Arnold(C4DToA)阿诺德渲染教程(121) 深入理解单向路径追踪之金属焦散、玻璃焦散、光学棱镜及实战

文章概述

本文旨在为具有基本计算机图形知识的用户，了解什么是 SideFx Houdini 和 Autodesk Arnold、基本的可视化知识、什么是 AOVs、层，场景，材质以及如何创建它们，在哪里可以找到它。Arnold Renderer 的基本知识请参阅Arnold 基础知识，这将帮助您更好地学习本文。以便理解我们在做什么，为什么要做，因为我们不会很多关于动作和参数的描述。

那么我们在这篇文章中讨论的是什么呢?

我们将试着浅显地温习，而不是深入数学和物理术语和公式，什么是焦散，什么是阿诺德渲染器焦散，什么是蒙特卡罗、路径跟踪。
我们将努力了解他们的优势和缺点。
我们将做一些研究，并得出结论，根据本文的测试，如何实际的在单向路径追踪中使用焦散。
在最后，我们将研究一个小的例子，在可视化玻璃中使用的焦散纹理贴图。

但使用可视化，特别是玻璃对象的可视化时，创建真实的渲染的一个重要的步骤是，模拟真实世界中光的反射和折射，以及表面的真实交互，简单的说也就是焦散。因此了解什么是焦散，它是如何形成的，以及如何创造它，是玻璃对象效果的重要因素。

首先我们来看看焦散是什么。

焦散是啥

这是一种物理想象，是由于明亮的光线和材质的反射特性而形成的，当一束光照射在物体表面上，它的一些光线被反射和折射，从而会改变方向和轨迹，落在相邻物体的表面上，形成一定的形状，在这些光线集中的地方，会形成较亮的光斑，当阳光照射在玻璃或液体材质上，比如一杯水，就会产生焦散，并根据折射光在阴影中形成明亮的区域。

在计算机图形学(CG)中，焦散模型是基于其物理性质的形成，除了一些细微差别，我们将在后面讨论。

几乎所有的渲染系统都支持焦散，有些甚至体积焦散。在这个例子中，我们将使用 Arnold 渲染器，并尝试了解这个渲染引擎是否支持焦散，为什么焦散那么难搞，以及代价是什么。

让我们试一试，从一部分到另一部分，依次理解。

Arnold 渲染器

Arnold 是一种无偏的、单向(uni-directional(向后 backwards))的 CPU/GPU 路径追踪渲染器，基于经典的蒙特卡罗射线追踪。

让我们更详细地看看这个定义，这是一种蒙特卡罗(MC)渲染方法，由 James Kajiya 在 1986 年提出，该方法试图最大限度地模仿全局光照和材质的正确动作，并且不存在任何系统误差。

如今，几乎所有的视觉化工具都支持无偏的，这种趋势化的渲染模型，不同于以往的有偏渲染算法，需要调整许多参数并使用造假来达到预期的效果，路径跟踪（PT）则更容易，也更方便用户。为了获得可接受的结果，您不需要再调整一大堆渲染工具设置、光源和着色器中的许多无法理解的参数。

在所有的 PT 方法中，单向（向后）方法被认为是迄今为止最真实、最精确的渲染方法，该方法获得的图像可以作为与其他方法比较的参考。这种方法的缺点是绘制时间长、图像噪点多。

反过来，单向（向后）意味着我们的跟踪路径是，从相机到光源发射出一束光线，击中表面后，在场景中以随机方向反射的光束，直到它击中光源，然后我们才能得到照明场景的结果。这种方法对于 CG 来说是最有效的，因为要跟踪从光源到摄像机的路径，我们需要从光源释放大量的光线，而且大多数光线根本不会射入摄像机，这将使场景中的光线计算错误成吨的增长。

在单向 PT 的缺点中，我们会注意到焦散问题。

单向 PT 跟踪到光源的直接路径，并且不考虑折射或反射光的照射，因此我们无法计算焦散形成的地方，来自哪些光线的照明，因此，像结果一样，我们得到强噪点或像萤火虫一样的鬼东西（图 5）。

为了解决这个问题，我们可以将间接漫反射采样增加到非常高的值。

同时不要忘记 Arnold 官方指出的限制，即：“面积为零的灯光，即点光源，阿诺德的 GI/反射/折射光线根本不可能击中灯光。因此，没有焦散”。

这意味着我们无法获得焦散，因为光源非常小，从相机发射的光线根本找不到焦散，因此我们也需要跟踪光源的路径。

Arnold 渲染器有一些优化参数，用于修复焦散和反射瑕疵（如萤火虫）中的问题：

-间接采样修剪(Indirect Sample Clamp)，此参数的较低值将修剪高强度像素，例如我们可以修复闪烁的萤火虫。

-间接镜面反射模糊(Indirect Specular Blur)，0 值在反射中提供最真实和准确的焦散，但结果噪点非常多。较高的值会产生焦散的模糊效果，但会从中修剪噪点。

我们将在下面的实践中考虑这些参数。

实际上有方法，可以达到目的，来获得更准确的焦散结果和渲染时间。

实施方法

2001 年 Henrik-Wann-Jensen 提出了光子映射 GI 方法。此方法是一个光源在表面上发射光线（光子）的过程，根据它们所击中的材质的特性，光子可以被折射、吸收或散射，在此之后，只有散射光子添加到列表中，并基于此列表形成光子贴图。

构建贴图后，光线从摄影机发射，而那些与表面上的光子相交的光线将会收集场景照明。这种方法是有偏的，说明得到的结果不是完全正确的，只会接近正确的结果，但是，增加光子数可以得到更精确、更真实的结果，但渲染时间更长。

基于 MC、Lafortune 和 Willems[1993]和 Veach 和 Guibas[1994]提出的双向路径跟踪（BPT）–PT 方法。他除了追踪摄像机的路径外，还追踪光源的路径，并在它们在表面相交后连接起来。BPT 在有许多间接光线（例如内部光线）的情况下非常有用。

BPT 在渲染焦散效果方面比单向 PT 更好更快，但也有一些问题，并且在许多反射光线和漫反射表面（镜面、漫反射、镜面反射）的场景中控制不好，例如，被玻璃封闭的对象、汽车或建筑物的内部，从而形成萤火虫(图 6)。

金属焦散

第一个例子，我们来研究金属物体的焦散反射，那么这有个指环。
首先，将模型加载到场景，并创建材质分配给它们，

背景材质参数为：
- Base 0.009
- Base Color 0.141 0.286 0.426
- Specular 0

置换金属材质设置参数为：
Base 1.0
- Base Color 0.5 0.35 0.13,
- Metalness 1,
- Specular Roughness 0.15.

Arnold 渲染设置：
- AA 采样为 16，其它设为 1.
- 漫射、镜面光线深度为 3.
- Bucket Size 24 渐进式渲染

摄像机参数：
- Translate -0.0914703 2.56 -1.89644
- Rotate -54.7786 -182.687 0.000320495
- Focal Length 60.

Disc 灯光参数：
- Translate -0.427792 3.10526 -2.8753
- Rotate -40.5046 196.958 -3.06731
- Exposure 10
- Spread 0.5.

得到第一次渲染效果如下：

下一步，让我们尝试在指环材质中启用焦散，然后再次按“渲染”按钮。