Arnold(C4DToA)阿诺德渲染教程(50) – 了解 Arnold 中基于物理的渲染 – 官方文档

Arnold(C4DtoA) Mr.R 9个月前 (11-10) 950次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

Arnold 教程已经出了第 50 期了,相信大家通过不断的学习,应该了解了阿诺德渲染器的基本用法,

当然为了让我们更好的了解和学习阿诺德渲染技术,基础、原理性的知识储备也必不可少,

今天就来看看官方文档中是怎么介绍 arnold 的渲染原理的。

 

2017/11/14 更新

根据物理定律设计材质可大大简化着色和照明,即使在没必要追求真实感或物理准确性时也是如此。

通过了解和应用一些法则,我们可以让图像更真实可信,并创建可在不同照明设置下轻松预见其表现的材质。

在现代渲染器中,基于物理的渲染通常是指能量守恒、物理上合理的散射以及材质和线性颜色空间的分层之类的概念。

Arnold 是基于物理的渲染器,但是如果需要,它也允许打破规则,创建出不符合物理定律的材质和灯光。

在本文档中,我们将介绍基础理论,以及如何设置着色器来遵循这些法则。

 

 

Photons and Scattering(光子和散射)

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在渲染中,我们会模拟光子从光源发出,经过空气传播,在表面上和体积中反弹,最终落在摄影机的传感器上。

数以百万计的光子在摄影机传感器上组合在一起,就形成了渲染的图像。

这意味着,从物理角度来说,曲面着色器描述了曲面如何与光子相互作用。

击中物体的光子可能会被吸收、在曲面发生反射、透过曲面发生折射,或者在物体内部四处散射。

这些组件组合在一起,就产生了种类众多的材质。

 

Energy Conservation(能量守恒)

 

这玩意从物理学角度来解释呢,就是说能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,

只能从一个物体传递给另一个物体,而且能量的形式也可以互相转换。

这就是人们对能量的总结,称为能量守恒定律。

 

简而言之:“能量既不能创造也不能毁灭,而是从一种形式转变为另一种形式。”又称之为物质不灭。

 

在佛教中也有这种说法,称之为涅槃,意译为诸法自然,不减不增,不生不灭等。

说到这里又让我想起了一首小诗:
你见,或者不见我,我就在那里,不悲不喜;
你念,或者不念我,情就在那里,不来不去;……

扯的有点远了哈…言归正传…

 

除非物体是发射光子的光源,否则它无法返回比入射光所贡献的更多的能量。

材质要做到能量守恒,离开表面的光子数量应小于或等于入射光子的数量。

如果材质不是能量守恒,看起来会过于明亮,渲染时噪波也会增多,特别是在使用全局照明时。

要使材质保持能量守恒,材质组件的权重和颜色绝不能超过 1。

另外,必须注意确保所有组件合在一起是能量守恒的,这一点我们稍后会详细介绍。

 

Materials(材质)

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从微观层面看,物体表面的细节是错综复杂的。

在渲染时,我们不使用几何体来表现所有这些细节,而是使用统计模型,这类模型具有易于理解的参数。

Arnold 的标准曲面着色器在为物体建模时会建立一个或两个镜面反射层,以及一个漫反射或透明内部。

 

这种模型可以表示众多材质。下面我们来看一下各个组件。

 

Diffuse and Subsurface Scattering(漫反射和次表面散射)

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首先来看漫反射内部。入射的光子将进入物体,在内部四处散射,然后被吸收或在另一位置离开物体。

如果光子散射很多次,我们会得到一个漫反射外观,这是因为光子从很多不同位置沿不同方向离开曲面。

对于像皮肤这样的材质,光子可以在曲面之下散射得相对较远,因此呈现出非常柔和的外观,这种效果使用次表面散射来渲染。

对于未打磨的木头这样的材质,光子不会散射得很远,因此呈现出更坚硬的外观,这种效果以漫反射形式进行渲染。

对于叶子这样的较薄物体,光子可以一直散射到物体的另一面,这种效果以漫反射 SSS(启用 thin_wall)形式进行渲染。

请注意,尽管我们在着色器中为所有这些类型的材质提供了单独的控制选项,但是从根本上讲,它们背后的物理机制是相同的。

漫反射内部对材质整体颜色的影响通常也是最大的。

每个光子都有一个关联的波长,而根据材质的特性,某些波长的某些光子比其他光子更有可能被吸收。

反过来也意味着,某些波长的光子更容易离开曲面,从而会使曲面呈现彩色外观。

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能量守恒:

一个光子只能参与漫反射、次表面散射和背面照明这几个组件中的一个,为了实现物理上的正确性,我们不希望离开表面的光子比进入的光子多。对于标准曲面,会自动确保这些组件的总和不高于 1。

 

 

Specular Scattering(镜面散射)

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Specular Roughness 镜面模糊权重 0 ~ 1

 

Roughness(粗糙度):

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镜面反射层使用微面分布进行建模。我们假设曲面是由许多沿随机方向排列的微小的面构成。

粗糙度低的曲面(如镜面)上各个微面之间几乎没有变化,因此呈现清晰锐利的反射。

粗糙度高的曲面存在很多变化,因此呈现更柔和、富有光泽的反射。

 

Roughness Map(粗糙度贴图)

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要查看曲面高光的变化,应将贴图连接到镜面反射的“粗糙度”(Roughness)。

这不仅会影响高光的亮度,还会影响其大小和环境反射的清晰度。

 

Transmission(传输/透射)

光子不仅可以在曲面上发生反射,还可以透过曲面发生折射。光子将穿过镜面反射层,通常在离开该层的另一面时改变方向,具体取决于折射率 (IOR)。

如果曲面的内部是透明的(如透明玻璃内部),光子将可以穿过物体并从另一面射出。如果为漫反射内部,光子可以在物体内部散射,然后被吸收或再次离开物体。

镜面反射层的折射率越高,下面的漫反射内部越清晰可见。

对于金属这样的材质,穿过镜面反射层发生折射的光子往往会立即被吸收,因此我们看不到漫反射内部。

 

Fresnel(菲涅尔)

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镜面反射 BRDF 相对于视角方向发生的变化

镜面反射层反射或折射的光子的百分比与视角有关。

从正面观察曲面时,大多数光会发生折射;以一定掠射角观察曲面时,大多数光会发生反射。

这种现象称为“菲涅尔效应”。

折射率控制着此效应具体如何随视角发生变化。
简而言之镜面反射层反射或折射的光子的百分比与视角有关。

 

Opacity and Transmission(透明度和透射)

 

对不透明度最好的理解是:不透明度是一种使用纹理为曲面几何体建模的方法。

它不影响光子与曲面的相互作用,而是指示哪个位置不存在曲面几何体、光子可以直接通过。

最常用的就是不透明度贴图,将 alpha 贴图节点链接到不透明度(Opacity )端口,但这会大幅降低渲染速度。

透射深度与此类似,但它控制的不是表面,而是物体内部的密度。

体积密度越高,在光子通过内部时吸收的光子越多,从而使物体越厚的地方亮度越暗。

 

 

官方文档地址 : 点击进入

 

 

 


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