三维动画中灯光与渲染的探索与实现毕业论文(编辑修改稿)

三维动画中灯光与渲染的探索与实现毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的渲染开启全局照明所完成的时间是。 开启全局光照明如图 22 所示。 图 22 全局光渲染示意图 未开启全局光如图 23 所示。 图 23 没开启全局光示意图 本科生毕业设计 (论文 ) 6 所以为了加快渲染 速度又能满足渲染要求，可以 一次反弹和二次反 弹的全局照明渲染引擎的参数值来减少渲染时间，例如采用发光贴图。 当渲染场景中有大量的反射和折射材质时，可以先关闭渲染面 板中的全局开关中的材质栏中的反射和折射选项，来提升渲染的速 度，当最终渲染输出成品图时再增加相关参数值。 模型与灯光对渲染速率的研究 一般在布光时采用加法原则来添加灯光，即先增加一盏灯，如环境需要的话再适当增加灯的数量，尽量做到不布多余灯光，因为在渲染输出时，灯光对于渲染速度的影响是巨大的，因此在渲染时，应该尽量减少灯光的数量。 当出现可有可无 的灯光时，一定要将其删除。 场景中模型的数量以及复杂度也会影响渲染的速度。 因此精简模型，对摄像机照不到的场景可以适当的删去模型从而加快渲染速度。 根据这样的想法，在后期渲染中若进行分层渲染，最基本的即角色，场景，阴影分开渲染，最后可以在后期合成中在进 行合并，这么不仅会加快渲染的速度，同时也使得灯光布置更简单方便 [7]。 网络渲染的设计对渲染速率的提高 网络渲染，这是 3dmax 软件自带的一种渲染方式，只是它适合多帧图像的渲染，把 多帧图像分配到不同的网络计算机进行渲染，最后所有渲染完成的图片会直接保存 到主计算机上，完成多帧图片。 具体操作就是将多台计算机连接成为一个小型局域网络，设置一台机子作为主计算机，它主要负责监控其他机器的渲染进程。 主计算机需要设置固定的 IP地址， 使得其他计算机可以查询并映射主计算机。 把所需要渲染的文件以及材质全部放入主计算机中，开启主计算机的管理器和监视器，提交所需渲染的文件。 其他机器开启服务器连接主计算机进行调用文件进行渲染，这样的情况下可以再同一时间多台机器共同渲染一个分镜。 这样的渲染速度可以提高数倍。 在主计算机的监视器中，可以对所需文件的渲染优先级进行更改 [8]。 监视器优先级 的体现如图 24 所示。 图 24 监视器示意图 三维动画中灯光与渲染的探究与实现 7 监视器中默认的优先级均是 50，这样渲染的顺序是按照提交的顺序进行的。 假若需要提供某一文件的优先级可以再监视器中直接修改优先级参数例如修改到 49 就可以排在队列的前面，优先级 48 的就排在了 49 的前面。 分层渲染 分层渲染不仅仅可以提高渲染速度最重要的是便于后期合成渲染对镜头的特效等的调节。 这是三维动画渲染中必不可少的一步。 分层的方式基本上有两种，一种是根据物体的类别进行粗略分层。 比如一个镜头中有人物，有道具，有背景、那么根据镜头内容可以分为人物层、道 具层、背景层等等。 另一种是按物体的颜色、阴影等层次进行的精细分层。 比如可以把物体按其显现的物理视觉属性分为基本色层、高光层、阴影层、投影层、反射层、折射层、发光层等。 在毕业设计的作品中我们是采用第一种分层方式进行渲染的 [9]。 本科生毕业设计 (论文 ) 8 第 3章 三维动画灯光与渲染的 技术 表现 三维动画灯光场景与角色灯光的表现 灯光的配置是三维动画场景中一个重要的组成部分了，不仅仅是照亮了整个场景，产生一定的反射效果，阴影等使得画面更加具有了真实性，同时奠定了画面的整体气氛。 灯光在场景中的布局主要遵循基本布光原则，灯光不要太 混乱。 一般存在一个主光源，和若干个辅助光源，主灯光的亮度是所有存在的灯光中最强的，奠定了主要的场景气氛，例如夜晚的天空主光源以聚光灯为例，此聚光灯的亮度系数为。 但是当时晴朗的白天时，同样的聚光灯，亮度系数需要调节到 ，但其余辅助光源在 [10]。 其实在三维动画中，角色灯光的布局比场景灯光简单易行些。 它主要是运用三点照明的基本理论。 即在对人物进行灯光布局时，依然是运用主光灯 辅助光。 首先要单独孤立出人物来进行灯光的设置，保证物体周围没有其他的光 源。 然后加入主体光，就是照明角色用的主灯 .用来表现最明显最主要的光影明暗效果。 从顶视图来看 ,灯的角度与摄像机的朝向在 15到 45度之间 ,一定不要超过 45度。 整好位置角度后 ,在侧视图里把主体光的高度稍微抬高 ,使得在侧视图里与摄像机的朝向成 15到 45度角。 主体光一定要是场景里该角色面前最亮的一盏灯 , 因为它的主要作用是制造阴影 ,表现出最暗的部分。 接下来可以给物体加上一盏或多盏辅助光，这是为了体现 间 接照射产生的光源例如墙壁反射等 [11]。 总而言之，一般对于角色甚至一些场景里的道具在灯光的布局时最为广泛和简便的方法 就是三点照明理论。 掌握调整三盏灯的位置关系和强度的技巧切记在调整三盏灯的位置，角度的时候以摄像机为参照物，同时辅助光 的数量 无论 是 一盏还是多盏 都 不能超出主灯光的强度。 三维动画渲染手法的表现 VRay 对场景表现 首先， VRay渲染器作为 3dmax软件的一个插件，已完全融人 3dmax软件系统中， VRay渲染器拥有自己的材质库，设置起来非常简单，很多参数和 3dmax的材质参数设置方法一样，所以操作起来轻松。 同时他还有自带的灯光，例如在 VRay中自带的天光就可以 在场景渲染中首先开启天光， 天光的色彩可以调节。 就可以达到用众多基本灯光才能得出的效果。 一般在晴朗的上午 基调下，对室内为 调节 可以再屋外添加天光，并且设置天光的颜色来进行风格的定夺。 而 RGB（ 181,223,225）是天光为淡蓝色 就比较符合需要的环境。 同时三维动画中灯光与渲染的探究与实现 9 也可以通过颜色的对比对模型材质等的色彩进行比较 [12]。 VRay 渲染最初天光的开启的示意图如图 32所示。 图 31 VRay天光开启示意图 其次， 添加辅助光源，并 在渲染出图的设置中，它是通过全局照明来实现渲染的。 在场景中渲染时，在 VRay环境栏中，勾选“全局光环境 (天 光 )覆盖”及“反射，折射环境覆盖”选框组中的“开”复选框 ,适当调节强度与色温，在间接照明 栏中的复选框选择“开”，计算场景中的间接光照明，将全局光引擎调整为发光贴图模式，由于一般采用 引入发光贴图的方式来加快渲染速度。 在预览效果时可以将间接照明 栏中把当前预置设置为“低”或“非常低”。 VRay渲染器辅助光源完成后的示意图如图 32所示。 图 32 VRay渲染场景渲染示意图 总而言之， VRay 渲染器有着优秀的全局光照系统，在灯光传递表现方面有着无与伦比的强大优势。 就制作出的效果而言，毋庸质疑，它的效 果可以和任何一款渲染器相媲美只有掌握了 VRay 渲染器的特点和用途，并具备娴熟的操作技能与技巧．才可能渲染出优秀的作品来 [13]。 本科生毕业设计 (论文 ) 10 后期场景渲染的表现 所谓后期的渲染就是在前期通过 VRay 等渲染软件对镜头逐帧渲染完成后，放入后期视频编辑软件，进行镜头图像的调节按照规格渲染出连续播放的视频，在单帧图片 放入后期软件中，需要根据分层渲染出的图片进行图片的叠加，并根据剧本的风格进行图片亮度的调节， 然后根据前期渲染出的图片大小格式进行渲染输出。 例如前期单帧图片渲染出来的图片大小为 720 576 ， 帧率 为 像素比为 那么，在后期的渲染输出的属性设置中也要与之对应。 在后期渲染输出视频的格式上存在许多视频格式，例如AVI,RMVB MPG, MP4 等，不同的视频格式在清晰度以及文件大小压缩上也存在差异。 为展现高清的视频效果可以选择无压缩渲染，但与此同时文件大小也随之增大。 有些几分钟的短片若用到 AVI 格式的无压缩渲染就是几 G 的大小了 [14]。 三维动画 灯光与 渲染在表现手法上的优劣势 三维动画的制作软件对计算机配置的要求很高，尤其是关系到渲染速度的时候。 再好的的技术若没有好的硬件支 持也形同虚构。 同时对风格统一的要求也是所有动画制作过程最为严格的要求。 但是三维软件的制作过程尤其是在灯光设置上面，毕竟是对软件的设置。 经常容易出现场景过分鲜艳，前后画面风格出现反差。 但是，我们不能够否认，三维动画对真实渲染的高技术表现力以及对制作速度的提高是之前所有二维动画无法超越的鸿沟。 三维动画中灯光与渲染的探究与实现 11 第 4章 作品中灯光与渲染的体现 作品制作流程 中灯光与渲染的应用 作品《交流》的制作过程分为三大块，前期，中期和后期。 前期进行剧本的编排 ，剧本风格的设定 以及分镜稿的绘制过程并进行模型的创建，中期包括 根据作品的风格 模型材质的制作， 根据分镜稿进行 角色动作与镜头的设计，灯光的布局以及前期角色与场景的渲染，后期包括了 单帧图片的合成， 音乐的配置， 视频渲染的输出以及剪辑。 最终完成了作品。 在这次工作中灯光与渲染的技术主要体现在作品的中 期角色和场景灯光的设定以及渲染逐帧图片，渲染速率的提高和后期合成中为渲染出高质量短片进行的参数设定以及后期光照的修改工作等。 作品中灯光与渲染面临的问题 在 这部短片 ， 主要 采用了 VRay渲染器， 使用到外景以及室内的场景，在灯光布局上面需要考虑室内灯光和场景灯光 所用的差别。 于此同时由于存在大 量移动的场景 并且为了达到更自然的光与影的结合场景渲染均采用了全局光渲染 ， 所以 需要考虑灯光设计尽量减少数量保证渲染时间的合理性。 同时，在场景中大量存在木板和夹子在大范围移动如何，保证所投射灯光的平均性，防止出现忽明忽暗的效果需要找出合理的解决方法。 在渲染时由于时间有限为加快渲染速度，如何设置局域网进行网络渲染，分层渲染 技术的涉及以及后期 视频 渲染的实现。 所以，这些灯光和渲染的问题是不可避免的产生了。 作品中灯光布局的实现 作品中角色机器人 ，模型简单 线条流畅 但 是 由于头部较大，在灯光的使用时只要注意防止头部下方不要出现过黑的阴影，防止曝光就好。 这是最初对角色灯光设计时直接考虑到的两点。 所以在 人物的灯光 的实现上是 用到两盏 3dmax自带的两盏目标聚光灯以及由VRay渲染器 所 带的环境光，遵循三点布局法。 一盏聚光灯光照强度较大，一盏作为 补助光源。 其余一盏等作为环境辅助光。 在作品男主人公的灯光上面，作为主光灯的聚光灯亮度调节到了 ，灯光方向并与摄像机方向一致，这样可以 大限度的照明。 辅助灯光的聚光灯与主光构成约 45度角辅助光的亮度大约在。 并且他们的目标点相融合 ，一般情况下 是 位于角色的头顶上方。 环境光， 采用 VRay的环境光强度。 在经过理论研本科生毕业设计 (论文 ) 12 究后，以为万无一失的布光放过产生了 最初摄像机 的 角色灯光示意图如 41所示。 图 41 初始 角色灯光 示意图 但是在进行灯光的设计时，将主光灯与摄像机完全平行，造成角色身子光照不均匀，出现了块状亮斑在角色身上显得十分突兀。 角色几乎处于黑暗之中了。 平行摄像机。