MAYA材质与渲染教案

MAYA材质与渲染教案 Maya材质与渲染 教案 目 录 目 录 ........................................................................................................................................................................ 1 第一章 材质与渲染概述 ................................................................................................................................................. 3 1(1 渲染概述 ............................................................................................................................................................. 3 1(1(1软件渲染 .................................................................................................................................................... 3 1(1(2硬件渲染 .................................................................................................................................................... 5 1(2认识HYPERSHADE ............................................................................................................................................... 5 1(3材质节点概述 ...................................................................................................................................................... 8 1(3(1 Materials ................................................................................................................................................. 8 1(3(2 Textures ................................................................................................................................................... 9 1(4渲染全局设置 .................................................................................................................................................... 12 第二章 灯光与阴影 ....................................................................................................................................................... 13 2(1 光与物体的相互作用 ...................................................................................................................................... 13 2(2 阴影的产生和组成 .......................................................................................................................................... 14 2(3 MAYA的灯光种类及属性 ................................................................................................................................ 16 2(3(1 点光源(Point Light) ............................................................................................................................... 16 2(3(2 环境灯(Ambient Light) ........................................................................................................................... 17 2(3(3 聚光灯(spotLight) .................................................................................................................................. 17 2(3(4 平行光(Direction Light) ......................................................................................................................... 18 2(3(5 体积光(Volume Light) ............................................................................................................................ 18 2(3(6 区域光(Area Light) ................................................................................................................................ 18 2(3(7 Mental Ray的区域光 ............................................................................................................................ 18 2(4场景照明 ........................................................................................................................................................... 19 2(4(1 三点光源照明方法 ................................................................................................................................ 19 2(4(2 灯光阵列 ............................................................................................................................................... 19 2(5 灯光连接 ......................................................................................................................................................... 20 2(6 使用灯光效果 ................................................................................................................................................... 21 2(6(1 使用灯光贴图 ....................................................................................................................................... 21 2(6(2制作灯光雾(Light Fog) ....................................................................................................................... 21 2(6(3制作镜头眩光和辉光 ............................................................................................................................... 22 2(6(4 灯光的亮度曲线和色彩曲线 ................................................................................................................. 22 2(7 阴影的调节 ....................................................................................................................................................... 22 2(7(1深度贴图阴影 .......................................................................................................................................... 22 2(7(2光线跟踪阴影 .......................................................................................................................................... 22 第三章 贴图练习 ......................................................................................................................................................... 22 3(1 贴图的控制(二维贴图坐标节点) ................................................................................................................. 22 3(2 贴图通道的选择 .............................................................................................................................................. 23 3(3 贴图练习 ........................................................................................................................................................... 23 3(4其它练习 ........................................................................................................................................................... 25 第四章 实用工具节点介绍 ........................................................................................................................................... 25 1 Maya材质与渲染 教案 4(1 SAMPLER INFO节点 .......................................................................................................................................... 26 4(2 CONDITION节点 ............................................................................................................................................... 27 4(3 REVERSE节点 .................................................................................................................................................. 27 4(4 MULTIPLY DIVIDE和，,,AVERAGE节点 ....................................................................................................... 27 4(5 BLEND COLORS节点 ........................................................................................................................................ 28 PSD文件节点应用 .......................................................................................................................................... 29 4(6 第五章 金属与透明 ................................................................................................................................................... 29 5(1 金属材质 ......................................................................................................................................................... 29 511 .............................................................................................................................................. 30 ((流逝的时间 12 .......................................................................................................................................... 30 5((铬钢与金属漆 5(2透明与半透光 .................................................................................................................................................... 31 5(2(1半透光练习 .............................................................................................................................................. 35 第六章 特殊材质........................................................................................................................................................... 36 6(1法线贴图(NORMAL MAP) .............................................................................................................................. 36 6(2置换材质 ........................................................................................................................................................... 37 6(3 X-RAY材质 ........................................................................................................................................................ 38 6(4微观世界,红细胞 ............................................................................................................................................ 39 第七章 二维渲染........................................................................................................................................................... 39 7(1卡通渲染 ........................................................................................................................................................... 40 7(2矢量渲染器 ........................................................................................................................................................ 40 7(3国画渲染 ........................................................................................................................................................... 41 参考资料 ........................................................................................................................................................................ 42 2 Maya材质与渲染 教案 第一章 材质与渲染概述 该部分课程主要是材质的入门练习，其中介绍的部分也可作为已入门者的学习参考。本章的主要内容是介绍渲染的基本概念，不同的渲染方式以及Maya中的各种渲染节点，并以实例的方式介绍了调配材质的主要舞台Hypershade的界面和基本操作，最后详细地介绍了Maya的渲染全局设置和渲染窗口。 1(1 渲染概述 渲染是生成数字化3D图像中重要的一环。渲染前的三维图像只是电脑上错综复杂的线框或点的组合而已。 只有配以材质、灯光、特效等进行渲染，成为静帧或动态的图像，才算把三维图像得以最终实现。 随着硬件水平的不断提高，渲染3D图像的技术也在日新月异地进步着，3S、光能传递、HDRI等新技术不断充实着渲染器的功能，渲染器的种类也越来越多。许多厂商都进入了第三方渲染器的开发市场。其中以Max为最，常用的就有Vray，mentalray，Brazil，Finalrender等渲染插件。但它常用的渲染方式无非是硬件渲染和软件渲染两种。一般指的渲染都是软件渲染方式。 1(1(1软件渲染 常见的软件渲染算法有扫描线、光线跟踪、光能传递3种。这3种渲染算法都各有其优缺点和招牌渲染器。 ?扫描线:应该可以算是历史最悠久的算法了，3ds max的渲染器就是完全基于扫描线的。这种渲染方法的基本思路是把三维场景根据摄像机的设置进行二维投影，然后把投影分割成小块，逐步进行运算的方式。这种算法的最大好处就是速度快，由于历史比较长，它也是发展得最为完善的渲染算法，几乎市面上流行的所有渲染器都支持扫描线算法。但真正能代表扫描线极致的渲染器则是被称为渲染器之王的Pixer Renderman，从卡通风格的《怪物公司》到真实感几可乱真的《黑客帝国》，都可以体会到它的强大。 ?光线跟踪:时至今日，光线跟踪算法已不是什么新名词了，大多数的三维软件的内置渲染器都具备了进行光线跟踪运算的能力，只是速度、图像质量不同罢了。那么，它与扫描线算法有何不同呢?实际上，光线跟踪 3 Maya材质与渲染 教案 的计算方法与现实生活中的成像原理十分近似，它是计算从光源发射的光线，把它作为无限长的射线，当遇到反射或折射时改变方向，遇到漫反射面或无物体阻挡时结束。在真正计算的时候，则是逆向求解，也就是从摄像机的镜头方向追踪光线的历程直至光源。 光线追踪的逆向求解法 这种算法的最大好处就是能真实地再现物体之间的折射和反射，可以一次性的渲染出接近照片质量的图片。光线追踪的典型代表就是大名鼎鼎的德国渲染器mental ray，它是一个将光线跟踪推向极致的产品，利用这一渲染器，我们可以实现反射、折射、焦散、全局照明等扫描线渲染器很难实现的效果。BBC的著名全动画科教节目《与恐龙同行》就是使用mental ray渲染的，逼真地再现了那些神话般的远古生物。由于这种算法本身就比较复杂，所以渲染时间也较长。而且当图片尺寸加大时，渲染时间会成倍增加，所以在电影业现在还是以扫描线为主的局面，但随着硬件成本的降低，相信这项技术会有更大的发展空间。 ?光能传递:又叫辐射度算法，是基于真实的热辐射传递公式的算法，它将场景剖分为许多大小不同的元面，逐个计算光线在每个元面上辐射的值，经过衰减后，再传递到对应方向上的面，如此下去，直到光线能量低于我们设定的初始能量百分比。这种计算方式能够计算出光在物体上的漫反射。可以看到相邻物体在光与颜色之间的相互作用。 4 Maya材质与渲染 教案 这才是真正再现了现实中光线在物体间的相互作用。真实的代价也是高昂的。这样的一次传递计算往往需要几个小时，甚至几天的时间。实际上，真正使用这种技术取得商业成功的软件只有一家，就是建筑行业的渲染巨匠Lightscape。几年前，这个软件曾经是高质量渲染器的代名词。Lightscape的名字在被Autodesk收购后虽然已渐渐退出历史的舞台，但其核心技术已被内置在max 5.0及其后继版本中，在建筑演示行业继续扮演着重要的角色。 1(1(2硬件渲染 除了以上3种软件的渲染方式外，硬件渲染也一直伴随着三维技术的发展而成长。举—个简单的例子，我们所面对的视图中的模型就是以硬件方式渲染的。 近年游戏产业和Web 3D技术也迅猛发展，促进了显卡技术的更新换代。显示技术又推动了三维硬件渲染的发展。2002年末，世界最大的三维芯片商NVIDIA推出了其划时代的FX。这项技术可以让用户自己编程制作各种Shader来实现所需要的效果——如硬件反射，折射，毛发等以前完全无法用显卡实现的效果。现在，恐怕再也没人会说硬件渲染的画面是粗陋的了。完全由显卡计算出的画面是否很令人惊讶。很快，PC平台上的三维动画软件都开始陆续支持这一技术，我们现在已可以使用Maya自身的硬件渲染制作出相当高质量的图像。而且与任何一种软件渲染方式相比，它的速度都要快得多。 那么，作为一个Maya用户，我们可以自由的使用所有的这些方法来完善我们的作品吗?如果是一年以前，这个问题还会很难回答，因为那时Maya自身的渲染器还有很多局限。比如不能进行全局光计算，无法表现焦散，而且在渲染速度上也较其他渲染器慢，消锯齿的表现还不够理想等。幸运的是，这些问题随着Maya 5(0版本的推出已成昨日阴云。这次升级最令人激动的改变之一就是内置了世界顶级渲染器mental ray。使用mental ray进行渲染，速度、画面质量方面都有所提高。更重要的是，增加了如全局光、焦散、移动模糊的阴影、HDRI照明等在以前版本中很难实现的功能。而Maya自身渲染的一些功能优点也完整的继承，并且得到了发展。比如加速了Paint Effect的交互速度，增加了新的硬件渲染方式和矢量渲染等。所以说，现在Maya为我们提供的已不是一个渲染器，而是一整套渲染解决方案，其中包括Maya软件渲染，Maya硬件渲染，mental ray渲染，矢量渲染(可以输出SWF动画)和HardwareBuffer渲染。绝大多数使用者都会在这些渲染器中找到适合自己的工具。 1(2认识Hypershade Hypershade和属性编辑器是材质编辑的主要舞台，要学习Maya的材质，必须了解Maya的材质编辑器。Maya有两个材质编辑管理工具，其中一个是Multilister(多重列表)管理器，通过Window>Rendering Editors>Multilister打开它。 5 Maya材质与渲染 教案 可以看到，它有点类似于3ds max的材质编辑器，把材质、纹理、灯光和摄影机以图标列表的形式显示出来。双击其中的材质球就可以打开相关的Attribute Editor(属性编辑器)。一切材质属性的编辑都在Attribute Edito中进行。 选择Window>Rendering Editors>Hypershade就可以打开它。 下面的当然是Bottom Tabs(下标签栏)，在缺省情况下，它主要由Work Area(工作区)和Shader Library(材质库)组成。WorkArea是调配材质的重要舞台，可以把它比作画家手中的调色板。一切材质节点的连接和图示都可以在这里看到。 单击Surface卷页栏下的Blinn图标，可以看到，在右边的Materials和WorkArea中都增加了一个圆球，这就是新的blinnl材质的图标。双击这两个图标其中的任何一个，就可以打开这个材质的属性对话框。对话框的最上面是本材质的名字，下面的第一个卷页栏是Common Material Attributes(公共材质属性)。 它是大多数材质的共同属性，所以在使用中一定要清楚了解他们个是做什么用的，做到心中有数。 6 Maya材质与渲染 教案 Color(色彩)基本颜色，它是影响物体表面色彩的最主要因素。 Transparency(透明度)，它控制我们能看到物体背面东西的多少，也就是像玻璃那样的透明度。与MAX等软件相反，Maya中的不透明是黑色，而完全透明是白色，这一点需要加以注意。 Ambient Color(环境色)，影响材质颜色的另一重要因素。用它可以方便地调整材质的明暗，或改变材质的色彩倾向。 Incandescence(白热度)，也就是自发光。不受灯光影响直接提高材质的亮度。即使在没有光照的情况下，自发光也是可见的。 Bump Mapping(凹凸贴图)，只对各种纹理有效，用改变物体表面法线的方法来产生凹凸不平的效果。在制作不平整表面时经常会用到。 Diffuse(漫反射过渡)，控制明暗面之间的过渡。当它为0(8的时候，表示有80,的Color亮度被加到材质的亮部。 Translucence(半透明度)，与透明度不同，半透明度不是控制能看到多少材质背面的物体，而是控制材质背面有多少光影透射过来，就像透过灯笼的红布看到里面的光线一样。 Translucence Depth(半透明深度)，设置材质半透明的深度，控制背面光影所能穿透的长度。 Translucence Focus(半透明焦点)，它控制的是当背面的光透 射过物体表面时，模拟物体内的散射程度。当它的值比较高时， 背面的光源和阴影的位置会比较清晰，而随着Translucence Focus的降低，背面的光影也会越来越模糊。 单击每项属性后的色块可以打开ColorChooser(颜色拾取 器)。 调整完基本属性，再来看看Specular Shading(高光属性)， 这是只有光滑表面材质，如Blinn，Phong，PhongE等才有的 属性栏。而且每种材质也略有不同。Blinn包括以下几项: Eccentricity(离心率):控制高光的扩散范围，数值越小，高光 点也就越小，也就显得表面越光滑。 7 Maya材质与渲染 教案 SpecularRollOff(高光复制):其实就是高光的强度，数值越大，高光强度越大。 SpecularColor(高光颜色):高光的颜色控制，可以调节高光的色彩倾向，也可以调节高光的亮度。 Reflectivity(反射强度):控制对周围环境和反射贴图反射百分比的属性。当它为0时完全不反射周围的环境，当它为1时则像镜子一样完全反射。 ReflectedColor(反射颜色):可以调整反射的颜色倾向，同时也是赋予反射贴图的通道。 到此为止，我们就已经熟悉了Hypershade和Attriibute Editor的基本操作以及材质基本属性的作用。 1(3材质节点概述 在Maya中，一切都是以节点的形式存在的，其实如果熟悉了Maya材质节点的基本思路，就会发现这种调节方式是非常人性化的，不仅非常直观，而且效率很高。 首先，我们来搞清楚这些节点在Maya中是如何分类的。常用的节点有哪些，它们又有什么作用和特点?选择Hypershade的菜单命令Create>CreateRenderNode(((可以打开CreateRenderNode(建立渲染节点)面板，它与Create Bar的内容是一样的。 可以看到，它把节点分为Materials(材质)、Textures(纹理)、Lights(灯光)、llfilities(辅助程序)四大类，如果加载了mentalrayForMaya，还会多出mentalray一大类。 1(3(1 Materials Materials:这是建立材质节点的面板，我们可以在这里创建所有常用的材质。根据这些材质的适用范围又分为SurfaceMaterials(表面材质)、VolumetricMaterials(体积材质)和DisplacementMaterials(置换材质)。 SurfaceMaterials是针对模型表面的材质，也是使用频率最高，范围最广的一类。适用于所有的Poly和NURBS模型，也适用于Blobby Surface类型的粒子。 Lambert: 有译作兰伯特或朗伯的，是相当简单的一种材质。它只有颜色，透明度等公共属性，完全没有反射和高光，适合表现石膏、干燥的沙石、砖瓦等。由于它只进行扫描线的运算，所以在渲染时是很快的。 Blinn: 恐怕世界上没有比Blinn兼容性更好的材质了。它不仅通行于各大三维软件，而且也是Web 3D和三维游戏所广泛支持的对象。这一方面取决于它算法的可靠性，另一方面则是因为它的适用范围非常广泛，不 8 Maya材质与渲染 教案 论是亚光的木材或是石头，还是光滑亮丽的金属和玻璃，都可以游刃有余地表现。 Phong: 这种材质的存在似乎只为一个目的——表现各种光滑的表面。它与众不同的调节参数也只有一项，用来控制高光的大小与强度。光洁的瓷器、金属、玻璃和液体都是它表现的好机会。 Phong E: 与Phong效果相似，参数不同的材质。比起Phong，它的表现空间更大一些，可以很容易的表现亚光表面的特点。 Anisotropic: 各向异性，不论是金属还是塑料，在现实生活中并不都是完全圆滑的。有的时候因为使用过程中的磨损等原因，会在上面留下细小的纹路，这些纹路也会导致高光的变化。各向异性材质就是用来模仿这种情况的专用材质。 日常生活中所见的机器轴承、锋利的刀片、光盘等都是这样的例子。 Layered Shader: 多层材质，材质的混合器，可以将多种材质叠加在一起，每种材质都可以使用独立的透明遮罩，可以表现很复杂的效果。 Ocean Shader: 海洋材质可以说是一个相当有想象力的想法，它把置换、颜色、体积透明等属性完全内置在一个材质之中，变成浪高和深度等浅显直观的参数。 Ramp Shader: 渐变材质，它基本上是材质中的万能工具，不仅能取代Lambert，Blinn，Phong等常用材质，还能轻易表现出这些材质很难表现出的效果。比如卡通效果、国画效果等。 Shading Map: 一种特殊的材质，可以建立一个材质的色彩到纹理坐标的映射关系，可以创造出一些很奇特的效果来，也常被用于卡通材质。 Surface Shader: 它就像一个材质的过滤器。一个已制作好的材质，可以通过与其他的 Use Background: 顾名思义，它就是使用背景，连Alpha通道上也会被它挖一个洞。它的作用就是渲染在合成时用的阴影和反射。用简单模型来模仿背景中的物体，再用这种材质，就可以取得仿真的阴影和反射效果。Volumetric Matefial: 体积类材质，这类材质与上面介绍的以表面进行计算的材质不同，它们计算时模拟体积堆积的效果。在材质一样的情况下，体积越大，透明度越低。 Env Fog: 环境雾，在整个场景创建雾效节点，根据物体到摄像机的远近(Z深度)决定雾的浓度。可用来模拟大气，水下等多种效果。 FluidShade: 流体节点已不仅仅是一种材质，而是一套完整的受动力学影响的物理仿真模型。它可以表现的内容也十分丰富，如云层、液体、火焰、烟雾及太空等效果。大多数时候它的渲染都很慢。 Light Fog: 灯光雾，用来模拟灯光在浑浊的空气或液体中所产生的散射，可以通过阴影贴图来模拟雾中的投影。 Volume Shade: 也是为体积物体准备的。不过它比Volume要简单得多，只有颜色和透明输出，作用类似于Surface Shader，可以当做一个材质输出节点使用。 Displacement Materials: 置换材质，这类只有Displacemen(置换)一种材质，它的作用就是根据一张纹理图，在物体表面产生变形，纹理亮度越大，沿法线方向的位移也就越大。从图上可以看出，一个很简单的模型可以通过置换贴图达到很丰富的效果，当然渲染时间也会因此延长。 1(3(2 Textures Textures:纹理的种类比材质要多得多，而使用方法则大同小异，现在我们先认识一下它们有哪些种类，以及各种类的特点。 2D Textures:二维纹理类。所谓二维纹理，主要是与能在立体空间内自由延展的三维纹理相区别。通过两张图片的比较我们可以看出它们的不同。 9 Maya材质与渲染 教案 二维纹理，缺口处可以看到严重的拉伸;三维纹理则保持了非常好的连续性，完全没有变形。 二维纹理有3种不同的使用方式，分别是Normal(正常)、As Projection(投影方式)、 As Stencil(标签方式)。 Normal:正常方式的贴图就是以模型自身的UV(纵横)分布来决定纹理的走向。如图所示是对NURBS物体使用Normal方式贴图的效果。 As Projection:这种贴图方式是在三维视图中建立一个参考物体，以这个物体来决定贴图的方式、大小等。 投影方式可以选择平面投影、球形投影、柱体投影等多种方式。 AsStencil:标签，顾名思义就是像在物体上贴上一个标签一样，增加一个Stencil节点，专门用来对图片 10 Maya材质与渲染 教案 进行对位、遮罩等操作。 3D Textures:三维纹理，大多数使用比较简单，都是通过调节各种内置参数来模拟自然界的云雾、皮革、大理石、木头、石头等纹理效果，这些纹理的优点是无论模型多么复杂，它们也能在模型表面产生连贯的，毫无拉伸的效果。 EnvironmentTextures:这一类纹理主要用来做反射图。EnvBall，EnvCube和EnvSphere是使用反射图的3种投影方式，而EnvChrome和Env Sky则是两种预置的反射环境。 OtherTextures:只包括一种材质Layered Texture，它是一个非常实用的纹理混合器，我们在前文所介绍的大多数纹理都可以通过它混合，得到更为复杂的纹理。而且，它还可以进行纹理之间的Add，Subtract，Multiply等操作，类似于Photo Shop中的图层效果。通过它，各种纹理可以混合为更加复杂，更加丰富的纹理表面。 Lights:灯光，这一部分包括6种灯光的创建按钮。Ambient Light(泛光灯)、AreaLight(区域灯)、Directional Light(方向灯)、Point Light(点光源灯)、Spot Light(聚光灯)和Volume Light(体积灯)。 Utilities:辅助工具节点，这一类的数量相当大，种类也较多，主要都是一些辅助使用前3种节点的工具。其 11 Maya材质与渲染 教案 中一些在建立纹理或灯光时就会自动创建，比如当我们创建一个三维纹理的时候，一个3d Placement节点也随之产生。而另一些工具则是要用户根据自己的需要创建和搭配使用的。 1(4渲染全局设置 它包括两部分:一部分是Common(公共设置)它的设置内容对所有渲染器都是有效的，也是最基本的。 12 Maya材质与渲染 教案 FileNamePrefix:设定我们所渲染的动画序列的文件名前缀。 Frame,AnimationExt:设定扩展名方式，一般情况下，我们使用name#(ext就可以被大多数的后期合成软件 所接受。 Image Format:文件格式，常用的有avi、tga等。 Start Frame:设定从第几帧开始。 End Frame:设定在第几帧结束。 By Frame:设定每几帧渲染一次。只要把By Frame设定为2，就表示每两帧渲染一次，也就节省了一半的渲染时间。 Frame Padding:帧填充，设定文件名序号用几位数，比如我们设定为3，第一个文件名序号就为001。 Renderable Objects:选择可渲染物体，可以选择RenderAll(渲染所有的)或RenderActive:(渲染被选中的)。这个选项对于测试场景的局部，缩短渲染时间十分有用。 Camera:选择要渲染的相机视图。 Image Size:对图象分辨率的设置 第二部分针对于不同的渲染器，在以后介绍。 第二章 灯光与阴影 在三维场景表现中，光影是整个场景的灵魂，它能够烘托气氛、突出形象、反映人物心理，也能影响观众的情绪。控制灯光表现是三维制作中的重要一环。三维场景中的灯光与现实世界中的灯光是有所区别的，因为前者是设计用来模拟后者是如何工作的，所以在场景照明中，为了取得期望的效果，通常需要对灯光进行众多的设置与调整，如灯光的位置、亮度、颜色、衰减、数量以及与渲染效果紧密相关的阴影设置等。当然，效果的好坏不仅取决与灯光，还与物体的表面材质有密切的关系。 2(1 光与物体的相互作用 当来自光源和周围环境的光线照射在物体表面时，光线可能会被吸收、反射和透射;其中被吸收的光能转化为热，剩余部分则向四周反射或透射。 吸收(Absorption)是指光线到达物体表面时不再发生反射和折射而停止传播，能量在进入物体表面后迅速消失。反射(Reflection)是指光线到达光亮的物体表面时发生反弹，光线方向遵从反射定律。所谓反射定律即入射角i等于反射角r。 13 Maya材质与渲染 教案 折射(Refraction)是指光线从一种介质进入另一种不同密度的介质时，光线的传播方向发生一定角度偏移的现象。折射率反映了光线折射的强度大小。光线在空气(真空)中的折射率为η=1。在折射现象中还有一个特殊的例子:全反射，即当入射光线与物体表面法线所形成的夹角i，大于临界角c时发生的现象。当在水底向上看的时候，中间较亮，而越向周围就会越暗，这就是全反射。 光线在物体表面的反射情况又可以分为:镜面反射(Specular)、漫反射(Diffuse)和光滑 反射(GIossy)3种。 镜面反射只将光线从镜面角度方向反射，入射角与反射角相等，遵循反射定律。漫反射将反射光线均匀地从物体表面向各个方向反射，成一个半球状的空间发散。光滑反射也是有一定的方向性的，但它与镜面反射不同，并不是只沿一个方向反射，而是在镜面反射方向周围的一定角度范围内反射。当观察方向处于镜面反射方向附近时，所见的镜面反射光较强，当偏离这一方向时，镜面反射会减弱并消失。 2(2 阴影的产生和组成 在现实世界中，当灯光照在物体表面时，物体朝向光源的部分是被照亮的，而物体背向光源的部分就显得暗些。如果A物体处于B物体和光源之间，那么A物体将会在B物体表面上产生阴影。 14 Maya材质与渲染 教案 阴影对渲染图像的真实感有着非常重要的作用，通过阴影可以描绘场景中元素之间的相对位置，加强场景中元素的立体感和层次感，也能让人感觉到光源的位置。如图所示的两个球体和一个平面，在没有阴影的情况下，我们无法判断它们之间的相互位置关系，但在加了阴影之后就不同了。 阴影根据其表现形式的不同，可以分为本影(Umbra)和半影(Penumbra)。本影是灯光完全照不到的地方。在现实生活中是没有无限小的灯光的，灯光(光源)总是有一定大小和形状的，所以由它产生阴影不会完全是本影，还有一些部分是由部分灯光照亮的区域，这部分阴影称为半影。 15 Maya材质与渲染 教案 在Maya中，阴影有两种计算生成方式:深度贴图阴影(Depth Map Shadow)和光线跟踪阴影(Raytraced Shadow)。 与深度贴图阴影相比，光线跟踪阴影的生成速度较慢，但它更加真实可信。光线跟踪方式也有其独特的优势，如利用光线跟踪对于透明材质也能产生阴影作用，可以产生彩色透明的 阴影，而如果采用深度贴图阴影是做不到的。 2(3 Maya的灯光种类及属性 Maya中我们有比较完备的灯光种类选择，单击主菜单Create—Lights命令会发现Maya默认提供了6种灯光。 各种类型的灯光在照明方面都有几个共同属性。灯光属性中的Color选项为灯光的颜色。可以给它贴图，甚至是动画序列从而产生特殊效果。灯光属性中的Intensity项为灯光的亮度。灯光的亮度可以是负数，这时灯光的作用就不是发光，而是吸收光线，好像一个黑洞一样。 IIluminates by Default默认照明方式。如果选中此选项，灯光将会按照默认方式对所有物体进行照明，除去没有灯光连接的物体。如果取消选中，那么此灯光将去掉和所有物体的连接。 EmitDiffuse表示是否产生漫反射。Emit Specular表示是否产生高光。以上这两个参数在手动分通道渲染时可以用来控制产生色彩层和高光层。这两个参数的渲染表现效果。另外，还有一个衰减率(Decay Rate)属性，只有聚光灯、点光源和区域光才有。它用来控制光线强度与照明距离的关系。有三种衰减方式可选:Linear线性衰减、Quadratic二次方衰减、Cubic三次方衰减。默认为NoDecay，即没有衰减。衰减属性还可以控制雾的亮度。 每种类型的灯光都有共同的属性，也有其自身的特点，在不同的场合不同的灯光使用方法也不尽相同。 2(3(1 点光源(Point Light) 点光源的光线从一点发出，向各个方向均匀发射，就像一个灯泡，所以它的阴影也成发散状。但它实际上是一种理想的灯，因为它的光源体积是无限小的。点光源常用来模拟热点比较明显的场合，如暗处的球形灯泡、蜡烛等。也可以由多个点光源组合成灯光阵列，来模拟各种光源进行照明。 16 Maya材质与渲染 教案 2(3(2 环境灯(Ambient Light) 环境灯能将整个场景从各个方向照亮。可用于物体环境照明情况的模拟，多用于室外场景。它有一个特别的Ambient Shade参数，用来控制相对于灯光的位置的环境光线对物体的贡献程度。如果这个值为0，则光线均匀地从各个方向照射物体，完全对灯光位置忽略;如果属性值为1，则光线都从环境灯位置发出，而没有其他额外方向上光线的作用。 需要注意的是，使用了环境灯后，bump凹凸贴图可能无效或不明显，此外环境灯只有光线跟踪阴影而没有深度贴图阴影。 2(3(3 聚光灯(spotLight) 聚光灯是比较常用的灯光，有很强的方向性，用来照明特定的区域，可以形成很强的场景效果，能够有力地烘托重点。聚光灯也是从一点发出光线，但它用一个圆锥角来控制其照明范围。 Cone Angle锥角，以角度数来计算，用来控制聚光灯的光束大小。可用值范围从0(006—179，994。 Penumbra Angle半影角，同样以角度数来计算，它是从锥角处向外计算的，同时聚光灯的亮度也线性地减为0。 Dropoff递减，用来控制聚光灯光束从中心向外亮度递减的快慢。这和衰减(Decay)是不同的，Decay指的是亮度随着与物体的距离增大而减弱。 17 Maya材质与渲染 教案 2(3(4 平行光(Direction Light) 所有光线都相互平行，没有明确的光源，产生的光线的方向有很强的一致性，照明很均匀，平行光没有衰减属性。平行光的特性决定了它在Maya中的位置不会影响它的照明效果。在场景较大的情况下，常用平行光来模拟主光源。 2(3(5 体积光(Volume Light) 体积光可以用来照明一个特定区域以加强气氛，或在场景的某些区域用做负灯，吸收多余体积光有其自身的特有属性。 Light Shape用于控制灯光的形状。有四种形状可以选择:Box盒状、Sphere球状、Cylinder圆柱状和Cone圆锥状。如果灯光形状选择为Cylinder或Cone时，则开启Penumbra属性栏;选择Cone时还可以使用ConeEndRadius属性。 2(3(6 区域光(Area Light) Maya的区域光用来模拟矩形的照明光源，使用它可以获得很好的高光效果和阴影质量。和其他灯光相比，区域光花费的渲染时间相对较长。使用缩放工具可以改变区域光的形状，这也同时会改变灯光渲染的效果。区域光对物体的照明强度和与物体的距离有关系，所以对于区域光有时不需要使用衰减属性。 2(3(7 Mental Ray的区域光 18 Maya材质与渲染 教案 2(4场景照明 使用灯光的第一步就是放置灯光，灯光必须摆在符合场景需要的正确位置。不同位置的灯光有它们特定的作用和意义。在位置正确的前提下才可以根据情况对灯光的亮度、颜色等属性进行调节。每一盏都必须有它存在的道理。根据场景的需要来决定使用何种类型的灯光，这通常要结合相应灯光的属性进行考虑。 通常一盏灯光是不能精确地描述场景照明的，在不借助其他手段的情况下，我们需要使用多盏或灯光阵列来达到目的。在场景中有许多灯光时，我们就需要注意多盏灯光之间的相互配合。此外，还应考虑灯光的颜色和色温，光亮的强度等问题。通常来说，纯白色的灯光是很少的;我们应该勤快一点，不要只是调节灯光亮度的强弱，根据场景的时间、环境给灯光赋予恰当的颜色。下面简单介绍一下在场景中进行照明的方法。 2(4(1 三点光源照明方法 三点光源照明方法是三维场景中的一种基本而实用的照明方法。它通过三盏灯光的相互作用将场景中的物体照亮，能够使用光影将物体从背景中烘托出来。 主灯光是场景中起主要作用的光源，用来照亮整个场景，而且阴影一般均由主灯光方向产生。如果是一个室外的场景，那么我们的主光源就应该模拟太阳。 辅光源，通常被称为补光灯，这是因为它通常用来照亮物体的暗部或是阴影区域，模拟环境光线对物体的贡献，增强细节表现力。它可以控制场景中阴影区域的色调。 背光灯，用来将主角与其周围的场景元素区别开来，并且衬托出物体的轮廓。 2(4(2 灯光阵列 灯光阵列是由一系列单个的灯光所组成的灯光集合，用来实现特定的照明功能。常见的灯光阵列排布方式有环形、菱形、球形、钻石形和方形等。在实际工作中，还可以将它们组合起来，形成自己的灯光阵列。 19 Maya材质与渲染 教案 2(5 灯光连接 为了达到特定的效果，有时需要单独为场景中的某些物体进行照明，同时又不希望这盏灯影响到场景里其他的物体或其他物体不需要受灯光的影响。在这种情况下，我们就需要使用灯光连接，即只让灯光单独对某一(些)物体起作用，在现实中想做到这一点是没有可能的，这是计算机图形中特有的灯光照明方式: 使用灯光连接的优点不仅是为了在打灯的时候能够取得好的效果，而且可以为渲染做贡献;因为场景中没有连接相应灯光的物体就不需要参与该灯光计算，于是也就减少了渲染时间，提高了效率。 20 Maya材质与渲染 教案 2(6 使用灯光效果 在Maya中，灯光不仅是用来照明的，通过对灯光属性的设置，我们还可以取得一些特殊的效果。 2(6(1 使用灯光贴图 我们可以给灯光的颜色加一个贴图，这样灯光就像是一个投影仪一样，可以在物体表面上投射出指定的贴图样式。当然还可以给它添加动画序列贴图，可实现的效果更加丰富。 2(6(2制作灯光雾(Light Fog) 21 Maya材质与渲染 教案 2(6(3制作镜头眩光和辉光 在灯光的效果属性中我们还可以制作镜头眩光和辉光，它们也非常简单。这里我们以点灯光为例，说明一下这种灯光的效果的实现和调整。 2(6(4 灯光的亮度曲线和色彩曲线 亮度曲线和色彩曲线功能是很有意思的两个灯光效果，它可以通过一条函数曲线来控制灯光的亮度及色彩的变化:不过在Maya灯光中，只有聚光灯具有这两个功能。 2(7 阴影的调节 2(7(1深度贴图阴影 2(7(2光线跟踪阴影 第三章 贴图练习 贴图是为物体制作材质时最常用的方法，也材质的基础。学好贴图以及对贴图的控制是至关重要的。 3(1 贴图的控制(二维贴图坐标节点) 22 Maya材质与渲染 教案 3(2 贴图通道的选择 在贴图时贴图通道的选择很重要，同一个贴图在不同通道中的表现是完全不同的，一定要根据所需要的 效果正确选择贴图通道。 3(3 贴图练习 23 Maya材质与渲染 教案 24 Maya材质与渲染 教案 3(4其它练习 第四章 实用工具节点介绍 在Maya中除了材质和纹理节点外，还有一些重要的工具节点，它们就像是芯片组里的一个个具有特定功能的芯片。在组织材质节点网络时，充分利用工具节点可以获得强大的材质或纹理网络，得到无法使用简单连接所能取得的效果。此外，这些节点有的还可以用于动画和渲染。可以在Hypershade节点创建栏中看见这些节点，它们按照功能的不同，分别处于General Utilities、ColorUtilities、SwitchUtilities和ParticleUtilities 分类栏中。 25 Maya材质与渲染 教案 4(1 Sampler Info节点 使用Sampler lnfo采样信息节点可以取得非常丰富的材质表面信息，应用于构建一些特殊效果或复杂的材质网络。它是使用得最为广泛的工具节点之一。而在这个节点中，它的FacingRatio和FlippedNormal又是使用得相对较多的两个参数。 Facinq Ration为面向比率，用来标明摄像机与采样点表面法线的角度关系，它的值等于摄像机方向与法线夹角的COS值。 26 Maya材质与渲染 教案 E表示摄像机位置，I表示从摄像机发出的采样光线，N表示物体表面法线。Facing Ratio的取值在0—1之间变化，这样我们很多的0—1的变化过程就可以使用它来进行控制。 例如，如果我们将Facing Ratio值传给物体材质的Transparent属性，就可以实现正对摄像机的地方透明，偏离摄像机的地方逐渐不透明。这是因为正对摄像机时，Facing Ratio值为1，传给Transparent值也就为1，所以透明;而偏离摄像机的部分Facing Ratio的值就小于等于0了，也就不完全透明或不透明了。 Flipped NormaI参数可以用来判断表面法线的朝向，是对着摄像机的还是背向摄像机的，利用这一功能可以用来确定物体表面的正反。 我们在制作与观察角度相关的材质时，如玻璃的透明度、反射率和折射率等，经常会使用到该工具节点。 4(2 Condition节点 Condition条件节点就像编程中的if语句过程，即如果满足当前给定条件的 情况怎么处理，如果不满足所给条件又该怎么处理。 这些参数间的关系，可以这样表示:如果参数First Term和参数Second Term满足关系条件Operation(Equal相等、Not Equal不相等、Greater Than大于、Greateror Equal大于等于、Less Than小于、Less or Equal小于等于)，那么输出Color if True，否则，如果不满足条件 Operation则输出Color if False。 4(3 Reverse节点 Reverse取反节点的工作原理比较简单，它的输出值为1减去输入值。注意，并 不是1变成,1。之所以称为取反，是因为对于使用值为0,1来表示的颜色，如果 用1来减就是取了反色。 4(4 Multiply Divide和，,,Average节点 27 Maya材质与渲染 教案 这两个节点可以用来做算术运算。其中Multiply Divide 节点可用来做乘法(Multiply)、 除法(Divide)和幂计算 (Power);+/- Average节点可用来做加法(Sum)、减法(Subtract) 和平均值计算 (Average)。它们可用于材质组合，也可用于 动画制作。 4(5 Blend Colors节点 使用Blend Colors色彩混和节点可以将两种不同的颜色和材质融合到一起，再通过参数Blender来控制两者间的融合度。当Blender取0时，输出为完全Colore的值。 28 Maya材质与渲染 教案 4(6 PSD文件节点应用 现在Maya 60已经可以直接支持Adobe Photoshop的PSD文件了，拥有专门处理PSD文件的节点:PSD File节点。这使得贴图的工作变得更加简易方便，因为现在我们可以将多个通道的贴图文件集中在一个PSD文件中进行绘制，保存后再在Maya中进行更新就可以马上看到效果可以像使用普通文件贴图一样，在Maya的任何可以使用文件贴图的地方使用PSD文件:还可以在Maya中创建带层的PSD文件，这些层可以分别与材质的多个通道相互关联，如颜色 Color、凹凸bump、透明Transparent等。 第五章 金属与透明 5(1 金属材质 金属是影视及广告制作中经常出现的材质，它包括的种类非常之多:重金属、有色金属以及各种工艺处理后的金属表面都不相同。比如电镀、发蓝、抛光或锈蚀的表面都会使金属材质各异。金属的特点是都有着较强的表面反射，对反射环境的要求也比较高，调配这类金属的同时也是在学习如何制作反射环境。这类材质在广告制作中有很大的应用空间。 29 Maya材质与渲染 教案 5(1(1流逝的时间 5(1(2铬钢与金属漆 金属漆是一种比较特别的材质，它有的部分表现出很强的高光，有的部分则像亚光的表面，而不沦是高光还是亚光表面都有比较清晰的反射，就像在不透明的涂料表面又喷涂了一层薄薄的透明材料一样。 30 Maya材质与渲染 教案 5(2透明与半透光 透明与半透明，其实这在三维动画中是两个完全不同的概念，对应材质属性中不同的参数。透明是指如 31 Maya材质与渲染 教案 玻璃、空气等可以透过它们看到其背后物体的特性;半透光是指物体背后的光线透过物体，使我们能够看到物体另一面以及物体内部光影的特性。如纸张、树叶和人体肌肤的次表面散射现象。 光线从一种介质传播到另一种透明介质表面时，它会产生反射、漫反射、吸收、折射和散射。这是在真实世界中光线照到空气、水或我们的皮肤等都必然会产生的现象。但并不是所有的现象都显而易见，对于浑浊的液体来说，它的反射就比折射要强得多:对于像石蜡这样的材料，我们透过它完全看不到对面的物体，但却能看到对面的光亮。这就说明光线没有直接传递到我们的眼睛里，而是在材料内发生了散射。对于三维软件来说，模拟自然界中的每一个光学现象既不划算也不现实。很多在自然界中不太明显的现象都被三维软件忽略掉了，比如在Radiosity算法普及之前，漫反射在三维软件中是完全看不到的，只能通过手工模拟。很遗憾的是，散射也是这样的一个例子。 一般在三维软件中都是假设光线以如图所示的方式进行传播。光线碰到物体表面后立刻反射而回，并在 反射过程中损失掉一部分能量。这种模型对于光滑且不透光的表面——比如金属，是完全适用的。但对于玻璃这样的物质就不太适用，因为不论多么晦暗的玻璃都会发生一定的折射，光线会在接触玻璃表面时发生折射。 当光线穿过我们的皮肤时呢?情况变得更为复杂:光线从空气中射到皮肤表面，一部分被吸收一部分被反射掉了，剩余的部分因为折射改变了——定的角度，同时又因为皮肤组织本身的特性而产生了散射。折射的光线继续进入到肌肉组织中，于是又一次反射，又一次折射…光的旅程直到碰到骨骼，被完全吸收才算结束。 32 Maya材质与渲染 教案 这种光线进入物体后不断散射的现象被称为次表面散射(Sub—Surface Sc9ttering)，简称3S。那么，3S对于我们所看到的事物会有什么影响呢?所有能够散射光线的物体都会有一部分射入它的光线没有被完全吸收，而在不停地散射中回到物体表面，又透射了出来，就像物体本身隐隐发出的光线，鸡蛋明显地具有透明感，甚至能够看到里面胚胎组织的结构。 我们现在可以回到前面关于透明和半透明的讨论上——Transparency是要反映物体折射光线特性的参数，Translucence是反映物体散射光线特性的参数。下面举几个例子来说明。 玻璃是—个很好的Transparency样本，表现玻璃只需要调整它的透明和折射率属性，完全不需要调整Translucence。其实玻璃也是具有散射的，但是因为它的透明度太高，我们透过它几乎能完整地看到对面的物体。而散射的表现则很微弱，完全被忽略掉了。 由此我们可以知道，所有的透明和半透明物体都具有折射和散射的特性，我们在决定一个物体是使用Transparency或是Translucence来表现时，主要看它的折射和散射哪一个表现得更为明显、强烈。以散射为主的物体表现起来要比仅仅透射对面景象要复杂得多。叶片互相之间投射下一片片阴影，叶子的背面也可以看到投射的阴影。虽然我们不能透过叶片看到背面的景物，但我们仍然可以感到叶子是半透明的。这种现象可以通过Translucence属性来模拟。 33 Maya材质与渲染 教案 蜡烛的烛光透过它本身，显出亮度变化，这样的物体也是半透明的，但它就不能仅仅通过—个Translucence属性来表现了。当情况再复杂一点葡萄。 光线不仅从背面透射出来，而且带来了葡萄内部的信息。我们能够看到葡萄内部的纤维、筋脉，这样的情况Translucence就完全不能胜任了，这需要对物体的内部体积和结构进行计算才能得到正确的结果——这也就是现在各大渲染器制造商都在大力宣传他们的软件具有3S功能的原因。可惜Maya的渲染器本身并不支持3S，需要手工模拟。 34 Maya材质与渲染 教案 5(2(1半透光练习 35 Maya材质与渲染 教案 第六章 特殊材质 6(1法线贴图(Normal Map) Normal Map用起来有点像凹凸贴图，但却优于bump贴图，因为它不像bump那样容易在材质的边界(UV接缝)处出现融合问题。它使用RGB通道将空间的XYZ矢量信息存储到图片之中。我们可以使用NormaI Map让低精度的模型获得更好的细节效果。这在游戏制作中是相当有用的，因为游戏中的模型对其多边形面数是有一定限制的，使用Normal Map就可以很好地解决这一问题。 没有使用法线贴图 使用法线贴图 36 Maya材质与渲染 教案 使用法线贴图的低精度模型(1500面) 高精度模型(50000面) 6(2置换材质 置换材质可以改变模型的实际结构，所以它有凹凸贴图和法线贴图无法比拟的效果。 使用置换贴图的轮胎模型 置换贴图 37 Maya材质与渲染 教案 6(3 X-ray材质 38 Maya材质与渲染 教案 6(4微观世界,红细胞 第七章 二维渲染 近年来，随着Flash技术的流行和互联网深入人们的生活，仿Flash动画效果的广告和栏目包装开始在电视上大行其道。3D渲染成2D效果也逐渐开始成为一种潮流。于是各大三维软件商都有了相应的动作:Discreet推出Plasma网页三维软件。XSI也增强了其2D渲染能力，而第三方渲染器有Final Toon这样的佼佼者。 39 Maya材质与渲染 教案 7(1卡通渲染 7(2矢量渲染器 Maya在5.0就开始内置了RAVIX矢量渲染插件，它在兼容性、易用性和功能上所取得的平衡是最好的。 40 Maya材质与渲染 教案 7(3国画渲染 41 Maya材质与渲染 教案 参考资料 《Maya材质与渲染精解》 中国青年出版社 王冉/编著 《Wow～Book,材质、灯光与渲染篇》 中国电力出版社 陈宇/编著 《灯光与材质的视觉艺术》 人民邮电出版社 邓永坚/编著 《Maya渲染的艺术》 兵器工业出版社 郭涛 赵光宇/编著 《Maya极速引擎,材质篇》 电子工业出版社 完美动力/编著 42