光子圖原理

叮叮叮！又到分享時(shí)間！今天我們來(lái)學(xué)習(xí)3dmax渲染干貨：

光線(xiàn)追蹤器一般來(lái)說(shuō)可以很好地解決對(duì)象順序框架難以解決的陰影和反射問(wèn)題。光線(xiàn)追蹤的基本算法光線(xiàn)跟蹤器通過(guò)一次計(jì)算一個(gè)像素來(lái)工作，并且對(duì)于每個(gè)像素，基本任務(wù)是找到在該像素在圖像中的位置處看到的對(duì)象。每一個(gè)像素表示攝像機(jī)“看向”的不同方向，可以看到的對(duì)象一定會(huì)和視線(xiàn)相交。因此，距離攝像機(jī)最近的對(duì)象是尤為重要的，因?yàn)樗趽趿撕竺娴钠渌鼘?duì)象。?

基礎(chǔ)的光線(xiàn)追蹤器包含以下三個(gè)部分：

①光線(xiàn)產(chǎn)生（ray generation）：基于攝像機(jī)的幾何性質(zhì)計(jì)算每一個(gè)像素的視線(xiàn)的原點(diǎn)和方向

②光線(xiàn)相交（ray intersection）：找到最近和視線(xiàn)相交的物體

③著色（shading）：基于光線(xiàn)相交的結(jié)果計(jì)算最近物體的顏色

irradiance發(fā)光圖

發(fā)光貼圖的計(jì)算方式是基于發(fā)光緩存技術(shù)的，是只計(jì)算場(chǎng)景中某一些特定的間接照明，對(duì)附近的區(qū)域進(jìn)行插值計(jì)算。

Irradiance發(fā)光貼圖描述了三維空間中任意一點(diǎn)和全部可能照射到這一點(diǎn)的光線(xiàn)。通常照射這個(gè)點(diǎn)的每條光線(xiàn)都是不同的，但是渲染器在渲染時(shí)對(duì)這些光線(xiàn)也有限制，由于被照射的點(diǎn)都在場(chǎng)景中物體的表面上，所以有一種約束叫做表面約束。另外一種是渲染器只考慮這個(gè)點(diǎn)被照射的所有光線(xiàn)數(shù)量而不去計(jì)算這些光線(xiàn)來(lái)自哪個(gè)方向。這些被計(jì)算的所有的點(diǎn)是一個(gè)三維空間方式的集合。

當(dāng)光線(xiàn)照射到物體表面時(shí)，VRay會(huì)在發(fā)光貼圖中查找與當(dāng)前計(jì)算過(guò)的點(diǎn)類(lèi)似的點(diǎn)，并從已計(jì)算過(guò)的點(diǎn)中提取信息，根據(jù)這些信息將這些相似的點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)差值替換。如果那個(gè)點(diǎn)與其他任何被計(jì)算過(guò)的點(diǎn)不同，就會(huì)被重新計(jì)算，保存發(fā)光貼圖到內(nèi)存中。

由于上述原因，所以發(fā)光貼圖是自適應(yīng)的，它會(huì)根據(jù)我們給定的參數(shù)對(duì)場(chǎng)景中物體的邊界、物體交叉部分以及陰影等重要的部分進(jìn)行精確的全局光照計(jì)算，在大量平坦的區(qū)域進(jìn)行低精度的全局光照計(jì)算。發(fā)光貼圖是VRay渲染系統(tǒng)的默認(rèn)渲染引擎，也是參數(shù)最多的渲染引擎。

所以發(fā)光貼圖理論上是計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的光線(xiàn)，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果再去渲染成圖。但是大多數(shù)時(shí)候這會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，而很多時(shí)候我們并不需要如此精確的計(jì)算，所以有的時(shí)候我們會(huì)選擇多個(gè)像素計(jì)算一次。這一點(diǎn)是通過(guò)引擎中的最小速率和最大速率來(lái)控制的，這個(gè)控制有幾個(gè)維度。

首先最小和最大速率中的數(shù)字代表的是多少個(gè)像素來(lái)進(jìn)行采集樣本。值為0意味著每個(gè)像素采樣一次，-1是四個(gè)像素進(jìn)行一次采樣，-2就是16個(gè)像素進(jìn)行一次采樣，-3是64個(gè)像素進(jìn)行一次采樣，-4是256個(gè)像素進(jìn)行一次采樣，以此類(lèi)推。

如果最小速率為-1，最大速率為-3，那么就意味著光子圖會(huì)計(jì)算三次，第一次為64個(gè)像素進(jìn)行一次采樣，第二次為16個(gè)像素進(jìn)行一次采樣，第三次為4個(gè)像素進(jìn)行一次采樣，然后三次采樣用算法疊加，以得到更高的精度。

而疊加的方式這一點(diǎn)比較特殊，他并不是簡(jiǎn)單的進(jìn)行疊加，而是說(shuō)Min rate（最小比率）用來(lái)控制場(chǎng)景平坦區(qū)域的采樣數(shù)量，Max rate （最大比率）則來(lái)控制場(chǎng)景中的物體細(xì)節(jié)的采樣數(shù)量，如邊線(xiàn)、角落、模型轉(zhuǎn)折復(fù)雜的地方。

也就是說(shuō)光子圖渲染完成之后會(huì)自動(dòng)根據(jù)模型的復(fù)雜程度來(lái)調(diào)用光子樣本。什么意思呢，比如場(chǎng)景里有一面墻，很平坦，上面并沒(méi)有什么其他的模型，那么他就會(huì)調(diào)用最小比率中采集到的樣本來(lái)進(jìn)行最終的成圖渲染，而面與面的交接處，因?yàn)槟Ｐ秃軓?fù)雜，他就調(diào)用最大比率采集到的樣本來(lái)進(jìn)行最終成圖的渲染。

這也是為什么要進(jìn)行多次光子的原因。很多人覺(jué)得麻煩，只計(jì)算一次光子，其實(shí)是不對(duì)的，在時(shí)間充許的情況下應(yīng)該進(jìn)行多次光子計(jì)算。

light cache

燈光緩存也使用近似來(lái)計(jì)算場(chǎng)景中的全局光照信息，采用了發(fā)光貼圖和光子貼圖的一些特點(diǎn)，在攝像機(jī)的可見(jiàn)部分內(nèi)跟蹤光線(xiàn)的發(fā)射和衰減，然后把信息存儲(chǔ)到一個(gè)三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，對(duì)燈光的模擬類(lèi)似于光子貼圖，計(jì)算范圍與發(fā)光貼圖的一致，僅對(duì)攝像機(jī)可見(jiàn)部分進(jìn)行計(jì)算。Light Cache燈光緩存是建立在追蹤攝影機(jī)可見(jiàn)的許許多多光線(xiàn)路徑的基礎(chǔ)上，和發(fā)光貼圖正好是相反的，是逆向的，而且它支持任何燈類(lèi)型，它對(duì)燈光沒(méi)有局限性。在做預(yù)覽時(shí)是很快的，它可以單獨(dú)完成對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的GI照明，也可以配合別的貼圖做二次反彈。而且這種引擎在墻角處的效果會(huì)更好，層次會(huì)更細(xì)膩。

在Light Cache參數(shù)面板中Subdivs參數(shù)是非常重要的，它控制了Light Cache的采樣，該參數(shù)值越大越能得到好的畫(huà)面效果，同樣渲染速度會(huì)變慢，Subdivs的意義是確定有多少條來(lái)自攝像機(jī)的路徑被追蹤，路徑的數(shù)量是Subdivs參數(shù)的平方值如果Subdivs設(shè)置為 300 那么被追蹤的路徑數(shù)量就是300×300=90000條路徑，如果Subdivs設(shè)置為1000的話(huà) 那么被追蹤的路徑數(shù)量為1000×1000=1000000條路徑。

注意：由于Light Cache燈光緩存特殊的計(jì)算方式，在使用燈光緩存時(shí)，盡量不要將材質(zhì)色彩的RGB值設(shè)置到255，這樣會(huì)導(dǎo)致追蹤路徑過(guò)長(zhǎng)從而增加渲染時(shí)間。

明確了渲染光子圖的原理和目的，在教大家進(jìn)行光子貼圖操作前，明確幾點(diǎn)：

①跑光子圖能節(jié)約多少時(shí)間呢？

實(shí)際上，這個(gè)節(jié)省時(shí)間的多少是根據(jù)你的任務(wù)大小、場(chǎng)景設(shè)置來(lái)的，沒(méi)有一個(gè)確定答案。具體應(yīng)用場(chǎng)景里，如果你的渲染參數(shù)比較高，大圖的尺寸也比較大，那我們建議就使用先小圖跑光子圖的方法。

②跑光子圖時(shí)的參數(shù)設(shè)置？

理論上，大圖的尺寸是小圖的4倍以?xún)?nèi)就可以使用，太大就無(wú)法保證。

比如你要出一張2000的圖，你渲光子的時(shí)候，尺寸500就可以了，不會(huì)影響出圖質(zhì)量。

具體設(shè)置光子的細(xì)節(jié)上：還要保證場(chǎng)景不變（燈光、物體大小位置，角度），大圖與小圖的長(zhǎng)寬比尺寸需一致，渲染的范圍需一樣。

③影響光子圖渲染時(shí)間的因素？

（1）電腦配置。

配置再高的電腦，也會(huì)渲染很慢，還有反射、細(xì)分、卡住的問(wèn)題；

（2）參數(shù)原因。

參數(shù)沒(méi)調(diào)對(duì)，估計(jì)設(shè)置得很高，不然就是場(chǎng)景垃圾太多；

（3）渲染設(shè)置。

渲染設(shè)置是否匹配，不能全靠一個(gè)模板就搞定所有場(chǎng)景。

④怎么查看光子渲染時(shí)間，怎么判斷光子是否卡住了？

光子圖渲染一般都能很快完成，如果我們發(fā)現(xiàn)渲染時(shí)間特別慢的話(huà)，很大程度上說(shuō)明這個(gè)光子設(shè)置有問(wèn)題，有可能是光子圖卡住了。

比如，時(shí)間進(jìn)度里，后面那個(gè)需要渲染的時(shí)間特別大，或者前后的兩個(gè)時(shí)間無(wú)限的接近，但又很長(zhǎng)時(shí)間都不進(jìn)入到大圖渲染。

光子圖大概率是卡住，需重新檢查參數(shù)設(shè)置，檢查文件大小，比如模型較大的場(chǎng)景文件，VR設(shè)置的“動(dòng)態(tài)內(nèi)存極限”建議修改為3000或3000以上。另外，也可能是材質(zhì)細(xì)分問(wèn)題，模型精度過(guò)高會(huì)影響渲染速度，這里可以用白模進(jìn)行檢查。

如何在3D MAX中設(shè)置保存、調(diào)用光子貼圖

如何設(shè)置并保存光子圖

①在3D max中，打開(kāi)需要渲染的場(chǎng)景文件，確認(rèn)相機(jī)角度，調(diào)整好相關(guān)參數(shù)，按F10，彈出設(shè)置界面，調(diào)整好相關(guān)參數(shù)，比如將圖的尺寸縮小在4倍以?xún)?nèi)都可以。

②在VRay渲染器設(shè)置面板里，找到全局開(kāi)關(guān)，在全局開(kāi)關(guān)里，勾選“不渲染最終的圖像”（因?yàn)槲覀冎皇桥軅€(gè)光子圖，不用耽擱時(shí)間去渲染最終成像）。

③找到GI設(shè)置（間接照明），然后首次引擎選擇發(fā)光貼圖，二次引擎選擇燈光緩存。在在發(fā)光貼圖中，可以選擇設(shè)置發(fā)光圖預(yù)設(shè)為“低”。

④在光子圖里打開(kāi)高級(jí)或者專(zhuān)家模式，在保存位置設(shè)置不刪除和自動(dòng)保存，然后選擇保存的位置，并且命名。

⑤在燈光緩存的設(shè)置選項(xiàng)里設(shè)置保存的位置，找到自動(dòng)保存，設(shè)置方式和步驟4的一樣。

⑥設(shè)置好后，點(diǎn)擊渲染即可，在保存的位置會(huì)發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)文件，這個(gè)就是設(shè)置保存的光子圖。

渲染完成的光子圖如何調(diào)用？

分別在發(fā)光貼圖和燈光緩存下保存出的文件。建議在保存設(shè)置時(shí)，區(qū)分好發(fā)光圖和燈光緩存，并做好備注。

①選擇對(duì)應(yīng)文件：有了這兩個(gè)文件以后，我們就可以渲染大圖了。這里我們先要把參數(shù)調(diào)整回渲染大圖時(shí)的參數(shù)。我們?cè)俚紾I欄里找到發(fā)光貼圖，在模式里我們選擇從文件，點(diǎn)擊下面選擇發(fā)光文件，找到剛才我們保存發(fā)光圖的路徑，加載進(jìn)來(lái)。

②加載文件：在燈光緩存一欄中，在模式里也選擇從文件，然后選擇燈光緩存，找到我們剛才保存燈光緩存路徑，把燈光緩存加載進(jìn)去。

③最終渲染：把這些參數(shù)都調(diào)整完成后，我們就可以點(diǎn)擊渲圖，進(jìn)行最終的渲染。

關(guān)于效果圖渲染：

3Dmax的渲染主要是靠CPU進(jìn)行渲染工作，渲染時(shí)候CPU會(huì)全占滿(mǎn)100%，普通的電腦只有雙核四線(xiàn)程或者四核八線(xiàn)程，在渲染圖的時(shí)候只有4個(gè)或者8個(gè)格子，這樣的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了出圖的需求，所以設(shè)計(jì)師可通過(guò)扮家家云渲染的超級(jí)電腦進(jìn)行效果圖渲染，扮家家云渲染的超級(jí)電腦一組機(jī)器就有96個(gè)格子，是普通電腦線(xiàn)程數(shù)的24或者12倍，在渲染的時(shí)候杠杠的，渲染速度非常快，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一臺(tái)I7的電腦要用8小時(shí)渲染的效果圖，用云渲染96線(xiàn)程只要1小時(shí)就可以交貨，可想而知云渲染是為計(jì)算行業(yè)提供飛速的發(fā)展。在設(shè)計(jì)師急需渲染的時(shí)候，還可使用192線(xiàn)程渲染套餐，這套餐的格子滿(mǎn)滿(mǎn)的鋪滿(mǎn)了整張效果圖，更是令繪圖員興奮的一個(gè)套餐，出圖速度比96線(xiàn)程大大縮短一半。

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