VRay物理相機基本原理詳解

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作者簡介：

喬豔良，火星id：喬豔良。2004年畢業後從事了兩年多的CG教學工作，2006年開始在設計公司做室內表現工作。現在有了自己的工作室。新書<<3ds Max/VRay商業大空間效果圖表現技法>>即將上市。

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1. 功能

VRayPhysicalCamera（VRay物理相機）可以模擬真實相機的結構原理，包括鏡頭、光圈、快門和景深等。因為相機的結構比較複雜，所以先要了解一下相機的基本原理，這樣學習VRay物理相機就輕鬆多了，如圖1所示。

 
 
1. 圖1

從圖1中可以看出相機的基本原理是很簡單的，就是在一個封閉的區域內有一個小孔，光線通過小孔照射到內部的感光材料（膠片）中就可以形成圖像，圖像的效果和孔（後麵所說的孔徑就指的這個孔）的大小與孔所通過的光的多少有關，孔越大光線就越多，在感光材料（膠片）上所得到的潛影也就越暗，最終形成的圖像就越亮。當然，圖像的亮度也與感光材料（膠片）接收光的時間長短有關，接收光線的時間越長，在感光材料（膠片）上所得到的潛影也就越暗，最終形成的圖像也越亮。

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要點提示：

需要注意的是，感光材料（膠片）不是最終的照片，它是照片的負片，如圖2所示，所以負片越亮的部分，最後洗出來的照片對應的部分就越暗，如圖3所示。

感光材料（膠片）的明暗與接受光的強弱成反比，也就是說感光材料（膠片）在光照強的地方所形成的影像就會越暗。這一點讓人很難理解，想知道原因就必須要了解感光材料（膠片）的受光原理。

膠片是由一個單層或多層的感光乳劑以及附著感光乳劑的一個透明基片組成。感光乳劑一般是由鹵化銀晶體組成，在基片上均勻分布，當有光照到鹵化銀晶體時，其結構就會發生化學變化，鹵化銀晶體會相互聚結起來，形成黑色金屬銀顆粒的聚結體，光量少的地方鹵化銀晶體會相互聚結也少，這樣就形成了影像（負像）。負像上黑暗（厚的）部分就是曝光較多部分；明亮（薄的）部分就是曝光較少的部分；全透明部分就是沒有受到光照射的部分。

上麵的理論有些複雜，其實這些理論的最終解釋就是相機上的孔徑大小以及光通過孔的時間與最後洗出來的照片的明暗區是成正比的。

 
2. 圖2

 
3. 圖3

真實相機的結構要比圖1中複雜，如圖4所示，最主要的就是增加了鏡頭、光圈、快門和焦距控製等裝置。

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4. 圖4

鏡頭就是接收光線的最前端部分，主要是由一片曲麵玻璃或塑料製成，以凸透鏡的原理聚焦形成清晰可辨的影像，而更複雜些的鏡頭是由稱作透鏡單元的兩片或更多光學玻璃組成，並將所有透鏡單元組裝在一起成為一個整體，它主要的功能就是聚焦光線。

光圈是控製光通過鏡頭的孔徑大小的裝置（參數），孔徑越大光線通過的光就越多，感光材料（膠片）所接收的光線也就越多，最後形成影像（最後渲染的效果圖）也就越亮。

快門是控製光通過鏡頭的時間長短的裝置，它的主要功能就是控製感光材料（膠片）接收光的時間。接收光線的時間越長感光材料（膠片）的感光就越多，最後形成影像（最後渲染的效果圖）也就越亮。

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焦距控製裝置是控製畫麵透視及焦長大小的，焦距分為廣角、標準和長焦（望遠），鏡頭除了可以改變畫麵的透視以外，還有一個主要的功能就是可以影響到感光材料（膠片）接收光的強度。廣角鏡頭最短，光從鏡頭到達感光材料（膠片）的時間也最短，這時感光材料（膠片）接收光也最強。反之，長焦鏡頭會使感光材料（膠片）所接收的光線減少。

不同的感光材料（膠片）也會影響到膠片的感光度（接收光的敏感度），一般分為快速膠片（接收光的敏感度高）、中速膠片和慢速膠片。快速膠片適合在亮度較低的場景中使用，慢速膠片適合在亮度較高的場景中使用。

除了鏡頭以外，其他4個相機的裝置都能影響感光材料（膠片）感光的多少，特別是焦距控製裝置對光的控製，所以新的相機就將焦距和光圈兩個功能用一個參數（f值體係（光圈））來控製，應用這一體係後，就可以使用一個數字來實現焦距和光圈多個參數才能得到的效果。在考慮曝光時，不必計算焦距和光圈（孔徑）的關係，f值已將這些變量結合為一個單一的數。例如f/8光圈就代表到達膠片的一個確定的光量，這一數字已經把鏡頭的焦距和光圈的大小兩項因素考慮在內了，任何兩隻將光圈設置為f/8的鏡頭，它們讓膠片所接納的光量都是完全相等的。

f/n光圈這個參數可以控製孔徑的大小，n值越小孔徑就越大（f為分子，n為分母，f為一個定數，分母n越小，最後的f/n就是越大，孔徑也會越大，所以最後我們發現，n值的大小與孔徑成反比，也可以說n值越小，最後所得到的圖像（渲染的圖像）就會越亮。

一般常用的光圈數值為f/1、f/1.4、f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16、f/22等。

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2 參數

　　物理相機的參數設置麵板如圖5所示。

5. 圖5

（1）Basic parameters（基本屬性）

type（類型）：Still camera（靜態相機）主要模擬常規的靜態畫麵的相機，也是在效果圖中所用的一種相機類型；Cinematic camera（電影相機）主要模擬電影相機效果；Video camera（視頻相機）主要模擬錄像機的鏡頭。

targeted（目標）：是否手動控製相機的目標點。

 film gate（mm）（膠片（mm））：是指感光材料的對角尺寸，35mm的膠片是最流行的膠片畫幅，也就是常說的照片底版（負片）大小，該數值越大畫幅也就會越大，透視越強，所看到的畫麵也越多。

focal length（mm）（焦長（mm））：控製相機的焦長，同時也會影響到畫麵的感光強度。較大的數值效果類似於長焦效果，且感光材料（膠片）就會越暗，特別是膠片邊緣的區域會更暗，較小數值的效果類似於廣角效果，透視感強，膠片就會越亮。

圖6是焦長為50時的效果（類似人眼所看到的效果），圖7是焦長為10時的效果（廣角效果）。

 
 
6. 圖6

 
7. 圖7

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zoom factor（視圖縮放）：控製相機的視角大小，與focal length（mm）（焦長（mm））功能相似，隻是該功能隻改變畫麵的透視效果，不會影響到畫麵的感光強度。

f-number（光圈數值）：光圈數值就是控製光通過鏡頭到達膠片所通過的孔的大小，數值越大膠片感光就越強，反之就越弱，圖8左是f-number為2時的效果，圖8右是f-number為4時的效果

要點提示：

f-number中的數值是指number中的數值，最後的光圈為f/number。

 
 
8. 圖8

distortion（扭曲）：扭曲效果是由下麵的distortion type（扭曲類型）來控製的。

vertical shift（垂直變形）：可以控製在垂直方向的透視效果，類似於Camera correction（相機修正）功能。

specify focus（指定焦點）：勾選該選項後，用戶可以用下麵的focus distance（焦點距離）選項來改變相機目標點到相機鏡頭的距離。

exposure（曝光）：勾選此參數後，改變場景亮度一些選項（f-number（光圈）、shutter speed（快門）、ISO（感光係數））才能起作用。

vignetting（虛光）：該功能可以模擬真實相機的虛光效果，也就是畫麵中心部分比邊緣部分的光線亮，圖9左是不勾選時的效果，圖9右是勾選後的效果。

 
 
9. 圖9

white balance（白平衡）：真實相機所拍攝的畫麵和肉眼所看到的會一有定差別，這主要是由於相機不會像大腦一樣智能處理色彩信息，白平衡就是針對不同色溫條件下，通過調整攝像機內部的色彩電路使拍攝出來的影像抵消偏色，更接近人眼的視覺習慣。白平衡可以簡單地理解為在任意色溫條件下，攝像機鏡頭所拍攝的標準白色經過電路的調整，且使之成像後仍然為白色，可以由右邊的預設選項來定義白平衡，也可以由下麵的custom balance（手動白平衡）選項來調節，白平衡調成  時的效果如圖10右所示。

 
 
10. 圖10

要點提示：

從圖10中可以看出白平衡的色彩映射到感光材料（負片）後，色彩會增加到負片上，負片是相片（渲染的效果圖）的反色，所以最後的圖就會與白平衡的色調相反。

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shutter speed（快門速度）（單位是秒）：這裏的快門速度中的數值是實際速度的倒數，也就是說如果將快門速度設為80，那麼最後的實際快門速度為1/80秒，它可以控製光通過鏡頭到達感光材料（膠片）的時間，其時間長短會影響到最後圖像（效果圖）的亮度，數值小（例如shutter speed（快門速度）為10，最後的實際速度為1/10秒）與數值大（例如shutter speed（快門速度）為200，最後的實際速度為1/200）相比，數值小的快門慢（快門打開的時間長，通過的光就會多，感光材料（膠片）所得到的光就會越多，最後的圖像（效果圖）就會越亮），數值大的快門快（所得到的圖像（效果圖）就會越暗）。這樣就得到一個結果，shutter speed（快門速度）數值越大圖像就會越暗，反之就會越亮。如圖11所示，右圖的shutter speed（快門速度）數值就比左圖的大。

  
 
11. 圖11

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shutter angel（快門的角度）：當開啟Cinematic camera（電影相機）選項時，快門角度也會影響最終渲染圖的亮度，但Cinematic camera（電影相機）與Still camera（靜態相機）中的shutter speed（快門速度）功能是相似的。

shutter offset（快門偏移）：當開啟Cinematic camera（電影相機）選項時，可以控製快門角度的偏移。

latency（反應時間）：當開啟Video camera（視頻相機）選項時，該功能與Still camera（靜態相機）中的shutter speed（快門速度）功能相似。

film speed（ISO）：（ISO膠片感光係數）：不同的膠片感光係數對光的敏感度是不一樣的，數值越高膠片感光度就越高，最後的圖像（效果圖）就會越亮，反之圖像就會越暗。一般在渲染白天效果時可以使用較小的數值，這樣就可以讓膠片對光的敏感度低一些，可以避免畫麵曝光過度；而晚上可以使用較高的數值，這樣可以避免曝光不足。如圖12所示，左邊的film speed（ISO）數值為600，右邊的film speed（ISO）數值為200。

 
12. 圖12

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（2）Sampling（采樣）

depth-of-field（景深）：控製是否開啟景深效果。當某一物體聚焦清晰時，從該物體前麵的某一段距離到其後麵的某一段距離內的所有景物也都是相當清晰的，焦點相當清晰的這段從前到後的距離就叫做景深，景深效果可以讓畫麵清晰的區域更引人注目，也可以凸顯視覺中心效果，如圖13所示，但是開啟景深功能後會大大增加渲染時間。

 
 
13. 圖13

要點提示：

有景深的圖像最清晰的區域為焦點的地方，也就是指VRay物理相機中的目標點。

景深大就說明在目標點到很遠的距離都相對清晰，景深小就說明隻有目標點周圍很小的區域是清晰的，其它區域是模糊的。

motion blur（運動模糊）：控製是否開啟運動模糊功能，它隻適用於有運動畫麵的物體，對靜態畫麵不起作用。

subdivs（細分）：對depth-of-field（景深）和Motion blur（運動模糊）功能的細分采樣，數值越高效果越好，但渲染時間就越長。

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（3）Bokeh effects（散景效果）

Bokeh effects（散景效果）可以實現鏡頭特殊的模糊效果，對於有景深效果的模糊的區域會產生鬆散的畫麵效果，也就是散景，如圖14所示

14. 圖14

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 blades（邊緣）：勾選該選項後可以改變散景後的形狀邊數數值，數值越大邊數就越多，也就越接近圓形。

 rotation（deg）（旋轉）：控製邊緣形狀的旋轉角度。

center bias（中心偏移）：控製邊緣形狀的偏移值。

anisotropy（各向異性）：控製邊緣形狀的變形強度，數值越大形狀就越長。

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（4）Miscellaneous（雜項）

horizon line（地平線）：是否顯示地平線標誌。

clipping（剪切）：開啟該選項後，下麵的near clipping range（近景剪切）和far clipping range（遠端剪切）選項才可用，該功能可以剪切數值以外的場景畫麵。

near env range（近景環境範圍）和far env range（遠端環境範圍）：與3ds Max中相機的Environment range（環境範圍）中的Near Clip（近景剪切）和Far Clip（遠端剪切）功能相同，主要是針對Environment（環境）麵版中的特效範圍。

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要點提示：

影響景深的3個因素是光圈（光圈f值越大，也就是說孔徑越小，所需的快門時間就會越長，這時的景深就會大，因為快門時間加長後，感光材料（膠片）所受光時間就會加長，整個畫麵就相對清晰；反之景深就會小）、被攝體到照相機的距離，以及鏡頭的焦距。焦距最短的鏡頭對準無限遠聚焦時，其最小的有效光圈能產生最大景深。也就是說光圈越大，焦距越長，被攝體距離越近，景深就越小。

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如圖15所示，VRay物理相機的目標點都是場景中的花，左邊的VRay物理相機的f-number（光圈數值）值為1.4，shutter speed（快門速度）為200，所渲染的景深較淺；右邊的VRay物理相機的f-number（光圈數值）值為4，shutter speed（快門速度）為30，所渲染景深較深。

 
 
15. 圖15

VRayPhysicalCamera（VRay物理相機）功能強大，參數也很龐雜，對於初學者來說有一定的難度，其實在效果圖中所用到的參數並不多，景深和散景特效一般情況下不會用到。Basic parameters（基本屬性）是學習的重點和難點，這裏麵主要有三大功能，一是控製畫麵透視效果的一些參數；二是控製畫麵亮度的一些參數，這幾個控製亮度的參數雖然在解釋上有所不同，但效果卻很相似，所以一般隻調整一兩個參數就可以達到調整多個參數的效果；最後一個就是白平衡，它的主要功能就是控製畫麵的偏色效果。

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