后单击Hypershade (材质编辑器)窗口上方的 (输出连接)按钮，会显示一个与dgs_ material材质相连的“###SG”节点( 阴影组节点)，双击这个阴影组节点，打开它的属性编辑器，然后展开mental ray的Custom Shaders (自定义材质)卷展栏，所有后面带有图标的材质接口就是mental ray材质的完整定义内容，如下图所示。

注意：这里对Maya 2014版中的mental ray界面局部进行了调整。

mental ray类型的材质都是通过着色器进行定义的，共由9个部分组成，每一部分都要用相应的材质着色器进行定义。

01定义mental ray表面材料的材质，称为Material Shader (材料材质)， 主要用于控制表面着色的过程。

02定义mental ray阴影效果的材质，称为Shadow Shader (阴影材质，用于生成透明的阴影。

03定义mental ray体积效果的材质，称为Volume Shader (体积材质)，用于生成局部体积特效。

04 定义mental ray光子效果的材质，称为Photon Shader (光子材质)，用于控制物体表面处理光子的方式(即光子间接照明)。

05定义mental ray光子体积效果的材质，称为Photon Volume Shader (光子体积材质)，用于模拟光子穿过媒介的效应。

06定义mental ray置换效果的材质，称为Displacement Shader (置换材质)，主要用于修改物体表面的形状。

07定义mental ray环境效果的材质，称为Environment Shader (环境材质)，主要用于为材质指定环境贴图。

08定义mental ray灯光映射效果的材质，称为Light Map Shader (灯光贴图材质)，主要用于收集物体表面的照明信息。

09定义mental ray轮廓效果的材质，称为Contour Shader (轮廓材质)，主要 用于对物体进行勾边，表现卡通风格的渲染图像。

在mental ray中还有一些其他的材质，放置在Hypershade (材质编辑器)窗口的mental ray标签下，如下图所示。

01 Texture (纹理) :用于纹理的控制，如下图所示。

02 MentalRay Lights ( Mental Ray灯光) :用于光源生成灯光，如下图(左)所示。

03 Lenses (镜头) :用于摄影机生成景深、透镜光芒等特效，如下图(中所示。

04 Geometry (几何体) :作用为替换，可在渲染结果中产生程序几何体，如下图(右)所示。

05 Sample Compositing (采样合成) :用于表面的反射、折射及透明采样，如下图(左)所示。

06 Data Conversion (数据转换) :不同数据之间的转换与合成，如下图(右)所示。

07 Miscellaneous (杂项) :包括各种其他的材质着色器，诸如用于打包材质着色器的Phenomenon (现象)材质着色器等，如下图所示。

二、Scanline (扫描线 )渲染和Raytracing (光线追踪 )渲染

Scanline (扫描线) :是指一行一行地渲染，而不是根据多边形到多边形或点到点方式渲染的一项技术和算法集。

这种方法的优点就是没有必要将主内存中的所有顶点都转到工作内存，只有与当前扫描线相交边界的约束顶点才需要读取到工作内存，并且每个顶点数据只需读取一次。主内存的速度通常远远低于中央处理单元或者高速缓存，避免多次访问主内存中的顶点数据，可以大幅度地提升运算速度，多数情况下要比光线追踪渲染的速度快，如下图(左)所示。

Raytracing (光线追踪) :光线追踪是最早开发出来，用于解决反射、折射，以及非漫射表面光能传递的渲染方法，它定义光线是一条没有大小和长度的射线。一般光线追踪渲染法的定义:光是从摄影机投射到场景中，当光与物体发生碰撞时会再反弹或折射，并产生出更多其他的光线，如下图(右)所示。由于光线追踪属于递归算法，其核心为每次交集后用自身再次产生交集，因此在渲染时需要花费大量的时间。

虽然mentalray渲染器是基于Raytracing(光线追踪)渲染的，但必要时仍然会转换成Scanline (扫描线)渲染技术。

如果把Maya中提供的软件渲染器定义为“直接照明”，那么mental ray提供的则为“全局照明”。

三、全局照明

可见光是由波长连续的光波组成的。特殊波长的可见光就像特殊的颜色，可以被人眼察觉。当特定频率的光波打到物体上时，会被吸收、反射或透射。

当光波频率与原子的电子固有振动频率相等时会出现吸收现象。在这种情况下，光能被转换成热能，光波在那之后会不可见。当光波频率与电子的固有频率不匹配时，就会出现反射现象。在这种情况下，光波的能量会暂时被吸收，然后像一条 新光波样被重新发射。 这经常在透明物体中出现，如玻璃、宝石等。

01直接照明:直接用灯光来照亮场景，如下图(左)所示。

02 间接照明:假如在现实世界中一个封闭的房间内，有一盏白炽灯，房间内的桌子上摆着一个花瓶，白炽灯从花瓶的斜上方进行照明，此时花瓶的正上方被照亮，虽然灯光照不到花瓶的背面，但还是能够看到花瓶背面上的图案或花纹。这是因为灯光照亮了房间里的其他地方，如墙壁，那么从墙壁上漫反射出来的光线就会“绕”到花瓶的背后，这就是所谓的“间接”照明。下图(右)所示为间接照明的具体应用。

mental ray主要通过Photon (光子)来进行照明和渲染。当光子与物体表面进行碰撞时，会依据物体的材质属性来产生穿透、反射或是被吸收等效果。在反弹过程中，这些光子会将这些数据记录在PhotonMap (光贴图)中，之后的渲染就会以光子贴图来作为照明的依据。

*Final Gathering (最终聚集)

Final Gathering ( 最终聚集)也能够提供高级的反射灯光效果，但它与Global llumination (全局照明)使用途径不同。Final Gathering (最终聚集)可以不需要任何灯光也能照亮场景，它的光源可以是物体表面(如白炽属性很高的物体)。它既可以用来辅助Global llumination (全局照明)来获得平滑的最终效果，也可以单独使用并获得不错的灯光效果。

下图所示的是没有任何灯光下的Final Gathering (最终聚集)照明效果。