真实渲染zsxr.doc

中央电视台录制二部连天红渲染是三维动画至关重要的一步,渲染的效果直接影响到成品的质量。精致的模型、流畅的动作、逼真的材质、自然的灯光,这一切都需要经过最后的渲染才能栩栩如生地呈现在观众面前。而拙劣的渲染会使之前的所有努力都付之东流。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)。图1-3分别表现了卡通、彩色铅笔画、水墨画的渲染效果。图1图2图3真实感渲染是目前大多数三维动画作品追求的效果,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。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。它可分为局部照明渲染和全局照明渲染。局部照明(Localillumination)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。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4所示。图4全局照明(Globalillumination)如果想得到真实的照片级图像效果就必须采用全局照明的方法。全局照明除了考虑上述因素外,还要考虑场景中光线与物体之间,物体与物体之间相互影响而引起的所有间接照明(IndirectIllumination)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(SubsurfaceLightScattering,光线穿过半透明物体表面进入眼中)、颜色渗透(Colorbleeding,带颜色的物体表面可以将颜色映到临近的物体表面)和焦散(Caustics,光线经镜面反射或折射到一个漫射面而引起的聚焦现象)等效果,还能够生成柔和的阴影。如图5所展示的是经过光线10次反弹后的全局照明效果,可以看到明显的颜色渗透现象(两个盒子各有一面被旁边的墙分别映上了红色和绿色)。图5光线跟踪(Raytracing)和光能辐射度(radiosity)算法是两种广为人知的实现全局照明的方法。这两种方法在执行过程中主要的区别是出发点不同:光线跟踪追随从观测者的视点出发返回到光源的光线,而光能辐射度则模拟从光源开始经过漫反射传播的光线效果。众所周知,在自然界中,我们能够看到各种物体是由于光线照射到物体上,有部分光线经过反射或折射进入到我们眼中。其传播过程是光源→物体(→物体…→物体)→人眼。假设光线都是从光源L出发,终止于眼睛E,而且只与两种物体表面发生相互作用:纯镜面用S表示,纯漫射面用D表示。则光线的传播路径可以用表达式L(D|S)*E来表示。*表示光线经一个或多个镜面/漫射面后进入眼睛。如图6-8所示,展现了光线的各种传播路径:图6图7图8光线追踪:光线在场景中物体之间的传播可以概括为四种方式:镜面→镜面;漫射面→镜面;漫射面→漫射面;镜面→漫射面。光线跟踪算法可以求解理想状况下镜面→镜面、漫射面→镜面的效果。这里所说的理想情况是指它假设光线是一根没有大小和长度的直线;镜面是完全光滑的,与物体相交的光线遵循镜面反射和规则透射规律。由于从光源发出的光线有无穷多条,而只有少数经由场景中物体表面之间的反射和透射后到达观察者的眼中,如果从光源开始跟踪,不仅做了很多无用功,而且计算量极其庞大。因此,标准光线跟踪算法采用逆向跟踪技术来完成整个绘制过程。如图9所示。图9其基本工作流程如下:从视点出发,通过图像平面上每一象素中心向场景发出一条光线。如图10所示:视点光线光线沿其规则透射方向继续跟踪光线沿其镜面反射方向继续跟踪场景超过跟踪层次是否超过设定的最大值未超过与物体是否有交有交离视点最近的相交物体表面为规则透射面离视点最近的相交物体表面为理想镜面离视点最近的相交物体表面为理想漫射面跟踪结束求解交点处光亮度图10交点处光亮度由三部分组成:(1)由光源直接照射而引起的光亮度;(2)来自环境中其它物体的入射光在表面产生的镜面反射光亮度;(3)来自环境中其它物体的入射光在表面产生的规则透射光亮度。对于阴影的计算,算法首先确定当前交点是否位于该光源的阴影区域内,即从当前交点向该光源投射一条阴影测试光线,若测试光线在到达光源之前与场景中的不透明物体有交,则说明当前交点位于该