3D燈光技術基礎

1、3D 燈光技術基礎你可能很少想到現(xiàn)實世界中光源是怎樣起作用的，然而， 當你在計算機圖形世界創(chuàng)建燈光時， 通常會花費很大力氣和嘗試來實現(xiàn)所需要的效果。 三維軟件可以隨意創(chuàng)建任何類型燈 光的自由性， 有時反而使你在精巧的圖像中創(chuàng)作逼真的外觀十分困難。 當你在特定的場景中 難以實現(xiàn)燈光效果時，了解一些傳統(tǒng)的燈光基礎知識通常會有所幫助。當你準備照亮一個場景時，應注意下面幾個問題： 場景中的環(huán)境是什么類型的？ 場景燈光通常分為三種類型：自然光、人工光以及二者的結合。 具有代表性的自然光是太陽光。 當使用自然光時， 有其它幾個問題需要考慮： 現(xiàn)在是一 天中的什么時間；天是晴空萬里還是陰云密布；還有，在環(huán)境

2、中有多少光反射到四周？人工光幾乎可以是任何形式。 電燈、 爐火或者二者一起照亮的任何類型的環(huán)境都可以認 為是人工的。 人工光可能是三種類型的光源中最普通的。 你還需要考慮光線來自哪里， 光線 的質量如何。 如果有幾個光源， 要弄清除哪一個是主光源？確定是否使用彩色光線也是重要 的。幾乎所有的光源都有一個彩色的色彩，而不是純白色。最后一種燈光類型是自然光和人工光的組合。 在明亮的室外拍攝電影時， 攝影師和燈光 師有時也使用反射鏡或者輔助燈來緩和刺目的陰影。燈光的目的是什么？換句話說， 場景的基調和氣氛是什么？在燈光中表達出一種基調， 對于整個圖像的外觀 是至關重要的。 在一些情況下， 唯一的目標

3、是清晰地看到一個或幾個物體， 但通常并非如此， 實際目標是相當復雜的。燈光有助于表達一種情感， 或引導觀眾的眼睛到特定的位置。 可以為場景提供更大的深 度，展現(xiàn)豐富的層次。因此，在為場景創(chuàng)建燈光時，你可以自問，要表達什么基調？你所設 置的燈光是否增進了故事的情節(jié)？在場景中是否有特殊燈光效果，如果有，它們是應該用燈還是通過其他途徑創(chuàng)建？ 除了通常類型的燈光外， 很多三維動畫軟件以白熾燈、 立體光源和特殊材料屬性的形式 提供許多特殊效果。雖然嚴格說來，一些并不屬于燈的類型，在場景中，它們通常在可見光 效果的外觀上再添加進來。一個簡單的例子是可見光源的閃耀或發(fā)光。由于這些效果在 3D 中不能自動產生

4、，你需要在渲染中專門把它們包括進來，并且考慮他們的外觀和長處。是否有創(chuàng)作來源的參考資料？ 在創(chuàng)作逼真的場景時， 應當養(yǎng)成從實際照片和電影中取材的習慣。 好的參考資料可以提 供一些線索，讓你知道特定物體和環(huán)境在一天內不同時間或者在特定條件下看起來是怎樣 的。通過認真分析一張照片中高光和陰影的位置， 通?？梢灾匦聵嬙鞂D像起作用的光線的 基本位置和強度。通過使用現(xiàn)有的原始資料來重建燈光布置，也可以學到很多知識。在考慮了上面的問題后， 現(xiàn)在應當為一個場景創(chuàng)建燈光了。 雖然光源的數量、 類型和他 們單獨的屬性將因場景不同而異， 但是，有三種基本類型的光源： 關鍵光、 補充光和背景光， 它們在一起協(xié)調運

5、作。關鍵光在一個場景中， 其主要光源通常稱為關鍵光。 關鍵光不一定只是一個光源， 但它一定是 照明的主要光源。同樣，關鍵光未必像點光源一樣固定于一個地方。雖然點光源通常放在四分之三的位置上（從物體的正面轉 45 度，并從中心線向上轉 45 度，這一位置很多時候被當作定勢使用） ，但根據具體場景的需要，也可來自物體的下面或 后面， 或者其他任何位置。 關鍵光通常是首先放置的光源， 并且使用它在場景中創(chuàng)建初步的燈光效果。雖然最初的放置為照亮物體提供了一個好的方法， 但是， 得到的結果確實是單調而無趣 的圖像。陰影通常很粗糙且十分明顯。同樣，場景看起來總是太暗，因為沒有自然的環(huán)境光 來加亮陰影區(qū)域。

6、這種情況在特定的場景中是很有用的，例如夜晚場景，但是，對大多數畫 面來說，就顯得有些不合適了。補充光補充光用來填充場景的黑暗和陰影區(qū)域。 關鍵光在場景中是最引人注意的光源， 但補充 光的光線可以提供景深和逼真的感覺。比較重要的補充光來自天然漫反射， 這種類型的燈光通常稱為環(huán)境光。 這種類型的光線 之所以重要， 部分原因是它提高了整個場景的亮度。 不幸的是， 大多數渲染器的環(huán)境光統(tǒng)一 地應用于整個場景。 減低了場景的整體黑暗程度， 它淘汰掉了一些可能的特性， 不能對照亮 的物體上的任何光亮和陰影進行造型，這是使場景看起來不逼真的主要原因。模擬環(huán)境光的更好的方法是，在場景中把低強度的聚光燈或泛光燈

7、放置在合理的位置 上。這種類型的輔助光應當減少陰影區(qū)域， 并向不能被關鍵光直接照射的下邊和角落補充一 些光線。除了場景中的天然散射光或者環(huán)境光之外， 補充光用來照亮太暗的區(qū)域或者強調場景的 一些部位。它們可以放置在關鍵光相對的位置，用以柔化陰影。背景光通常作為 “邊緣光 ”，通過照亮對象的邊緣將目標對象從背景中分開。 它經常放置 在四分之三關鍵光的正對面，它對物體的邊緣起作用，引起很小的反射高光區(qū)。如果 3D 場 景中的模型由很多小的圓角邊緣組成，這種高光可能會增加場景的可信性。其他類型的光源 實際光源是那些在場景中實際出現(xiàn)的照明來源。 臺燈、汽車前燈、 閃電和野外燃燒的火 焰都是潛在的光源。

8、在為場景設置燈光以后，還有一些其他因素需要考慮。我的解決方法簡單而必要嗎？場景中的燈光與真正的燈光不同， 它需要在渲染時間上多花功夫， 燈光設置越復雜， 渲 染所花費的時間越多， 燈光管理也會變得越難。 你應當自問， 每一種燈光對正在制作的外觀 是否十分必要。當增加光源時，自然會減少反射點。在一些點，增加光源不會對場景的外觀有所改善， 并且將變得很難區(qū)分所增加光源的價值。 你可以嘗試獨立察看每一個光源， 來衡量它對場景 的相對價值。如果對它的作用有所懷疑，就刪除它。有些物體是否需要從光源中排除？ 從一些光源中排除一個物體，在渲染的時候，便可以節(jié)約時間。 這個原則對于制作陰影也是正確的。 場景中

9、的每一個光源都用來制作陰影， 這種情況是 很少見的。制作陰影可能是十分昂貴的（尤其是光線跟蹤陰影的情況下） ，并且有時對最終 圖像是有害的。用貼圖效果而不用實際光源能夠模擬任何燈光嗎？建筑物光源、 照亮的顯示器和其他獨立的小組合光源， 有時可以用貼圖創(chuàng)建， 而不使用 實際光源。是否可以使用一些技巧使場景更真實？ 比如，為光源添加顏色或貼圖，可能可以很簡單的使場景取得較好的氣氛。3DS MAX布光原則及注意點燈光的設置過程簡稱為 布光”。雖然說一個復雜的場景由 100名燈光師分別來布光會有 100種不同的方案與效果，但是布光的幾個原則是大家都會遵守的。對于室內效果圖與室內 攝影，有個著名而經典的

10、布光理論就是三點照明”。筆者在此簡述一下：三點照明，又稱為區(qū)域照明，一般用于較小范圍的場景照明。如果場景很大，可以把它拆分成若干個較小的區(qū)域進行布光。一般有三盞燈即可，分別為主體光、輔助光與背景光。主體光：通常用它來照亮場景中的主要對象與其周圍區(qū)域，并且擔任給主體對象投影的功能。主要的明暗關系由主體光決定，包括投影的方向。 主體光的任務根據需要也可以用幾盞燈光來共同完成。如主光燈在15度到30度的位置上，稱順光；在45度到90度的位置上， 稱為側光；在90度到120度的位置上成為側逆光。主體光常用聚光燈來完成。筆者喜歡把 主體光的亮度設置為 240左右。輔助光：又稱為補光。用一個聚光燈照射扇形

11、反射面，以形成一種均勻的、非直射性的 柔和光源，用它來填充陰影區(qū)以及被主體光遺漏的場景區(qū)域、調和明暗區(qū)域之間的反差，同時能形成景深與層次，而且這種廣泛均勻布光的特性使它為場景打一層底色，定義了場景的基調。由于要達到柔和照明的效果，通常輔助光的亮度只有主體光的50%-80%。背景光：它的作用是增加背景的亮度，從而襯托主體，并使主體對象與背景相分離。一 般使用泛光燈，亮度宜暗不可太亮。下圖為區(qū)域照明燈光設置的簡單示意圖。布光的順序是：1）先定主體光的位置與強度；2）決定輔助光的強度與 角度；3）分配背景光與裝飾光。這樣產生的布光效果應該能達到主次分 明，互相補充。布光還有幾個地方需要特別注意：1）

12、燈光宜精不宜多。過多的燈光使工作過程變得雜亂無章， 難以處 理，顯示與渲染速度也會受到嚴重影響。只有必要的燈光才能保留。另 外要注意燈光投影與陰影貼圖及材質貼圖的用處，能用貼圖替代燈光的 地方最好用貼圖去做。例如要表現(xiàn)晚上從室外觀看到的窗戶內燈火通明 的效果，用自發(fā)光貼圖去做會方便得多，效果也很好，而不不要用燈光 去模擬。切忌隨手布光，否則成功率將非常低。對于可有可無的燈光， 要堅決不予保留。2）燈光要體現(xiàn)場景的明暗分布，要有層次性，切不可把所有燈光 一概處理。根據需要選用不同種類的燈光，如選用聚光燈還是泛光燈； 根據需要決定燈光是否投影，以及陰影的濃度；根據需要決定燈光的亮 度與對比度。如果

13、要達到更真實的效果，一定要在燈光衰減方面下一番 功夫?？梢岳脮簳r關閉某些燈光的方法排除干擾對其他的燈光進行更 好地設置。3）要知道MAX中的燈光是可以超現(xiàn)實的。要學會利用燈光的“排 除”與“包括”功能絕對燈光對某個物體是否起到照明或投影作用。例 如要模擬燭光的照明與投影效果，我們通常在蠟燭燈芯位置放置一盞泛 光燈。如果這盞燈不對蠟燭主體進行投影排除，那么蠟燭主體產生在桌 面上的很大一片陰影可能要讓我們頭痛半天。在建筑效果圖中，也往往 會通過“排除”的方法使燈光不對某些物體產生照明或投影效果。.4）布光時應該遵循由主題到局部、由簡到繁的過程。對于燈光效果的形成，應該先調角度定下主格調，再調節(jié)燈

14、光的衰減等特性來增強 現(xiàn)實感。最后再調整燈光的顏色做細致修改。如果要逼真地模擬自然光 的效果，還必須對自然光源有足夠深刻的理解。多看些攝影用光的書， 多做試驗會很有幫助的。不同場合下的布光用燈也是不一樣的。在室內 效果圖的制作中，為了表現(xiàn)出一種金碧輝煌的效果，往往會把一些主燈 光的顏色設置為淡淡的橘黃色，可以達到材質不容易做到的效果?？傊?，只要多實踐、敢于實踐，掌握用光的精髓就只是時間問題了。3DSMA場景照明總論燈光是3DS MAX中模擬自然光照效果最重要的手段，稱得上是MAX場景的靈魂。但是，復雜的燈光設置，多變的運用效果，卻是讓許多新手極 為困擾的一大難題，如何得到令人滿意的照明效果使很

15、多朋友感到頭痛 不已而又無可奈何。本教程的主要目的是帶領大家深入了解3DS MAX中的燈光設置，徹底解除各位朋友的困惑，從而創(chuàng)造出更真實更如意的 MAX 場景。一、MAX場景照明總論要想深入了解MAX的照明技術，就必須先了解MAX中燈光的工作原 理。在MAX中，為了提高渲染速度，燈光是不帶有輻射性質的。這是因 為帶有光能傳遞的燈光計算速度很慢，沒感受過的朋友想一想光線追蹤 材質的運算速度就會明白。也就是說，MAX中的燈光工作原理與自然界的燈光是有所不同的。如果要模擬自然界的光反射（如水面反光效果）、 漫反射、輻射、光能傳遞、透光效果等特殊屬性，就必須運用多種手段（不僅僅運用燈光手段，還可能是材

16、質如光線追蹤材質等）進行模擬。 有人抱怨KINITEX公司為什么不使用類似LIGHTSCAP軟件模擬類似自然 的照明系統(tǒng)，原因并不在于 KINITEX公司沒有掌握這門技術，而是 MAX 主要任務是面向動畫制作的。大家都知道，LIGHTSCAP中的燈光運算速 度很慢，往往渲染一張圖片需要很長時間（因此這個軟件定位于照片級 靜態(tài)圖渲染制作）。在動畫制作中，一秒鐘的動畫就需要渲染20多張圖 片（NTSC式的為30幀/秒，PAL式的為25幀/秒，電影為24幀/秒，女口 果要保持流暢的動感則至少需要15幀/秒），一分鐘就要渲染1000多張 圖片，那么你的等待將是無窮無盡的。好在 MAX有很多第三方開發(fā)的

17、外 掛插件，在燈光方面比較優(yōu)秀的插件有 RADIOSITY MENTAL RAY大型 “燈光效果 +特殊明暗器 +高質量渲染”插件）等可供用戶選擇。不過運 算速度上有點差強人意。當然，如果你就渲染一張靜態(tài)圖片而不是做動 畫（如建筑效果圖等），為了取得更好的效果與更方便的照明設置，等 待一個小時也是可以的。MAX中的燈光最大優(yōu)勢在于運算速度，照明質 量其實是不錯的。只要設置得當，同樣可以產生真實、令人信服的照明 效果。在MAX中，并不是所有的發(fā)光效果都是由燈光完成的。對于光源來 說也可能是經由材質、視頻后處理特效甚至是大氣環(huán)境來模擬。螢火蟲 尾部的發(fā)光效果，用自發(fā)光材質來模擬恐怕是最為恰當的，火

18、箭發(fā)射時 尾部的火焰效果用大氣環(huán)境中的燃燒裝置來做效果也是不錯的，而要模 擬夜晚的霓虹燈特效，利用視頻后處理中的發(fā)光（ GLO）特技來做則是 個好主意。不過燈光作為在 MAX三維場景中穿梭的使者，是 MAX表現(xiàn)照 明效果的最為重要手段。燈光作為 MAX中一種特殊的對象，模擬的往往 不是自然光源或人造光源的本身， 而是它們的光照效果。 在渲染時， MAX 中的燈光作為一種特殊的物體本身是不可見的，可見的是光照效果。如 果場景內沒有一盞燈光（包括隱含的燈光），那么所有的物體都是不可 見的。不過MAX場景中存在著兩盞默認的燈光，雖然一般情況下在場景 中是不可見的，但是仍然擔負著照亮場景的作用。一旦場

19、景中建立了新 的光源，默認的燈光將自動關閉。如果這時候場景中的燈光位置、亮度 等不太理想， 還趕不上默認燈光的效果。 如果場景內所有燈光都被刪除， 默認的燈光又會被自動打開。默認燈光有一盞位于場景的左上方，另外 一盞則位于場景的右下方。在MAX中有五種基本類型的燈光，分別是泛光燈（OMNI、目標聚 光燈（TARGET SPOTLIGHT 自由聚光燈（FREE SPOTLIGHT、目標平 行光（TARGET DIRECT、自由平行光（FREE DIREC）。另外在創(chuàng)建面 板中的系統(tǒng)（SYSTEM下，還有日光（SUNLIGHT照明系統(tǒng)，其實是平 行光的變種，一般在做室外建筑效果圖時模擬日光。其實還

20、有一種“環(huán) 境光”（在“渲染 / 環(huán)境設置”對話框中可以設置 ）。環(huán)境光沒有方向也 沒有光源，一般用來模擬光線的漫反射現(xiàn)象。環(huán)境光不宜亮度過大，否 則會沖淡場景，造成對比度上不去而使場景黯然失色。有經驗的人一般 先把環(huán)境燈光亮度值設為 0，在設置好其它燈光之后再做精細調整，往 往能取得較好的照明效果。MAX中的燈光默認情況下并不進行投影，但是可以根據需要設定成 投影或不投影。陰影的質量、強度甚至顏色都是可調整的。如果要正確 表示透明或半透明物體的陰影， 請使用光線追蹤（RAYTRACE陰影方式。 在不投影的情況下，MAX中的燈光是具有穿透性的，樓房五層的燈光盡 管有樓板阻隔去也可以照亮一層的地

21、板。非常有趣的是，如果把燈光的“倍增器” （MULTIPLIER的值設置成負數，還可以產生吸光或負光的 效果，可以產生某種顏色的補色效果（對與白色來說則是黑色）。在室 內建筑效果圖內通常來模擬光線分布不均勻的現(xiàn)象，或人為地把亮度大 的物體表面“照黑”。如果動態(tài)變化燈光的亮度與倍增器的值，甚至還 可以模擬閃電瞬間照明效果。MAX中燈光還有一個重要的功能是能夠通 過“排除” （EXCLUDE功能來指定燈光對哪些物體或不對那些物體施加 影響（照明與投影兩個方面），從而優(yōu)化渲染速度或創(chuàng)造特殊效果，學 習者千萬不可忽視。請記住MAX中燈光的兩個原則。第一，燈光與物體距離越遠，照亮 的范圍就越大，反之亦然

22、。而對于一個物體來說，某一燈光與它表面所 呈夾角（其實是入射角）越小，它的表面顯得越暗；夾角越大則表面越 亮。這跟太陽光與地面的關系很近似。如果一個燈光與一個平面（如地 面）距離很遠且與這個平面呈直角照射時，則照明效果是很均勻的。而 如果同樣的光光放得太近，則由于接觸表面的光線角度會有很大的變化， 會產生一個“光池”（聚光區(qū)）。如果要使一盞燈光照亮盡量多的物體， 請把把物體與燈光的距離拉大。而要使燈光把物體表面照得亮堂堂的， 則還應該把燈光與物體表面的夾角調整得大些。有好多朋友在創(chuàng)建燈光 的時候遇到了麻煩。不建立自己的燈光照明效果覺得還好，一旦建立了 自己的燈光，發(fā)現(xiàn)場景中的物體全部暗淡下來。

23、 這是燈光與物體的距離、 夾角沒有設置好的原因。好多朋友不知道其中的奧妙，看到一盞燈還不 夠亮，再建一盞看看。結果一個簡單的場景建立了 10多盞燈以后場景中 的照明更是顯得非常奇怪。其實 MAX場景照明理論與現(xiàn)實中攝影照明的 理論非常相似。對于較小的區(qū)域來說，可以采用所謂的“三點照明”（主 光+背光+輔光）的方式來解決照明問題。對與大的場面如禮堂內部效果 圖則可以把大的場景拆分成一個個較小的區(qū)域再利用“三點照明”的方 法來解決照明問題。當然，針對不同情況進行靈活機動地處理有時能產 生戲劇性的效果。另外要記住，盡量不要試圖在透明圖或攝象機中來創(chuàng) 建燈光或移動燈光。I.在MAX中，燈光都具有衰減的

24、屬性，不過默認的情況下燈光是沒有衰減的。為了更好地模擬現(xiàn)實（現(xiàn)實世界中的光線都是具有衰減性質的， 即距離越遠，亮度越小直到最終消失），通常需要手工打開燈光的衰減 性質。一方面可以指定燈光的影響范圍，另一方面創(chuàng)造出的燈光效果非 常具有現(xiàn)實感。對于泛光燈，衰減影響的只是照明的距離；而對與聚光 燈或平行光來說，不僅可以指定燈光能照多遠，還能指定光圈邊緣的衰 減效果。默認的燈光是不帶有任何顏色的。通過改變燈光的顏色，可以模擬 出各種照明效果。例如要模擬彩燈或把模擬日出時的陽光，則要調整燈 光的顏色。另外，燈光配合環(huán)境特效可以產生特殊的效果。例如配合環(huán) 境中的體積光（VOLUME LIGHT可以模擬舞臺

25、追光燈的效果，而泛光燈 配合特效中的發(fā)光效果（GLOW可以模擬普照大地的太陽。配合環(huán)境霧 效（FOG甚至還可以做出燈光穿過大霧的投影特效。3DSMAXT光與照明特效實例在前面的教程中，我們已經接觸了很多有關燈光的理論知識。本篇教程 重在實用，將挑選具有一些代表性的實例加以講解。為了能給學習者更 大的創(chuàng)作空間，我們不采取傳統(tǒng)的“手把手”的方式，而是在關鍵處加 以必要的提示，讓讀者自己來思考，完成各個相關實例。實例一：用泛光燈來模擬走廊內頂燈照明效果分析：頂燈照明效果是指頂燈在天花板上產生的照明效果，特點是隨著距離的增加照明效果由亮變弱最終消失。模擬發(fā)光的頂燈光本身我 們用自發(fā)光材質比較方便，但是

26、自發(fā)光材質無法照亮其它物體，所以還 得建立一盞泛光燈來模擬燈光的照明效果。1）創(chuàng)建好場景，如下圖。天花板是一塊沒有厚度的BOX頂燈是個半球（稍微向上移動一點）。燈座其實是三個圓環(huán)。頂燈采用了自發(fā)光 材質。我的做法是把頂燈的環(huán)境色、漫反射色與高光色都設置為亮白色， 再把自發(fā)光度調整到80。2）在頂燈的中心建立一盞泛光燈。 最好在頂視圖中建立，到前視圖、 左視圖中調整燈光的高度。場景一下子就暗了下來。渲染透視圖，可以 發(fā)現(xiàn)頂燈的周圍有了我們想要的光池效果，如下圖?？梢酝ㄟ^上下移動 泛光燈來調節(jié)光池的大小。也可以用聚光燈打光來模擬。實例二：模擬射入室內的光線分析：射入室內的光線是非常微妙的。要表現(xiàn)出

27、在光線投射下映出 的灰塵，最好的方式就是用聚光燈配合體積光來做。1）創(chuàng)建好場景。本場景非常簡單，如下圖。墻壁與地板、天花板都 可以用BOX來做。用布爾運算挖出窗戶，再創(chuàng)建幾個很細的圓柱體作為 簡單護窗。給墻壁等賦予合適的材質。在房間中間創(chuàng)建一盞泛光燈用來 模擬漫反射照明效果，因此要把這盞燈光的亮度值調得很低。筆者用的 亮度是60,只要場景中的物體依稀可辨就行。如果要模擬窗外的景色， 可以用背景貼圖去做。Perspective2）參照下圖建立一盞聚光燈，起始點在窗外，目標點在室內，與地面呈45度左右即可Perspective.3）選擇菜單RENDERING/ENVIRONMEN出環(huán)境設置對話框。

28、在ATMOSPHERE境特效）中選擇 ADD增加一個 VOLUMIEGHT （體積光） 特效。在VOLUMEIGHTPARAMETER體積光參數）下，點亮 PICK LIGHT（拾取燈光）按鈕，在視窗中選擇后來創(chuàng)建的體積光。參見下圖。4）渲染一下透視圖，發(fā)現(xiàn)渲染出來的圖是白茫茫的一片。 這是因為 默認的燈光不具備投影的特性，燈光具有穿透性。選中燈光后點右鍵， 在彈出的快捷菜單中選擇 CAST SHADOW投影）。再次渲染，貝賊們想 要的效果就出來了。5）再通過調整近處衰減開始與近處衰減結束等參數，把體積光的燈 芯部分消隱掉，這樣會更真實。還可以調整體積光的參數，加入NOISE（噪聲）效果來模擬飄動的灰塵。注：用