真實光分析與Mental Ray應用(一)

        【火星數字教程10年精華】



　　教程思路
　　1.前言
　　2.光源五要素
        3.光源係統
        4.自然光源分析
        5.人工光源分析
        6.混合光源分析
        7.結語
        
　　一.前言
　　隨著時代的進步，各式3D軟硬件的漸趨成熟，一般使用者都可以用軟件輕易地模擬出一個虛擬的環境來。但也因為這樣，人們對真實的需求也愈來愈高，簡單的空間光影表現已經不能滿足大家的需求。做出幾可亂真的照片級作品往往是各位3D User的追求課題，但由“模擬”到“擬真”再到“幾可亂真”，一階一階的門坎往往讓很多使用者望之卻步。
　　而追求真實中非常重要的一步就是“光影”表現，如果能夠成功地使用軟件模擬出真實世界的光影，將可以為作品帶來極度的真實感。然而，不管使用的是哪種3D軟件，想要做出真實的光影效果，對軟件的熟悉程度隻能算是基本配備，真正重要的是，如何充實自己的美學感知與了解我們的真實世界。
　　本文開頭先向各位介紹“光”的性質知識，我從光源五要素來分析光的特性，再將真實世界的光源按“自然光照”和“人工光照”兩種分類，分別給各位讀者進行介紹。而每個真實光照的解析後麵都會再使用3ds Max的Mental Ray渲染器進行模擬，讓讀者在了解真實光照原理後，也可以學會模擬的技巧。

 
圖：真實世界的光影表現 

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　　二.光源五要素
 　　光源具有兩個重要的任務，分別是照亮場景對象和決定場景氣氛。通常大部分的學習者都隻注意到照亮場景對象，而忽略了燈光另一個非常重要的任務，光源將會決定場景氣氛。
　　要控製好場景氣氛，就要了解光源五要素，分別是位置、強弱、顏色、衰減、陰影。這五元素的排列順序也正好是學習困難度的排列順序，位置學習起來最為簡單，但也是最重要的部分。燈光位置如果不正確，照不到所需要的對象，那一切都不用談了。而陰影才是真正最困難且最精髓的部分，陰影如果漂亮，那麼整體畫麵的構圖、色調、表現力等都會趨近完美。下麵將分別詳細介紹光源五元素。
　　1.位置
　　光源位置除了光源的所在位置外，也代表著光源的投射角度。光源的照射位置與角度不同，帶給人的感覺就不同，所以光源位置是第一個要決定的要素。

圖：光源位置的不同，所表現出來的光影感覺就不同

　　而光源位置可以大致分為頂光、正麵光、前側麵光、後側麵光、逆光五類，下麵分別介紹。
　　<1>頂光
　　光源照亮主體的頂部，適合俯視與大範圍的取景，這樣的光照可以將大量的取景主體細節層次表現出來，如果用在單一主體的話，可能會有缺乏立體感或空間感的情形發生。

圖：頂光會照亮主體的頂部，如果使用再單一主體的話，會有缺乏空間的情形

　　2.正麵光
　　光源照亮主體的正麵，適合表現主體正麵的特征。但由於是正麵的光照，所以主體正麵會平均受光，容易有光線平淡、缺乏立體感的情形發生。

圖：正麵光會照亮主體的正麵，主體平均受光，但可能會缺乏立體感

　　<3>前側麵光
　　光源照亮主體的前側麵，大約成45度左右的角度。不僅可以很好地表現主體的表麵特征，同時也能充分地表現出主體的立體感，是經常使用的一種照明方式。

圖：前側麵光照亮主體的前側麵，光影效果層次豐富，是經常使用的一種表現方式 

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　　<4>後側麵光
　　光源照亮主體的後側麵，使主體色調偏暗，但是在適當安排下，畫麵可以有與眾不同的表現，也可以強調局部細節。

 
圖：後側麵光照亮主體的後側麵，主體顏色偏暗，但可以強調細節 

　　<5>逆光
　　光源照亮主體的後麵，雖然無法表現出主體的細節，但卻有利於表現主體優美的輪廓線，還可以搭配適合的背景，給作品帶來色彩絢麗的光影效果。

圖：逆光照亮主體正後方，主體幾乎是全黑的，但可以用於表現主體輪廓 

　　2.強度
　    決定好位置後，接下來要決定光源的強弱值。光源強度過強會造成局部曝光過度、明暗對比強烈；光源強度不夠會造成圖麵亮度不足、顏色沒有深淺層次。一般常見的光源強度有三種，分別是lm（流明）、cd （坎迪拉）、lx (lux) （勒克斯）。
    lm（流明）：測量整個燈光（光通量）的輸出功率。（100 瓦的通用燈炮約有 1750 lm 的光通量）
    cd （坎迪拉）：測量燈光的最大發光強度，通常是沿著目標方向進行測量。（100 瓦的通用燈泡約有 139 cd 的光通量）
    lx (lux)（勒克斯）：測量由燈光引起的照度，該燈光以一定距離照射在曲麵上，並麵向光源的方向。（勒克斯是國際場景單位，等於1 流明/平方米）

圖：光源強度過強會造成局部曝光過度、明暗對比強烈；光源強度不夠會造成圖麵亮度不足、顏色沒有深淺層次

        3. 顏色
　　要決定場景氣氛，燈光的顏色是很重要的一部分。通常帶點橘紅色的暖色係，會讓人有溫暖、溫馨的感覺，帶點藍綠色的冷色係，讓人有嚴肅、陰森的感覺。
　　一般會用色溫來表示光的顏色。色溫是顏色溫度的簡稱，指的是光波在不同的能量下，人類眼睛所感受的顏色變化。根據物理學的說法，將一塊純黑的物質加熱，隨著熱力的增加，物質會開始有顏色出現，最初是紅色，繼而是黃，到最熱時變成藍色。
　　因此可以知道顏色與溫度是有關係的，一般人眼可見的顏色大約就是光譜中的顏色，光譜是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色所組成，習慣上光譜紅的一端光色稱作暖色或低色溫，光譜藍的一端稱作冷色或高色溫。下麵附上常見的光源色溫表。

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圖：光源顏色會帶給觀察者不同的感受，藍綠色的光源較嚴肅，紅黃色的光源較溫暖

　　4.衰減
　　真實世界的光線有隨著距離的增加而衰減的特性，離燈光愈遠受到的光照度就會愈弱。刻意安排適當的照明衰減，可以讓圖麵有特別的明暗層次。

圖：刻意安排適當的照明衰減，可以讓圖麵有特別的明暗層次

　　5. 陰影
　　陰影是整張圖麵中最畫龍點睛的部分，適當而優美的陰影，往往可以讓圖麵具有美感而且更具構圖張力。然而“光與影是成雙成對的，影不對就是光不對”，要有漂亮的陰影，就要有適合的照明係統。
　　一般我們可以將陰影簡易的分類為硬陰影、軟陰影和無陰影三類。這些不同類型陰影其實就是靠著不同的照明類型器具而產生的，下麵分別詳細介紹。
　　<1> 硬陰影
　　如果照明的發光體型態近似於單一個點的發光，如燈泡、強烈聚光燈等的照明器具，那麼所產生的陰影就會比較實、比較硬，也就是俗稱的硬陰影。對於視覺效果部分，可以帶來強烈的對比，給觀察者比較有個性及針對性的感覺。

 
圖：照明的發光體型態近似於單一個點的發光，會產生比較實、比較硬的陰影型態

 　　<2>軟陰影
　　如果照明的發光體型態近似於一個體積物件的發光，如台燈、立燈、窗外天空光等的照明，那麼所產生的陰影就會比較虛、比較軟，也就是俗稱的軟陰影。然而真實世界的燈罩或是燈箱對象是不會發光的，但因為裏麵有日光燈或燈泡照明，所以對於外界的陰影效果而言，很像是整個燈罩或是燈箱在發光並照亮場景，而陰影型態也因此不再堅硬。就視覺效果部分，可以帶來比較柔和、比較舒適的感覺。

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圖：照明的發光體型態近似於一個體積物件的發光，會產生比較虛、比較軟的陰影型態

   　<3>無陰影
　　如果沒有明顯的照明發光體對象，整個環境或空間充滿著漫射的光線，那麼就表示沒有固定方向的照明，自然就不會有明顯的陰影，頂多會在對象的底部有點不明顯且非常柔弱的陰影而已。就視覺效果而言，這種幾乎看不見的柔弱陰影，會帶來比較虛無和無空間感的感覺。

圖：如果沒有明顯的照明發光體對象，整個環境或空間充滿著漫射的光線，那就幾乎不會產生陰影

　　 三.光源係統
　　人的眼睛之所以能夠看見對象，就是因為有發光的對象發射出光照亮度，照射到對象並且反彈回來。如果反彈回來的光顏色是紅色的，人們就認為該對象是紅色的對象，如果反彈回來的光顏色是藍色的，人們就認為該對象是藍色的。
　　了解光源係統的種類與分類，將有助於我們靈活地運用光源，借此創造出所需要的畫麵效果。下麵便是主要的光源係統分類圖，在後麵的小節中將會分別進行介紹。

          [未完待續]