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深度訪談VRay創始人Vlado：渲染技術的發展與未來
發布時間：2018-11-17 19:57:24
Chaos Group的V-Ray是世界上最流行的渲染軟件。它最初從建築可視化而流行到現在發展成在製作視覺特效、汽車設計、以及日益發展的電影製作中廣泛使用的軟件。該產品致力於“製作最優質的渲染”。V-Ray，精準科學，一直力求提供實時的視覺效果，幫助項目完美成功。
V-Ray創始人Vladimir'Vlado'Koylazov接受深度訪談，討論相關技術以及在這個強大的產業主力背後值得思考的問題。Vlado非常了解全球各地的用戶，他考慮全麵、富有思想，也很關心廣大藝術家所麵臨的情形。
Vlado解釋道，V-Ray的目標是成為‘全球通用的渲染工具’，“你可以獲得用於渲染工作的所有實用工具”，他說：“我們並沒有選擇特定領域來發展專用的V-Ray軟件，而是讓它能在多個領域廣泛應用。我們希望把它盡可能做成一個普遍通用的軟件。你對於渲染工具的任何需求，V-Ray也許都能滿足。”
這個計劃很顯然削弱V-Ray的多樣性，不過隨著持續發展，V-Ray也變得越來越強大。目前已適用於蘋果的Mac OS X係統MODO3D軟件，這是即從V-Ray for Maya、V-Ray for Max到V-Ray for SketchUp、V-Ray for Blende等支持程序和操作係統的V-Ray係列的最新軟件。
《光環》，來自Blur Studio
V-Ray幾乎可以渲染任何場景，並已成立了一家中小型實體公司，“他們永遠不知道下一個項目是什麼”，Vlado如是說。“V-Ray能夠為大眾提供渲染軟件完成各項任務。”
成為多樣性產品需要麵對的一個很明顯的風險是，不容易在種種關注下脫穎而出。Vlado也承認該問題的存在，不過他認為，公司正在努力為產品配備一套完好的工作流程，然後在工作流程中，開發人員努力讓其更加流暢精簡。在第三個版本中，我們改變了用戶界麵，讓用戶設置起來更簡便，不過在瀏覽共同路徑時還是有些複雜，顯而易見的是，在新版本的菜單下，常用設置已經變的更簡便了。
《沉睡魔咒》來自數字領域（Digital Domain）
比如，VRay Volume Grid是一種特殊的體積插件效果，可與其他應用如OpenVDB (.vdb)、Field3D(.f3d)或PhoenixFD(.aur)的基於網格的緩存格式共同使用。Vlado補充說：“也有分別用於頭發渲染、皮膚渲染或其他渲染的材料，分為不同模塊，可供需求者使用，不過不是所有人都用得到。”
上方圖片是在V-Ray 3.05中，球形粒子在全局照明、運動模糊下的渲染效果。這個粒子是基於流體仿真在Phoenix FD中形成的，然後轉化為.vrmesh格式的文件。與網格類似，粒子被組織成三位像素，可以在渲染過程中根據要求用V-Ray加載。
上方為露西的模型，來自Stanford掃描圖庫。該模型包括兩千八百萬個獨立的三角形。這裏展示的是使用ply2vrmesh工具轉換為.vrmesh格式文件的最初的PLY文件，被分割成幾何圖形，再組成大約一萬個小三角。V-Ray可以在渲染中從三維像素中加載幾何圖形，與OpenEXR編輯紋理的方法相似。
埃裏克·維奇（Eric Veach）在2014年奧斯卡科學技術獎上
Vlado與許多其他渲染行業的領導人一樣，向埃裏克·維奇表示敬意，埃裏克·維奇憑借1997年發表的關於Monte Carlo路徑追蹤圖像合成的博士論文，榮獲去年的SciTech大獎，他說：“這篇論文句句高論，可能是在很長一段時間內印象最深刻的一篇文章，可以在很多地方運用，讓那些需要純計算的比如雙向路徑追蹤有可能不依靠計算就找到解決方案。事實上，他成功地給雙向路徑追蹤找到了一個可用的算法。”
Vlado還指出，即使是像VCM(Vertex Connection and Merging)這樣更新的論文和其他在上屆在加拿大的Siggraph會有發布的報告，他們都欠埃裏克·維奇一個人情。“我認為這是光線追蹤中的最重要的發現。我也很高興奧斯卡對他的認可，盡管都早已發表過。”
偏差有多大？
一台無偏差的渲染器意味著，隻要你渲染的時間足夠長，那麼你將得到圖片中的一切內容的渲染結果。這也意味著，你可以讓一台機器渲染一個圖像或者一百台機器渲染同樣的圖像，這兩種情況下，你都會得到同樣的結果。unbiased渲染是精準又理想的，但卻不一定是最快的製作路徑。
VCM是一種Monte Carlo渲染的雙路徑抽樣技術。VCM比普通的雙向路徑追蹤，specular-diffuse-specular效果的效率更高。給光子映射路徑框架帶來優勢，並且避免了密度估計。這使得過去人們認為完全不同的兩個渲染方法，首次有可能聯係在一起。實際結果是形成了一種聯合雙向的渲染，它可以有效地處理各種各樣的照明條件，從直接照明、diffuse inter-reflections到問題反映焦散。這個算法比進階電子貼圖能更好地聚集。（Iliyan Georgiev，2009）無偏差渲染與創造更真實的光影模型並肩前行，但兩者沒有真正連接起來，可以用一個合理的解決方案但可能不是一個無偏差渲染器。
目前趨勢是采用真實合理的光影，在複雜的射線追蹤中增加準確性，這來自於想用更有效的方式得到理想結果的現實情況。Vlado說道：“我考慮的是為什麼這花了這麼長的時間，原因顯而易見，不過我猜想這是洞察力的問題——或者可能是他們不了解自己想要什麼，不過我認為當今時代，基於物理渲染才是發展趨勢。”
V-Ray提供基於物理精準光影渲染已經有一段時間，不過幾年前，Vlado還想探討增加雙向路徑追蹤，因為它在某些情況下可提供更好的監控效果。傳統的V-Ray采用的是單向，他對這樣的對比很有興趣。公司實施了有效解決方案，不過還存在一些技術，如全局照明下的電子貼圖技術，還有一些創意創新，而不能簡單轉到一個新的方法。Vlado在思考有沒有一種可以把新舊聯係起來的方法，並把雙向路徑與電子貼圖合二為一。
Chaos和Iliyan Georgiev在V-Ray推行VCM。Iliyan Georgiev在Solid Angle工作時，2009年他在保加利亞的索非亞大學發表演講，最後結束時他和Chaos Group商討在我們如今使用的V-Ray渲染器中，實施最先進的光傳輸模擬算法（2013）。他還為維塔渲染流程的形成（2013）和之前較早的迪斯尼研究院做出了貢獻。這意味著，V-Ray同時支持傳統單一路徑追蹤和全新VCM算法。Vlado說明道：“不過與我們使用單一路徑追蹤相比，在VCM版本中要得到相同結果需要花費更長時間。”現實情況是，對於許多用戶對於許多鏡頭，提升畫質或快速完成渲染更好，因為一些場景的鏡頭不需要VCM做高質量渲染。
上方圖片展示的是在V-Ray中幾種算法的渲染出的著名的Cornell box。四幅圖片所用渲染時間大致相同。原場景被修改成包括一個能反射的盒子和一個玻璃球，可以創造出焦散效果。單一路徑追蹤的方法在場景中清除焦散燥點有問題。雙向路徑追蹤可以更好地處理慢射照明和可見焦散線，不過在清除光滑的反射麵上的焦散線上也有問題。VCM算法大大提到了間接看到的焦散線的效果，不過因為對同一個樣片處理起來需要更長時間，所以它的效率低一點但是效果更好。記住這些場景的結果，不同的算法的運行很大程度上依賴於不同的場景。路徑追蹤因為一些偏見而大大加速。Vlado說：“用VCM你可以得到更好的圖片，並沒有好太多，但有不一樣的光線效果。也許有一些焦散線，但是它看上去會更好點，但花費的時間會很長，而V-Ray的關鍵是這兩點都滿足，按主流要求就會很快，而要求精細也會慢一些。”
VCM怎樣在V-Ray中運行？
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這個視頻解釋了V-Ray如何使用多個渲染服務器機器實現分布式頂點連接合並。每個圖像通過時，渲染服務器發送會像素和光子撞擊，它們在主要機器上不斷積累。每一個新圖像通過之前，在渲染服務器上累積的光子貼圖被上傳到所有渲染器，以方便他們在計算像素時更新數據。
那可代替光線緩存如何在V-Ray中運行？
光線緩存是V-Ray中一個特殊功能，可以讓不同的光線有效相似值反射。這個功能在被間接光線照亮的室內空間中特別有用。光線緩存自身隻提供場景光線的近似值，但是可以與其他更精準的強力方法組合使用，來徹底減少間接照明多反射引起的燥點。
光線緩存也可以用於處理體積材料內部的近似多次散射效果。這尊佛像是一種次表麵散射材質，可以用各向異性相函數精準地產生多次光反射。
頭發
光線緩存不僅可以用於室內archviz風格的渲染，也在其他有多重光線反射的情況下適用。在上述情況下，光線緩存用來加速第二燈光反射的運算來呈現金發。然後，圖像被送達渲染器繼續渲染。
VRayFastSSS2材質在V-Ray RT GPU中的早期測試
皮膚
皮膚的渲染已經被廣泛運用，然而有一個基於物理的著色器的關鍵在於鏡頭中或編輯的3D皮膚與真人皮膚一致。V-Ray有一特別的皮膚著色器，可以接近真實的物體情況，藝術家可以更好的控製。Vlado解釋說：“這是根據物體來的，但是沒那麼完美的精確。它給了藝術家創造他們想要的效果的空間，似乎是很有效的。”
Vlado概括稱像皮膚這樣的體積材質比正常表明更難渲染。首先，他們與硬的表麵散射不同。皮膚是有兩個參數的體積材質，一個是散射係數，另一個是吸收係數。這兩個參數不像正常物理的顏色有一個具體的值。處理這些參數並不容易。比如，物體的大小影響它的外觀，一個薄的物體看上去與更厚一點的有所不同。
在V-Ray較早版本中，皮膚著色器對臉部的處理很好，但是用同樣參數時，耳朵卻變成綠色色調，“這顯然很不理想” Vlado說道。用sss算法就是這樣，但這是藝術家不想看到的。Chaos Group的解決方案是提供一個特殊補丁，讓臉部更容易得到合適效果。V-RaySSS可以“所見即所得”，盡管散射不是100%準確，但是效果非常逼真。在三個偶極層中，藝術家也能得到更理想的結果。有一個薄散射層、一個較深的散射層和最後的散射層。這種反射層的組合可以得到更精確的反射效果。
有趣的是，一些新渲染器采用了高光渲染的方法，是一種根據鑽石折射的分散擴散的方法，不過 參觀過USC 、ICT 後，Vlado看到人類皮膚與在日常光相似的白光照射下不同，“事實是，皮膚看上去非常不同” 他說，“在有的案例中皮膚看起來很自然，有的卻很假，我意識到解決皮膚渲染的問題可能需要更多的考慮高光。”V-Ray研究出了一些頻譜代碼，可用於把白光折射成彩虹效果，但是Vlado也指出：“我意識到還得處理皮膚本身，也有問題，特別是用RGB紋理設備處理皮膚紋理，我也不確定會最終如何解決。”
為細節逼真的臉做高光是一個複雜問題。我們知道，皮膚上的毛孔會破壞高光，所以許多藝術家用比渲染分辨率更高的分辨率描寫毛孔細節，目的使鏡麵高光渲染的更加真實。簡而言之，我們看不到毛孔，但是臉部卻更加真實。然而，近年對臉部的特寫越來越近，用老辦法打光、處理紋理和建模在特寫鏡頭中不再真實，這不是人們想要的。事實是在樣本和MIP貼圖把簡單的紋理變模糊的問題。這個問題要在未來很長一段時間內才能解決。雖然在與LEAN貼圖競爭中處於優勢，但是徹底解決這個問題還有很長一段路要走。
這不僅僅是皮膚特效會遇到的問題，也是汽車噴漆特效需要思考的難題。汽車有金屬片的汽車噴漆被設計成產生一種不同的高光，與皮膚高光不同，汽車噴漆渲染的特效不像攝像機拍攝的那麼真實。
為了解決這個問題，V-Ray提供一種特殊的汽車噴漆著色器，渲染結果非常棒，還能減少紋理避免不真實的高光感。汽車噴漆著色器利用MIP貼圖分辨率水平渲染。Vlado解釋道：“這些材料在特寫鏡頭與遠鏡頭看上去不同。因為MIP貼圖處理傾向於平均水平貼圖，當物理在遠處時也看上去比較順暢平滑。它和特寫鏡頭渲染不同。我們在V-Ray軟件中用一種不同方式解決，特別是汽車噴漆，但是它占用36倍的內存。”
所以說，這個解決方法不是普遍適用的，現在沒有皮膚渲染的強力補丁。這個方法適用於正常地圖直接濾出，其中濾除取決於你的方向。然而這一點並不適用於皮膚渲染，Vlado也還沒找到其中的原因。
大型模型
大型模型也存在問題，最近時期也形成一種趨勢。V-Ray 必須在一段時間內處理大量模型，可追回到使用32位尋址的程序。 VR-Proxy已開發出幾何圖形來分解大型模型。“這可以讓我們渲染來自3D掃描器和其他設備的特別大的模型。”Vlado說道。
如今V-Ray是一個高產的工具，許多小工作室都在使用。但是渲染問題不是由工程規模決定。LIDAR和3D掃描的發展意味著掌握大數據不僅僅複雜的模型是任何渲染器的關鍵。
攝影機
V-Ray支持攝影機相當複雜。想到之前建築的客戶，團隊需要支持鏡頭移動和傾斜，這為需要進行3D渲染效果的顧客服務。在3D Max和Maya中有一種V-RAY物理攝影機，可以另外控製失真、偏移和傾斜。“這個功能實際用的不多，我們有許多顧客他們想匹配渲染器和實際材料特別匹配，所以特別重要。”Vlado又說：“我也知道虛擬材料也出現了，人們想要渲染球形圖像，來支持立體觀察，這正是我們研究的事。”
這帶來了VR更廣泛的問題，Chaos Group最近投資了200萬美元作為種子資金用作VR的開始資金：Nurulize with Scott Metzger。Vlado說：“我們發現了很有趣的事，我們一直在觀測 The Matrix，考慮處於一個移動的環境中，當這個機會出現時，我們覺得真的很棒，另外我們想讓V-Ray更適用於這類設備。”
為了創造虛擬現實，不僅需要和不同類型攝影機配合，而且很明顯是一個實時世界，也有許多新方法——事實上，光線追蹤也不可行。Vlado想要確保公司能明確目標，積極進取，關注個人的努力。
GPU在VR中發揮巨大作用，除了VR、Chaos使用GPU代碼一段時間，已經取得顯著進展。然而，在V-Ray之後，GPU作為一個選項是可行的。
Chaos Group最近也發展了Chaos Labs包括他們的Render Lab，可以說是測試新產品諸如GPU的試驗場。也是與Motion Builder合作渲染的試驗場。目前，這還是處於試驗階段的項目，不過項目仍在繼續。這還是團隊測試3ds Max的交互式雲渲染的地方。
對於這個團隊來說，未來是光明的，當然，在不確定的時期，公司仍在不斷發展壯大，繼續研究在GPUs上研究GI。“現在研究的課題都沒有不足呢！”Vlado開玩笑的說道。
來自V-Ray用戶數字領域（Digital Domaina）《安德的遊戲》
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