vray在三维动画中的应用

vray在三维动画中的应用

0vroa炼焦短片与传统艺术相比，动画是一种新兴的艺术作品。经过近10年的发展，动画设计逐渐进入了一个百花齐放的时期。与此同时,三维动画也在当今的数字时代如雨后春笋般茁壮成长,三维动画短片继三维动画出现之后走入了人们的视线。由于制作成本低、周期短以及短小精练的故事情节等动画电影无可比拟的优点,三维动画短片赢得了越来越多观众的关注和青睐。在世界数字多媒体技术百花齐放的今天,人们不再满足于传统二维的视觉效果,而更倾向于逼真绚丽多彩的画面特效,因此制作水平尤其是图像渲染器的应用更加成为三维动画技术的关键所在。VRAY渲染器于2001年问世,在各种渲染器的竞争中,以速度快、效率高而闻名,发展至今获得了越来越多的追随者。然而其在动画中的应用却是一直无法引起三维动画业界的关注,甚至在三维动画制作中的应用也是比较少见。尽管如此,仍然出现了一批成功的作品,例如PS2电子游戏大作《鬼舞者3》的开场三维动画在美国E3游戏大展上获得2005年度游戏动画短片第2名,短片所采用的正是VRAY渲染器(如图一)。由此可见,VRAY在动画中的应用潜力是十分巨大的。1渲染器1.1突出的三维特性,提高三维软件在三维渲染是三维动画“集大成”的部分,既集中了图像最复杂的和精妙的算法,又负责输出成片质量的把关,甚至解决了动画制作的瓶颈,因此渲染器和三维软件密不可分。早期的渲染器内置于软件,令人可惜的是可供数字艺术家选择的太少,在一定程度上影响了数码媒体创作的发展空间。然而从上世纪80年代末RenderMan诞生,到MentalRay的出现,再到VRAY横空出世,CG业界出现了各自的热情追随者,因为它们的出现都会给CG艺术带来更丰富的创作手法和变化。1.2vroa历史上简介当前,CG业界出现的渲染器已经不下几十种,除了上文提到的几种之外,还有诸如Maxwell、Turtle和Finalrender。每一款渲染器都诞生了伟大的作品,每一款都具有不同的特性。VRAY渲染器由3DSMAX软件最大的插件生产商ChaosGroup公司于2001年开发完成,并在同一年正式推向市场,目前已经开发到2.0版本。最新版本的VRAY渲染器适用于3DSMAX的同时,还支持MAYA、XSI、RHINO等其他三维软件。由于它的计算快速、操作的人性化,现在已经成功应用于电子游戏、产品效果图、影视制作等各种CG设计行业,特别是广泛应用于建筑表现行业。如CAPCOM游戏公司的《鬼武者3》、中央电视台的《克里夫兰号》纪录片、水晶石公司的建筑效果图(如图二至图五所示)。图五别墅效果图2对rv相机成像的真实探索2.1维动画模拟动画可以分为传统的二维动画和近十年来急速发展的三维动画。这里的二维动画是指传统的动画设计方法,动画师在透明胶片上将物体主角和动画背景分别进行绘制,然后层叠在一起形成完整的动画画面。而日益进步的计算机科技与出色的软件动画师的联合为三维动画提供了巨大的发展动力,越来越多的三维动画在计算机上直接制作完成,利用计算机强大的运算能力还能绘制出自然奇妙、瞬间特效等手绘无法完成的画面。正因其视觉效果上的真实性,所以能在当今动画发展中占据主流位置,如图六至图七所示。2.2动画过程的构图与语言重构渲染是三维动画制作的最重要的一步,要想形神合一地把精准的模型、生动的画面、逼真的材质、真实的灯光完美地让观众感受到,都需要经过最后的渲染形成可视化的图像。严格地说,如果动画画面渲染得不到位,会让整个制作前功尽弃。对于大多数三维动画艺术家而言,渲染只是一个点击“Render”按钮,然后等待的过程。在这么看似简单的过程背后,其实隐藏着极其精妙复杂的计算。所谓渲染,其实就是根据光学物理的有关定律,计算场景中所有物体可见表面上任一点投向观察者眼中的光亮度的大小和色彩。渲染在严格意义上是一个采样(Sampling)和重构(Reconstruction)的过程:对抽象三维场景进行采样、对采样结果进行可视化重构。采样包含了渲染的主要步骤,包括消隐(Hiding)和着色(Shading)(如图八所示)。当前的动画渲染主要有两种发展方向:一种是追求真实的照片级图像质量的渲染(PhotorealisticRendering);一种是追求特殊艺术效果的非真实渲染(NPR,Non-PhotorealisticRendering)。VRAY所具备的真实感渲染是目前大多数三维动画作品追求的效,主要用于虚拟现实、影视特效、图形仿真、广告、电脑游戏等领域。真实性和实时性是它的研究要点,它可分为局部照明渲染和全局照明渲染,其中HDR技术在全局照明渲染中占据着关键的地位。2.2.1局部照明的计算速度比较局部照明也称为直接照明(directillumination),只计算光源发出的光直接照射在物体表面所产生的光照效果,物体表面通常被假定为不透明,且具有均匀的反射率。局部照明能表现由光源直接照射在漫射表面上形成的连续明暗色调、镜面上的高光以及由于物体相互遮挡而形成的阴影等(如图九至图十中产生的高光的色调变化以及由于空间的遮挡关系产生的阴影)。但它不考虑周围环境对当前物体表面的光照影响,忽略了光在环境中各物体之间的传递,因而在局部照明中,直接光照不到的地方是黑暗的,阴影的边缘也是硬的,很难表现自然界复杂场景中的很多光照现象,因而是片面的、不完全真实的(如图九至图十,阴影是完全黑暗的)。但是由于参与计算的光照少,因此它的计算速度非常快。根据它的特性,在以VRAY为渲染器的动画制作中通常起到快速预览的作用,有利于贴图和灯光设置的多次调整和修正。2.2.2vroa染色环境中光照的模拟三维动画场景的真实感,极大程度上取决于光照的真实感,如果想得到真实的照片级图像效果就必须采用全局照明(以下简称为GI)的方法。GI是一种重要而普遍的照明技术,它能清晰地表现出物体在虚拟空间中的相互光照影响,即考虑了场景中光线与物体之间的位置与色彩关系以及物体与物体之间相互影响而引起的所有间接照明(Indirectlllumi-nation)情况。它可以模拟自然界中的各种光照现象,例如:漫反射、镜面反射、折射、次表面光线散射(1)、颜色渗透(2)和焦散(3)等效果(如图十一,球体底面有了红色地板光线的反射不仅得到了光照,还出现了红色的反光),还能够形成柔和的阴影(图十一至图十二,阴影处有了更多光线的照射而显得通透,阴影边缘也自然而真实)。在VRAY渲染器环境中,三维动画场景如果能充分把握好GI与场景的关系,将能够自动分析出场景中存在的灯光。将发光体(灯光)当成一个具有长宽高的面体积来看待,这样发出的光线不会像缺省下的灯光那样从一个无限小的点出发,而是从一个面发光,计算得出的结果就模拟出了现实中真实的物理特性。因此所有的光线投射出的阴影都具有随着距离投影物体远去而变得模糊柔和的特性,这一特性也是三维动画的画面真实感的来源之一。2.3动态光照渲染GI全局光照能够把单一的光照分解计算成为面灯光,然而在物体局部的颜色倾向与光源的强弱上却缺乏现实光照的多样性。因此,在应用GI技术的同时为了进一步加强场景照明的真实性,我们可以使用HDR技术模拟出真实光照的颜色倾向与强弱。HDR(Hygh-DynamicRange)高动态光照渲染,与之对应的是LDR(Low-DynamicRange),即CCD(数码相机的感光元件)的动态范围有限,颜色表征范围小,很强或很弱光会造成类似胶片曝光过度或曝光不足的结果,损失细节,层次感不够丰富。而HDR的CCD动态感光范围大,在比较极端的光线条件下仍能捕捉到细节,这项照明技术主要是依靠HDRI(Hygh-DynamicRangeImage)高范围动态图像来实现的。HDRI不同于一般的环境贴图,不仅保存了真实场景的图像信息,还包含了从极端光亮到极端黑暗的真实光照信息(如图十三所示)。VRAY渲染器里的环境贴图里应用HDRI技术,由于灯光的方向、强弱、色彩等数据是从HDRI里读取的,从而为三维动画场景提供真实的环境光照。与普通简单的全局光照相比,应用了HDR技术的光影效果更加柔和,画面效果更加突出与真实(如图十四至十五所示)。3芦苇组渲染3.1位计算的困难随着视频技术的不断发展,当动画越来越逼真、模型越来越细腻、渲染要求越来越高的情况下,伴随着文件变大、素材库变大,庞大的数据处理将使得32位计算本身在架构上就成为一个瓶颈。对任何制作人员而言,等待最终结果都是漫长和无趣的,如果客户催促,则更是令人感到烦心。三维动画短片虽然相比于动画电影在时间方面处于优势,但是由于高质量三维动画短片的场景和特效的复杂,单帧往往需要大量时间进行着色渲染,因此单机渲染和动画生成计算仍然非常耗时,渲染一个复杂的动画镜头可能要占用几天时间。如果以一般习惯的单帖帧渲染方式,想看到类似《魔戒》这样的画面特效难度十分巨大。3.2vroa网络的自动与智能化所谓的VRAY集群渲染平台,是利用集群计算机的优势,通过VRAY软件的服务器渲染功能,充分利用集群网络中的计算机硬件资源将复杂的三维动画场景通过大量计算,生成预览图像或最终动画图像,以供效果调整审定或后期制作合成之用。整个过程是自动化和智能化的,它代表了制作技术的发展方向。这一革命性变革,不仅打破了传统的孤岛式的制作方式,而且优化配置了整个网络资源,减少了原来因分散造成的资源浪费。并且,它可根据制作需求,随时增加VRAY网络中渲染单元。通过VRAY采用网络集群渲染极大地提高了制作效率,节约了制作时间并提高了设备利用率,而且可以提高系统的容错能力,保护工作成果。3.3系统程序的响应VRAY渲染器中的网络集群渲染的典型工作流程是:(1)用3D软件制作3D场景后,输出渲染器能接受的文件,通过VRAY软件该文件提交给管理服务器。(2)管理服务器启动以后,通知VRAY管理软件有工作需要进行渲染。(3)VRAY管理软件查找网络上的空闲节点,并把工作分配下去。(4)空闲渲染节点接到任务后,开始渲染工作,并把工作情况实时报告给管理服务器。(5)管理服务器把收到的信息反馈给VRAY管理软件,同时把信息反馈给用户。(7)整个场景渲染完成,用户得到可以应用的图片序列。这种集群式的网络渲染方式和单帧渲染方式的差距,就是能在同一时间联合发挥计算机的硬件优势,效率与单帧相比是天壤之别的。4维动画