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现代电影技术三维动画渲染技术解析长春工业大学艺术学院林酷影视制作【摘要】渲染是三维动画制作重要的组成部分，所有的前期工作成果必须通过渲染加以完成和体现，了解渲染器的技术原理和工作方式对于渲染工作至关重要。本文从材质表现的基本原理、折射与反射、营造真实的环境光照等多个方面，对三维渲染的关键性技术做了“解构性”论述，阐明了渲染技术的构成主体与发展脉络，并对渲染技术的未来发展进行了预测。【关键词】渲染光线追踪全局照明点云三维动画引言三维动画制作技术发展得越来越快，早期一些难以克服的问题已经得到了的解决，例如流体、布料、毛发等。相比之下，渲染已经成为最受关注并有待提高的领域。渲染在三维动画制作中占有举足轻重的地位，无论多复杂的场景、多绚烂的特效，没有好的渲染使之变为精美的画面，最后也是功亏一篑，同时也是对资源的巨大浪费。渲染技术发展到今天已经是成绩斐然，基本可以再现真实世界的任何景象与事物，进步明显，但仍存在着不足。1渲染器是如何描述世界的首先，让我们看看渲染器是如何描述我们眼前这个绚烂多彩的世界的。在计算机图形学构成的三维世界中，渲染器会把已经存在的模型理解为具有不同构成形态的“表面”(Surface)，通过赋予表面不同的“着色器”(Shader)来定义它们的表面材质属性，这就是渲染器描述现实世界的基本方法。通常着色器可以被定义为几大类，它们分别是布林(Blin)着色器，一般用于表现金属；兰伯特(Lam—bert)着色器，一般用于表现哑光对象；风(Phone)着色器，一般用于表现塑料、不锈钢等具有锐利高光的物体；各向异性(Anisotropic)着色器，用来表现具有复杂高光形态的物体；次表面散射(Subsurface)着色器，用来表现半透明或物体内部具有折射现象的物质。总之，基本思路是对自然界物质类型进行大致分类，然后定义出表现它们的着色器类型来。这样做的好处是简化了材质的描述方法，大大提高了制作效率。通过以上着色器，理论上我们可以调节出世界上任何类型的材质(见图1)。图1丰富的看色器类型除了基本的着色器类型，一些高端渲染器还会有自己的专项着色器，例如玻璃、皮肤、车漆着色器等。普遍意义上的着色器是商业软件的通常做法，要满足高级别的影视制作还是远远不够的。为了得到最佳的材质表现效果，往往会根据需要编写一些新的着色器，而这取决于渲染器的拓展能力。现实世界中，物体表面除了材质属性外，还具有纹理属性，例如表面程度的凹凸、树桩的年轮、布料的花色、肮脏的墙面等等，这些都需要予以真实的表现。所以渲染器引1人了“纹理”(Texture)的概念，用来表现材质千变万化的不规则属性。归纳起来，它们可大致分为三种。一22—．见代电影技术No．9／2014ADVANCEDMOTIONPICTURETECYHNOLOGY(1)程序纹理(ProcedureTexture)。这种类型『纹理依靠软件自身生成，是预制好的，拥有大量‘控参数的纹理类型。它的附着方式依赖于三维映。程序纹理一般用来表现比较简单的图案类型或：面，对于复杂、自然天成的图形，它显得力不从·。程序纹理最重要的用途是在制作纹理动画、特：等方面，所以做为独立的纹理类型，它是不可或：的。(2)图像纹理(ImageTexture)。这种纹理类是通过加载数据集(Map)，调用外部图像文件的：理类型。它的特点是快速、逼真、表现力强大，：以成为纹理表现的最主要手段。它的附着方式是解模型的贴图坐标(UV)。(3)渐变纹理(GradientTexture)。严格来说，：是程序纹理的一种，但是它所具有的特殊性和应『的广泛性，使它被单独划分开来。以上就是渲染器描述世界的基本思路。除此之-，一些常见的自然现象，例如烟、火、云、电等；，渲染器都有相应的表现技巧。2如何得到真实的反射与折射我们身边的很多物体或多或少都带有反射和折。I生质，例如镜子、金属、塑料、玻璃、玉石、蜡【等等。有效、真实地表现这些物理现象，一直是图2基于光线追踪的反射折射：染技术孜孜不倦、努力追求的目标。在“光线追；”算法没得到广泛应用之前，表现物质反射、折『最常用的办法就是模拟：用一张与周围环境匹配l纹理贴图作 为反射 、折 射的依据 ，速度虽然 快 ， 影 视 制 作 但效 果不 佳 。随 着 光 线 追 踪 算 法 效 率 的不 断 提 升 ， 这种 情况 得 到 了极 大 的改 善 (见 图 2) 。 下 面我 们 来 看 看 什 么 是 光 线 追 踪 ( Ray Trac- ing) 。光线追踪是当下最为流行 的渲 染算法 ，它的 基本 原理 是 逆 向跟 踪 进 入 虚 拟 摄 像 机 镜 头 的 光 路 。 当光 线离 开灯 到 达 一 个 物 体 表 面 的 时候 ，会 受 到 三 种 因素 的影 响 ：吸 收 、反 射 与 折 射 。光 滑 物 体 会 将 光线 按照 镜像 角 度 反 射 出 去 。 当光 线 遇 到 透 明 或半 透 明物体 时 ，部 分光 线 会 改 变 光 路 穿 透 物 体 产 生 折 射 。理论 上 ，吸收 会 始 终 伴 随 这 个 过程 ，绝 对 的 反 射 、折 射是 很 没 有 的 。光 线 就 这 样 不 断 地 反 射 、折 射 ，最终 到达摄 像 机 镜 头 ，产 生 我 们 看 到 的渲 染 图 像 。由于光 源发 射 出来 的光 线 经 过 不 断 消 耗 ，大 部 分 不会 出现 在摄 像 机 镜 头 中 ，所 以对 于构 建 可 见 信 息 来说 ，逆 向 跟 踪 比真 实 计 算 光 线 交 互 效 率 要 高 。 光 线追 踪算 法 的广 泛应 用得 益 于它 的真 实 ，像 反 射 、 折 射 、阴影 这些 对 于 其 它 算 法 很 难 实 现 的效 果 ，对 光 线追 踪来 说却 是 一种 自然 的结 果 。有 了光线 追 踪 ， 得到逼真的反射与折射变得如此轻松 ，设置好参数 ， 调 整好 品质 ，剩 下 的就 让光 线追 踪 自己去计算 好 了。 不 得不 提 的是 ，光 线 追 踪 算 法 效 果 虽 然 出众 ，但 也 存 在计 算量 巨大 、消耗 资源 严重 的不 足 。 今 天 ，绝 大多 数 商 业 渲染 器 都 是 基 于 光 线 追 踪 类 型 的渲染 器 。光 线 追 踪 的 品质 已 经决 定 了一 个 渲 染 器 的好坏 。基 于 光 线 追 踪 的一 些 高级 渲 染 功 能 也 开始被 广 泛应 用 。 3 环 境光 照 早 期 三维 制作 渲 染 出来 的 画 面效 果 是 差 强 人 意 的 ，主要 原 因是渲 染 器 无 法计 算 现 实世 界 的环 境 光 照 。光 线 照射 到物 体 后 并 不 能 进 行 反 弹 ，被 照射 之 外 的区域 是一 片漆 黑 的 ，这 大 大 降低 了 画 面 的 真实 度 。为 了弥补 这些 缺 憾 ，制 作人 员 尝试 使 用 灯 光 阵 列 (用 大 量灯 光进 行 有序 排 列 ，产 生 多 角度 照 明 与 模 糊 阴影 ) 作 为环 境 光 来 调 整 画面 效 果 。这 种 方 法 不但 速度 慢 、耗 费资 源 ，并 且 效 果 也 不 理 想 。所 以 早 期 的三 维动 画 作 品 画 面 有 一种 虚 假 、单 调 、 色彩 匮乏 的感 觉 。 随着 时 间 的推 移 ，情 况 发 生 了 改 变 。渲 染 器 终 一 2 3 — 现 代 电 影 技 术 No．9／2014 ADVANCED MOTIONPICTURErEOHNOLOGY 于 可 以营造 出真 实 的环 境 照 明 了 ，这 种 方 法 我 们 称 之 为 “全局 照 明 ” ( Globe Illumination) 。所 谓 全 局 照 明就 是摒 弃光 照 的单 一 效 果 ，使 光 路 与 场 景 发 生 真实 的交互 ，从 而 带来 更 为 逼 真 的环 境 照 明 。全 局 照 明算 法种 类 繁 多 ，效 率 与 结 果 也 不 尽 相 同 ，大 致 可 以分 为 几类 。 ( 1) 光 能传 递 (R adiosity) 。由 “有 限元 ”算法 演变 而来 的各 种 全局 照 明算 法 可 以统 称 为 光 能传 递 算法 。这 种算 法 带 动 了 一批 商 用渲 染 器 ，最 著 名 的 就是 Light scape。这 款 产 品 十年 前 曾 风 靡 一 时 ，主 要用 于建 筑 与室 内设 计 领 域 ，虽然 速 度 较 慢 ，但 渲 染效 果 出 色 。通 过 Lightscape，人 们 改 变 了对 三 维 渲染 的糟糕 印象 ，开 始认 识 到三维 制 作 的巨大 潜力 。 后来 这 个 软 件 被 A utodesk 公 司 收 购 并 内 置 于 3dsmax 中 ，停 止 了继续 开发 。虽 然 已时 光久 远 ，但 很 多人 仍对 它念 念 不 忘 ，原 因 就是 Lightscape 当初 带 给 了人们 以强 烈 的震撼 。 ( 2) 蒙特 卡 洛 ( Monte Carlo) ：基 于 光 线 追 踪 的算法 。这个 名 字 来 源 于 数 学 中 的 蒙 特 卡 洛 积 分 ， 是 通 过对 大量 随机 数 据 采 样 ，求 预 期 值 的算 法 。蒙 特 卡 洛这 一 类 算 法 在 上 世 纪 9O 年 代 得 到 了 长 足 发 展 ，各 种 新 的方 案 层 出不 穷 ，与 光 能 传 递 一 起 ，在k8凯发官网入口
