三维场景中灯光系统的应用

1、三维场景中灯光系统的应用    摘要:灯光的配置是三维场景设计当中的一个重要组成部分。它可以照亮场景、使物体显示出各种反射效果、创建阴影和特效。通常灯光和材质、环境共同作用,它们的结合可以使得三维作品更具有真实感。有效的灯光管理可以大幅提高渲染速度和优化渲染效果。    关键词:三维场景;灯光系统;三点照明法;阴影贴图;灯光阵列        在三维世界中,物体材质表现出的效果完全取决于灯光的照射。为建立好的场景或者模型赋予材质并打上灯

2、光可以极大地增强模型的逼真感,令场景或模型栩栩如生。灯光还可以用来烘托和渲染画面的气氛。几乎所有的三维建模软件都自带灯光面板,并可以模拟出在现实世界中的所有灯光效果。近年来,三维建模技术和动画技术日益成熟,而对于灯光到底如何较好地在三维建模软件中应用对于许多学习者来说仍是个难点。本文以三维建模软件3dsmax为例对灯光系统在三维软件中的应用进行探讨。        13dsmax灯光系统简介    在3dsmax的灯光面板上的标准灯光系统是一种基于计算机的模拟灯光。不同种类的

3、灯光对象可用不同的方式投射灯光,用于模拟真实世界不同种类的光源。其大致分类有:        聚光灯。表现为在一个圆锥形的区域里均匀的发射光线。聚光灯有目标聚光灯和自由聚光灯两种:前者是一种投射光束,可影响光束内被照射的物体,产生一种逼真的投影阴影,当有物体遮挡光束时,光束将被截断,且光束的范围可以任意调整;自由聚光灯是一种没有投射目标的聚光灯,通常用于运动路径上,或是与其它物体相连而以子对象方式出现,比如模仿类似手电筒和汽车前灯发出的灯光。因为聚光灯可以很容易地被定位和控制,故常用聚光灯作为照明场景的主光源。&#

4、160;   平行光。平行光常常用来模拟阳光效果,方向均匀的发射灯光。箭头指示光照方向,光线是互相平行的。平行光在室内场景的灯光设置中经常做为配合或辅助光源来使用,而不作为主要光源。在大的室外场景中,可以从若干个不同的角度发出多个方向光作为整体的辅助光源。        泛光灯。用于模拟灯泡或者蜡烛的光。从光源位置处向各个方向发散。照射范围可以任意调整,并可以对物体产生投影阴影。泛光灯在很多时候适合用来做辅助光,用于衬托物体的外形。    

5、60;   天光。天光可以从四面八方同时对物体投射光线,从而模拟日光的照射效果。天光灯的设置非常简单,在大多数表现室外照明的场景中,只使用一盏天光灯就可以获得理想的照明效果,并且还可以得到类似穹顶灯一样的柔化阴影。天光比较适合使用在开放的室外场景照明。并只有与光能传递渲染器配合才能得到理想的照明效果。        MR光。又称区域灯光,是从几何区域发射光的灯光。    当使用专用渲染插件MentalRay渲染器渲染场景时,区域泛光灯从球体或圆柱

6、体区域发射光线;区域聚光灯从矩形或碟形区域发射光线。值得注意的是,此类型光比较耗费渲染时间。    除此之外,还可以利用环境面板中的体积光和辉光效果来增添场景的特效。普通光效只能照亮物体,使物体产生明暗的光感和投射阴影。而体积光可以在场景中被看到。体积光可以表现光线照明中的空气微粒效果。如在光束照耀下尘埃的飘动等。而辉光效果一般用来模拟普照大地的太阳或者爆炸的中心。        2采用三点照明法作为三维场景的布光策略    被广泛应用

7、于平面摄影,电影电视中的三点照明法被采用在三维场景中,其简便易行,被许多设计师所接受。三点照明法实际上就是指光从三个不同的角度对物体进行照明;这三个不同角度的光被定义为:关键光、辅助光以及背光。    三点照明法的思路是:首先先加关键光,也就是物体的主要照明灯光,利用它在场景中创建初步的灯光效果。它定义了大部分的可视高光和最深阴影。关键光要亮于任何正面照射物体的光源。关键光的亮度必须达到足以使一个不光滑的物体(也就是没有高光)在渲染场景内正确显现。例如能够模拟太阳光、透明窗户或是房间内的吊灯。通常放在四分之三的位置上(从物体的正面转45度,并从中心线向上

8、转45度,这一位置很多时候被当作惯例使用)。但根据具体场景的需要,也可来自物体的下面或后面,或者其他任何位置。值得注意的是,关键光不局限于一盏灯光,也可是多盏。    其次添加辅助光:只加入关键光的场景多数条件下不够明亮。需要使用辅助光源为关键光做辅助照明来突现更多的细节,照亮主光源没有照亮的区域,体现层次性。通过添加环境光来确定整幅作品的基调,也能够提高整个场景的亮度。但这种整体性也导致一些缺点:比如不能对高光和阴影带来变化,逼真度不强。因此在创作时还应该增添一些低亮度的聚光灯或者泛光灯和平行光放在与关键光相对的位置(若关键光向左打,则辅助光向右打,反

9、之亦然)这样就可以减淡关键光所带来的阴影。从而提亮过于黑暗的区域。尤其注意辅助灯光强度不要高于主光源。        再次就是背光:在顶视图中增加一个聚光灯,移动它到物体的后边去,对着摄像机。在右视图看,此光的放置高于物体的位置。这样就布了一盏背光。背光在物体边缘生成一个边界以区分物体和背景,将物体从背景中“剥离”出来,从而增强主体的立体感。        3利用“排除”“阴影贴图”等方法优化布光策略   

10、 由于灯光效果与后期渲染速度密切相关。故当一个场景中有多盏灯光时,利用一些布光技巧可以优化灯光场景和提高最终渲染速度。灯光的“排除”功能用于模拟非自然超现实场景中,在需要精确控制场景中的照明时非常有用。例如,有时专门添加灯光来照亮单个对象而不是其周围环境,或希望灯光从一个对象(而不是其他对象)投射阴影。阴影的渲染是相当耗费渲染速度的,所以惯例下,很少会对场景当中的每一个光源照亮的每一个物体都设置阴影。        使用“阴影贴图”功能也能够加速渲染和实现一些特殊的效果。例如建筑物光源、照亮的显示器和其他

11、独立的小组合光源,有时可以用贴图创建,而不使用实际光源。在3dsmax中,灯光创建的越多,管理也就越困难,因此能用贴图处理的尽量不用打灯处理。从而优化灯光场景。        可以尝试使用灯光阵列的方法来模拟自然光。本文前面介绍的“天光”是一种理想的表现室内外照明的灯光效果。它的一个特点是必须使用光能传递渲染器进行渲染。这种渲染器为追求更好的画面质量而导致计算量庞大,也就是渲染时间耗费相当长。灯光阵列渲染的原理是手工模拟光能传递。每盏灯的强度都很微弱,而且投影也很淡很模糊,混合在一起就可以产生很逼真的漫反射照明和投

12、影效果。这种布光方式的优点就是渲染速度很快.在降低参数后可以很快看到整体效果。这是很多渲染软件不能相比的,典型的灯光阵列有以下几种:钻石形灯光阵列、金字塔形灯光阵列、圆顶形灯光阵列、环形灯光阵列、正方形灯光阵列、管形灯光阵列和综合形灯光阵    列等。    4灵活运用三维场景中的灯光照明策略    在为三维场景布置灯光时,第一个要考虑的是“显示”的需要,也就是看得见。这是灯光照明的首要任务,但决不是最终目的。其次要确定将完成的作品的使用目的。三维设计用途越来越广,从室内外建筑效果图输出,工业产品设计,影视片头设计以及影视动画片的制作等。设计者必须明确目的才能再根据各自的特点分配灯光。比如工业产品的造型设计,其最终设计目的是为了凸显产品的造型和材质感,在布置光源时标准    的三点照明法就很重要,展示整体,凸显细节。在动画片中给角色打光,经验表明:灯光的照射角度不同引起观看者的不同感觉:如正面角色一般都会使用斜上方的灯光来照明,而反面角色一般都会使用从下往上照