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光线控制很重要!《精灵鼠小弟》中的毛发渲染

发布时间:2018-11-17 19:57:24

电影《精灵鼠小弟》和《精灵鼠小弟2》中毛发可控性与环境光遮罩的处理值得我们深入探讨RenderMan渲染技术。
 
毛发可控性
 
如何解决恰当地给毛发和皮肤着色问题,在某种程度上是很现实且容易控制的,实际中是一项极富挑战性的项目。在《精灵鼠小弟》制作中,我们尝试在创建新模型之前使用传统的照明模型,这是很容易控制的。
 

 
当给毛皮使用更加传统的照明模式时(实质上是给一个非常小的圆柱体使用Lambert着色模型),我们遇到一些难题。首先,漫反射模型和光的贡献合并,如果圆柱体周围所有位置点都正常,光的方向会让毛发产生暗影。这是精确的但未必会产生引人入胜的图像效果。在我们的测试中,我们认为这种模型并不能满足要求的原因是毛皮所接收的更多的光是源于其他性质的毛皮所反射的光,这可能是全球照明解决方案的一部分,但将会产生高额的计算成本。
 

 
我们为毛皮选择制作一个新的漫反射光模型的原因是用TD光不够直观。大多数的TD光更善于表现表面光和遵循表面行为规则的光线。因此,我们所设计的照明模式以类似表面光照的方式开始,同时在皮毛长度上保持变化——以此达到逼真的效果。
 
为了在毛发当前点上获取精确的正常遮光,我们将基于毛发的正常表面向量和毛发当前点的正常向量混合。这些向量的混合是基于毛发当前点的切向量和毛发的正常表面向量之间的角度。角度越小,有助于正常遮光形成的正常表面越多。然后使用Lambertian模型计算该点的毛发强度,用于正常遮光。这样做的好处是允许用户照亮底层肌肤表面,当皮毛打开时可以获得预测结果。这也说明了独立毛发和每根毛发的沿长之间的遮光差异。
 
“环境光遮蔽”技术
 
在过去,大多数计算机图像照明技术依赖于一个非常简单的模型来接近环境光的贡献;并非来自特定的光源,取而代之的是一组环绕光设置。通过设置所反射的所有的实际光的计算成本十分昂贵,许多着色器给环境值一个替代常数(通常称之为Ka)。
 
这个常数一般由照明艺术家设置。它和附近的反射光近似。使用这样一个简易环境照明模型的弊端是显而易见的。不管其方向和形状如何,物体的所有不同面都将会得到相同的环境贡献。如果Ka值太高,会导致物体看起来呆板没有生气。
 

 
在这一区域多年来使用的方法是,设置Ka值为0(或接近0),从物体不同的方向使用更多的光来“填充”。这是常见的,当视觉效果光,有关键的主灯,边缘和填充;然后使用从地面和其他附近的物体的反射灯装置对那些光进行补充。这在专业的灯光艺术家手中可以产生令人折服的效果。
 
然而,在渲染大型平面物体的微小细节时(比如建筑物),前面所提及的技术并不能达到理想的效果。我们常会注意到现实世界中的细微之处容易被忽视,这样的视觉失误也是很明显的。
 
下面是结构、主光源和建筑物环境图
 

 
《精灵鼠小弟2》中,“环境光遮蔽”技术给予环境贡献准确、可控的模拟仿真计算机生成物质。这项技术,从概念上讲,包括安放两个大型区域灯—一个代表地面另一个代表天空——进入设置,然后精确地模拟所感兴趣的物体的这些光贡献。
 
这些计算对于实现射线跟踪阴影和区域光是最便利的方式。所以我们选择Exluna's Entropy的渲染器来生成我们的“环境光遮蔽”信息。该设置包括两个区域灯(实现比如太阳光着色效果)和一个简易的表面着色以取得合适的灯光样本,同时考虑物体使用射线追踪进行自阴影。
 
给区域灯足够的样本,这个过程会在物体的角落里产生平滑柔和的阴影和自然衰减光。
 
就《精灵鼠小弟2》中the Pishkin建筑物来说,这些照明计算为未来建筑物使用做储备(这是由于建筑的不可移动和不会变形特性)。这是通过计算“环境光遮蔽”通道来完成,然后作为一系列质地——每个补丁或者每组多边形的质地——进行存储。
然后着色器在“优先”几何结构上进行阴影计算,充分考虑建筑物的阴影物质并返回结果到Ci:有效地生成补丁的材质贴图。
 
具体实施中,我们生成了一套天空穹顶贡献的独立的材质贴图;在最终渲染阶段,地面反射贡献给建筑物着色时调整了两个新的环境光层次。如果在一个镜头中实现天空更加蔚蓝(或者更加)阴暗,天空穹顶贡献色彩在最终渲染阶段将在天空中进行改变,而不会产生昂贵的计算成本。
 

 《精灵鼠小弟2》中看到的the Pishkin的最终版本

最终结果是给予环境光更为精准的着色模型;这是可控的和有效的,只进行一次昂贵的计算,然后存储为材质贴图。
 
照明
 
有几个提供输入和相关照明过程的事项,包括:在导演和视觉效果总监的控制下设置参考项和创新过程。此外,值得一提的还有技术方面,包括:照明色彩空间和保持物体剪辑的时候不会变的太亮。
 
设置的参考球
 
当开始新的视觉效果镜头时,我们需要检查的第一件事情是参考球的设置。每一个设置中,视觉效果设置团队点击90%的白球、50%的灰球。这些球体可以通过显示照片和舞台照明设置中的一些东西来进行目测检查。
 
​90%的白球和50%的灰球有助于看到钥匙、填充物和相关色温产生的照明位置。柔光和反射板会封闭得更加柔和,同时光照衰退点将会更加锐利。相关的各种不同光的冷暖也会在这些物体上看到。
 

 
chrome或许是三者之中最有趣的,这是由于实际上包含(在其反射中)了整个镜头环境图(只是缺少球背后的东西)。从这个参照中,你可以(以一定的精确度)找出照明设置的光线位置,反射板的相关尺寸和色温。如果C.G.球和设置球运动匹配,软件可以解除球体打组并给予精确的设置反射图。
 
照相机的照明信号
 
当光线从镜头开始时,下一项将要重点关注的是来自感光底片自身的信号。通常,照明艺术家会仔细检查感光底片的所有信号来帮助决定角色、物体怎样在感光底片中被适时点燃。阴影的密度、色彩、位置和方向,都是检查的对象。高光和镜面特质也被用来作为空间和色彩参考。感光底片还要检查任何捕捉任务反射时发亮的物体,或者明亮的物体反射到被试者身上的光。
 

Stuart站立模型的参考材料镜头
 
基本上,常识和细致的观察被用于解析图像和建立计算机光照环境,以尽可能使设置匹配。
 
创意
 
一旦角色和物体在实景摄像中集成,创作过程才真正开始。这可能是照明过程中最重要的部分。通常包括摄制电影的一定数量的人员,包括:导演、视觉效果总监、或者计算机图像总监以及照明艺术家自己。目标是通过增加设置灯光,或者打破一点“常规”来加点设置中不可能的光来增强电影的情绪和现实感。
 

笼中的Margalo,展示了“创意”灯光的使用
 
对Stuart而言,我们决定他应当随时具有其自身特征的轮廓光。在一些场景中,发光器需要在感光底片上找到足够机智的理由给小老鼠加上轮廓光,以此表现他的英雄气质。既然我们已经控制了计算机生成光,我们也可以进行一些技巧;比如只有Stuart头部和衣服的上半部分所产生的轮廓光,让他的腿和脚与感光底片尽可能匹配,来同时完成创意任务和手动技术要求。
 

任意环境中Stuart的轮廓光
 
背光的猎鹰是另一个使用艺术优势照明的机会。猎鹰的羽毛有独立的背光控制,在他的翅膀和身体不同的地方,光线被用于突出其特质。
 
猎鹰翅膀的背光

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