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三维动画中灯光与渲染的探索与实现
三维动画中灯光与渲染的探索与实现
摘要
随着科技的动画产业的近几年的飞速发展，新兴的动画产业三维动画的地位无论是在国内外都是不可动摇的。
在我国的三维动画产业正以突飞猛进速度向前发展的同时，不得不提到在制作影片的过程中灯光与渲染的布局直接关系到了这些沁入大量心血作品的成败。
在一部三维动画的制作中，只依靠精致的模型和剧本的编排是不可能构成一部吸引观众眼球的作品的。
要想达到完美的动画效果，场景的基调和气氛是不可或缺的。
这些是可以通过灯光技巧的运用达到一定较为完美的程度。
由于软件只是没有真实的自然灯光，在动画中看似真实的自然灯光实际上也是有很多软件自带的简单灯光根据明暗关系相互依赖形成的[1]。
本文在灯光方面通过对三维动画中角色与场景灯光的布局，遵循的常规设置等的探讨结合作品中的实现来体现灯光技术的应用。
例如在灯光的布局总是要遵循自然环境的明暗关系。
体现场景的明暗分布结合真实场景。
我们不可能随意摆放几盏灯光就可以达到某种效果的，其中的技巧十分深奥。
同时前后期渲染工作的加入可以提高动画作品的质量，本文也就渲染的前后期工作进行研究和设计。
前期动画渲染工作主要对动画单帧图片进行渲染，考虑到后期制作的简便性，前期渲染往往采用分成渲染技术。
而后期渲染技术主要是在后期的合成软件中单帧图片的分层图层进行调节例如AE,Vegas,Premiere等。
最后渲染输出视频。
这样的视频就是所谓的毛片。
关键词：
三维动画，渲染，灯光
TheExplorationandImplementationofThe3DAnimationaboutLightingandRendering
Abstract
Alongwiththedevelopmentofscienceandtechnologyoftheanimationindustryinrecentyears,thestatusoftheemerginganimationindustrythethreedimensionalanimation,whereverathomeorabroad,isunshakable.Atthesametime,wehavetomentionthatthelayoutofthelighttorenderdirectlyrelatedtothesuccessorfailureoftheworks,duringtheproductionofthefilm.
Inathreedimensionalanimationproduction,itisimpossiblethatattractingaudiences’eyesonlydependedonthemodelorepisode.So,onlyincludetheatmosphereandmoodcantheproductiongettheperfect.Andthelightcouldbehelpful.Butthelightinthesoftisnottherealnaturallight.Inordertogettherealeffect,usingthevariouslightsisnecessary.Throughdiscussingthelayoutofthelight,parametricsettingandthepresentationofproduction,wecangetconcreterealization.Forinstance,itishavetocomplywiththeregularofthenaturallightandpayattentiontotheincorporationwithlightandshade.Wherever,wecannotexpectgettingtheeffectbyputtingseverallights.
Meanwhile,therendergiveapositiveinfluenceonthefinalpresentationofproduction.Studyinganddesigningtherenderinginalltheprogressisanothermainpointinthispaper.Earlyrenderingisfocusonthepicture,consideringtheconvenienceoftheaftereffect,itusuallyrendersseparate.Thelaterrenderisfinishinthevideoeditorsoft,suchasAE,VegasandPremiere,whichcancompoundallthepicturesandrenderthevideowhichiscalledsample.
Keywords:
three-dimensionalanimation,Render,Light
第1章绪论
1.1三维动画的概念
三维动画又称3D动画它是计算机科学，计算机图形学与传统视听传媒艺术形态结合的艺术形式，通过使用多样的表现手法，营造了较为真实的画面效果。
一个简单的三维动画流程就是通过在计算机中建立一个虚拟的世界，再根据需要建立模型场景等等，然后按照要求设定特定的运动轨迹，摄像机镜头的摆放，最后贴上材质，打上适当的灯光，进行渲染即可。
可以这么说，三维动画就是艺术与技术机密结合后得到的产物。
由于三维动画比平面动画更加直观，更能使得观赏者享受到一种身临其境的感觉因此现如今在原创动画片中占据了相当大的比重，近几年来，国产的优秀动画片也才开始用了此技术[2]。
1.2灯光与渲染技术的背景
动画制作精力了从逐帧制制作到计算机二维制作一直到当前的三维动画制作。
而三维场景中为了达到最终想要得到的真实效果就是需要建立不同的灯光。
灯光，目的是最大限度地模拟自然界的光线类型和人工光线类型。
在三维软件中自带灯光基本只有六种，目标聚光灯，目标平行光，自由聚光灯，自由平行光，泛光灯，天光。
但在实际应用中为了能够达到好的效果，需要自行设定灯光。
渲染是指根据场景的设置，灯光，材质等等由程序绘制出一幅效果图或者动画。
1.3研究的意义和目的
在三维动画的飞速发展中，为了使得作品能够脱颖而出，人们不单单追求剧本的独特性以及模型的精致性，越来越多的人们开始审视画面的质量的逼真性。
灯光和渲染此时就成为了整部动画作品制作中不可或缺的一个重要部分了。
在制作过程中，若能够合理的灯光布局，结合自然环境中明暗关系，同时准确地根据剧本的风格灵活地使用灯光，即可奠定作品的气氛。
这样有着精湛的灯光布局，这样子的作品使得观众身临其境。
整部作品的灵魂就可以得到充分地体现。
灯光可以认为是三维动画的灵魂，它不仅能够创造特定的环境气氛，而且它能够把这种气氛赋予感染力的在荧屏上表现出来，产生完全不一样的场景感觉。
灯光的照明总体控制着场景换面的效果，从而可以突出主题，渲染气氛。
灯光，物体和动画相结合可以产生很好的三维效果，灯光有助于表达特定的情感，能吸引观众的眼球到特定的位置，对整个动画有非常重要的作用。
与此同时，三维动画的渲染也比一般二维动画有着更强的表现力，三维动画渲染结合灯光，材质，贴图，渲染参数等渲染技术，同时渲染的图像有着许多的现在特性，有些特性只与一个算法相关，有些可能与多个有关，合理地分析不同渲染器所用的算法，在质量和时间都兼顾的条件下，充分地提高工作效率。
也是必不可少的一步。
1.4论文组织
第1章主要简介三维动画的概念以及发展背景，渲染和灯光技术在国内外的发展研究此问题的意义和目的何在。
第2章主要简介三维动画中灯光技术的运用，软件灯光的几种基本种类的介绍，3dmax中布光的要求，分层渲染技术和常见渲染器介绍。
第3章主要简介三维动画中渲染技术的技术体现，详细介绍在作品中运用到得V-Ray渲染器在场景中的使用，灯光的表现和渲染手法对传统动画的启发等。
第4章主要通过作品中来展示灯光和渲染的具体体现。
第2章用于三维动画中灯光的技术
2.1三维软件中灯光种类的简介
在三维软件在3dmax中可提供以了几种灯光例如环境光、泛光灯、平行光、聚光灯、天光。
环境光是对场景中的全部物体的所有部位均匀照明的灯光。
默认的环境光色是接近黑色的深灰色。
它位于主命令菜单中渲染/环境，可以用色块来选择标准颜色或调整RGB值来调整环境光的颜色，颜色越淡则环境光越亮。
一般情况下为了对比与调节模型材质色彩经常用环境光进行参照。
在室外场景中环境光的RGB通常设置为（84,213,250）。
环境灯光示设计如图2-1所示。
图2-1环境光设计图
泛光灯是一种点光源，它可以均匀地向四周照射，用于场景中普通照明，它位于灯光/泛光灯，是一个黄色小菱形图标，刻一张主命令面板的泛光灯参数区设置其参数并用选择移动命令将黄色的散射光图标拖动到适当位置，这样透视图中的光线随着散射光的移动而产生变化。
平行光是指向太阳那样的从无限远处照射过来的光源。
它又可分为两种，即目标平行光和自由平行光。
如果要在场景中表现激光束或阳光照射效果，就可以使用此灯光。
它位于灯光/平行光，同时在主命令板上设置定向光的各个参数，与泛光灯一样可以使用选择移动按钮，在各视图中调整定向光源与目标的位置和角度。
聚光灯是从一点发出的光束，离光源越远光束会变得越宽，它有一个照亮的照射中心，在一定的范围内产生衰减。
聚光灯有两种，即目标聚光灯和自由聚光灯。
它们的区别是目标聚光灯有明确可调整的目标，而自由聚光灯设有可调整的目标。
创建聚光灯的方法和创建定向光一样。
天光它是一个专门模拟地球上某地某时真实太阳光的外挂程序，用于模拟太阳光，且产生真实的阴影效果[3]。
2.2灯光布局的研究
3dmax可谓主流的三维动画制作软件，基本的布光原则也是相通的。
灯光的设置方法是没有固定死板的，因个人而言都有着一定的差异性。
在布光前应该对所需要的画面的明暗色彩分布有一定的设想，并要考虑到后续动画制作程序的简便性与时效性，有几点基本的规则是一定的。
第一，布光时要注意给灯光的设置留有一定的可调节的余地，便于产生微妙的光影的变换。
一定要避免灯光太亮，这样会适当整个场景缺了层次感，出现了曝光的现象会显得画面十分生硬。
第二，场景中的灯光不宜太多。
过多的灯火会使得工作过程的复杂度加大，很难处理画面，最重要的是过多的灯光直接影响到了渲染的速度。
保留必要的灯光就行。
有时可能通过材质贴图来代替灯光，比如在台灯的材质可以将调节自发光参数就可以达到满意的效果了。
第三，场景中要能到体现出灯光的明暗分布，具有一定的层次感是最好的。
在灯光放置中设置灯光的衰减参数，就是设置对应灯光开始淡入或淡出的距离。
这样也便于突出主体和真实感。
就像遵守现实世界中近浓远淡，近暗远亮这个常识，这样就便于达到三维的目的。
第四，遵守现实生活中灯光的形式，其实软件中的灯光并没有真实灯光的特点，它并不懂得阴影的重叠，当多个灯光同时使用时，要注意投影的准确位置。
努力实现对影调的总体设计，尽量避免与现实相背离的事情发生[4]。
2.3渲染器的探究
如今渲染器除了三维软件自带的渲染器重，还有许多渲染器受到广大三维制作者的青睐，例如V-Ray就是常见的一种渲染器并可以和3dmax软件很好的相兼容。
它是由chaosgroup和asgvis公司出品的。
V-Ray渲染器是个具有模拟现实光照的全局光渲染器，在静帧的图片以及动态画面。
同时，它拥有的照明的仿真功能可以帮助操作者完成类似照片的图像。
它也可以表现出高级的光线跟踪，以及散射的效果。
这些是3dmax自带的扫描线渲染器所没有的。
同时，它用于自己的材质例如发光材质，VR_材质包裹器，VR_混合材质，覆盖材质等。
假若在V-Ray渲染器中选用V-Ray材质可以获得更好的照明效果，较快的渲染速度以及更为方便的折射，反射等的参数调节。
除了材质以外，它也拥有自己的灯光例如V-Ray环境光，太阳光，光源等。
在渲染中使用这些灯光可以提高画面的品质但是也延长了渲染的速度。
通常情况下V-Ray灯光的使用使得渲染速度延长了数倍[5]。
2.4渲染速率提高的途径探究
2.4.1V-Ray渲染器参数设计
为了实现画面质量的完美性，在V-Ray渲染器中，通过全局光照明的方式来完成渲染，往往可以达到很好的效果，但是随着算法速度的复杂度加大，渲染的时间也加长。
例如同一个场景，是否开启全局照明所耗的时间相差数倍[6]。
例如对同一棵树的渲染开启全局照明所完成的时间是12.0s而没有开启的时间是3.2s。
开启全局光照明如图2-2所示。
图2-2全局光渲染示意图
未开启全局光如图2-3所示。
图2-3没开启全局光示意图
所以为了加快渲染速度又能满足渲染要求，可以一次反弹和二次反弹的全局照明渲染引擎的参数值来减少渲染时间，例如采用发光贴图。
当渲染场景中有大量的反射和折射材质时，可以先关闭渲染面板中的全局开关中的材质栏中的反射和折射选项，来提升渲染的速度，当最终渲染输出成品图时再增加相关参数值。
2.4.2模型与灯光对渲染速率的研究
一般在布光时采用加法原则来添加灯光，即先增加一盏灯，如环境需要的话再适当增加灯的数量，尽量做到不布多余灯光，因为在渲染输出时，灯光对于渲染速度的影响是巨大的，因此在渲染时，应该尽量减少灯光的数量。
当出现可有可无的灯光时，一定要将其删除。
场景中模型的数量以及复杂度也会影响渲染的速度。
因此精简模型，对摄像机照不到的场景可以适当的删去模型从而加快渲染速度。
根据这样的想法，在后期渲染中若进行分层渲染，最基本的即角色，场景，阴影分开渲染，最后可以在后期合成中在进行合并，这么不仅会加快渲染的速度，同时也使得灯光布置更简单方便[7]。
2.4.3网络渲染的设计对渲染速率的提高
网络渲染，这是3dmax软件自带的一种渲染方式，只是它适合多帧图像的渲染，把多帧图像分配到不同的网络计算机进行渲染，最后所有渲染完成的图片会直接保存到主计算机上，完成多帧图片。
具体操作就是将多台计算机连接成为一个小型局域网络，设置一台机子作为主计算机，它主要负责监控其他机器的渲染进程。
主计算机需要设置固定的IP地址，使得其他计算机可以查询并映射主计算机。
把所需要渲染的文件以及材质全部放入主计算机中，开启主计算机的管理器和监视器，提交所需渲染的文件。
其他机器开启服务器连接主计算机进行调用文件进行渲染，这样的情况下可以再同一时间多台机器共同渲染一个分镜。
这样的渲染速度可以提高数倍。
在主计算机的监视器中，可以对所需文件的渲染优先级进行更改[8]。
监视器优先级的体现如图2-4所示。
图2-4监视器示意图
监视器中默认的优先级均是50，这样渲染的顺序是按照提交的顺序进行的。
假若需要提供某一文件的优先级可以再监视器中直接修改优先级参数例如修改到49就可以排在队列的前面，优先级48的就排在了49的前面。
2.5分层渲染
分层渲染不仅仅可以提高渲染速度最重要的是便于后期合成渲染对镜头的特效等的调节。
这是三维动画渲染中必不可少的一步。
分层的方式基本上有两种，一种是根据物体的类别进行粗略分层。
比如一个镜头中有人物，有道具，有背景、那么根据镜头内容可以分为人物层、道具层、背景层等等。
另一种是按物体的颜色、阴影等层次进行的精细分层。
比如可以把物体按其显现的物理视觉属性分为基本色层、高光层、阴影层、投影层、反射层、折射层、发光层等。
在毕业设计的作品中我们是采用第一种分层方式进行渲染的[9]。
第3章三维动画灯光与渲染的技术表现
3.1三维动画灯光场景与角色灯光的表现
灯光的配置是三维动画场景中一个重要的组成部分了，不仅仅是照亮了整个场景，产生一定的反射效果，阴影等使得画面更加具有了真实性，同时奠定了画面的整体气氛。
灯光在场景中的布局主要遵循基本布光原则，灯光不要太混乱。
一般存在一个主光源，和若干个辅助光源，主灯光的亮度是所有存在的灯光中最强的，奠定了主要的场景气氛，例如夜晚的天空主光源以聚光灯为例，此聚光灯的亮度系数为0.45就可其余辅助灯光在0.01左右。
但是当时晴朗的白天时，同样的聚光灯，亮度系数需要调节到0.8左右，但其余辅助光源在0.02左右就可以了[10]。
其实在三维动画中，角色灯光的布局比场景灯光简单易行些。
它主要是运用三点照明的基本理论。
即在对人物进行灯光布局时，依然是运用主光灯辅助光。
首先要单独孤立出人物来进行灯光的设置，保证物体周围没有其他的光源。
然后加入主体光，就是照明角色用的主灯.用来表现最明显最主要的光影明暗效果。
从顶视图来看,灯的角度与摄像机的朝向在15到45度之间,一定不要超过45度。
整好位置角度后,在侧视图里把主体光的高度稍微抬高,使得在侧视图里与摄像机的朝向成15到45度角。
主体光一定要是场景里该角色面前最亮的一盏灯,因为它的主要作用是制造阴影,表现出最暗的部分。
接下来可以给物体加上一盏或多盏辅助光，这是为了体现间接照射产生的光源例如墙壁反射等[11]。
总而言之，一般对于角色甚至一些场景里的道具在灯光的布局时最为广泛和简便的方法就是三点照明理论。
掌握调整三盏灯的位置关系和强度的技巧切记在调整三盏灯的位置，角度的时候以摄像机为参照物，同时辅助光的数量无论是一盏还是多盏都不能超出主灯光的强度。
3.2三维动画渲染手法的表现
3.2.1V-Ray对场景表现
首先，V-Ray渲染器作为3dmax软件的一个插件，已完全融人3dmax软件系统中，V-Ray渲染器拥有自己的材质库，设置起来非常简单，很多参数和3dmax的材质参数设置方法一样，所以操作起来轻松。
同时他还有自带的灯光，例如在V-Ray中自带的天光就可以在场景渲染中首先开启天光，天光的色彩可以调节。
就可以达到用众多基本灯光才能得出的效果。
一般在晴朗的上午基调下，对室内为调节可以再屋外添加天光，并且设置天光的颜色来进行风格的定夺。
而RGB（181,223,225）是天光为淡蓝色就比较符合需要的环境。
同时也可以通过颜色的对比对模型材质等的色彩进行比较[12]。
V-Ray渲染最初天光的开启的示意图如图3-2所示。
图3-1V-Ray天光开启示意图
其次，添加辅助光源，并在渲染出图的设置中，它是通过全局照明来实现渲染的。
在场景中渲染时，在V-Ray环境栏中，勾选“全局光环境（天光）覆盖”及“反射，折射环境覆盖”选框组中的“开”复选框,适当调节强度与色温，在间接照明栏中的复选框选择“开”，计算场景中的间接光照明，将全局光引擎调整为发光贴图模式，由于一般采用引入发光贴图的方式来加快渲染速度。
在预览效果时可以将间接照明栏中把当前预置设置为“低”或“非常低”。
V-Ray渲染器辅助光源完成后的示意图如图3-2所示。
图3-2V-Ray渲染场景渲染示意图
总而言之，V-Ray渲染器有着优秀的全局光照系统，在灯光传递表现方面有着无与伦比的强大优势。
就制作出的效果而言，毋庸质疑，它的效果可以和任何一款渲染器相媲美只有掌握了V-Ray渲染器的特点和用途，并具备娴熟的操作技能与技巧．才可能渲染出优秀的作品来[13]。
3.2.2后期场景渲染的表现
所谓后期的渲染就是在前期通过V-Ray等渲染软件对镜头逐帧渲染完成后，放入后期视频编辑软件，进行镜头图像的调节按照规格渲染出连续播放的视频，在单帧图片放入后期软件中，需要根据分层渲染出的图片进行图片的叠加，并根据剧本的风格进行图片亮度的调节，然后根据前期渲染出的图片大小格式进行渲染输出。
例如前期单帧图片渲染出来的图片大小为720×576，帧率为25.0PAL像素比为1.0667那么，在后期的渲染输出的属性设置中也要与之对应。
在后期渲染输出视频的格式上存在许多视频格式，例如AVI,RMVBMPG,MP4等，不同的视频格式在清晰度以及文件大小压缩上也存在差异。
为展现高清的视频效果可以选择无压缩渲染，但与此同时文件大小也随之增大。
有些几分钟的短片若用到AVI格式的无压缩渲染就是几G的大小了[14]。
3.3三维动画灯光与渲染在表现手法上的优劣势
三维动画的制作软件对计算机配置的要求很高，尤其是关系到渲染速度的时候。
再好的的技术若没有好的硬件支持也形同虚构。
同时对风格统一的要求也是所有动画制作过程最为严格的要求。
但是三维软件的制作过程尤其是在灯光设置上面，毕竟是对软件的设置。
经常容易出现场景过分鲜艳，前后画面风格出现反差。
但是，我们不能够否认，三维动画对真实渲染的高技术表现力以及对制作速度的提高是之前所有二维动画无法超越的鸿沟。
第4章作品中灯光与渲染的体现
4.1作品制作流程中灯光与渲染的应用
作品《交流》的制作过程分为三大块，前期，中期和后期。
前期进行剧本的编排，剧本风格的设定以及分镜稿的绘制过程并进行模型的创建，中期包括根据作品的风格模型材质的制作，根据分镜稿进行角色动作与镜头的设计，灯光的布局以及前期角色与场景的渲染，后期包括了单帧图片的合成，音乐的配置，视频渲染的输出以及剪辑。
最终完成了作品。
在这次工作中灯光与渲染的技术主要体现在作品的中期角色和场景灯光的设定以及渲染逐帧图片，渲染速率的提高和后期合成中为渲染出高质量短片进行的参数设定以及后期光照的修改工作等。
4.2作品中灯光与渲染面临的问题
在这部短片，主要采用了V-Ray渲染器，使用到外景以及室内的场景，在灯光布局上面需要考虑室内灯光和场景灯光所用的差别。
于此同时由于存在大量移动的场景并且为了达到更自然的光与影的结合场景渲染均采用了全局光渲染，所以需要考虑灯光设计尽量减少数量保证渲染时间的合理性。
同时，在场景中大量存在木板和夹子在大范围移动如何，保证所投射灯光的平均性，防止出现忽明忽暗的效果需要找出合理的解决方法。
在渲染时由于时间有限为加快渲染速度，如何设置局域网进行网络渲染，分层渲染技术的涉及以及后期视频渲染的实现。
所以，这些灯光和渲染的问题是不可避免的产生了。
4.3作品中灯光布局的实现
作品中角色机器人，模型简单线条流畅但是由于头部较大，在灯光的使用时只要注意防止头部下方不要出现过黑的阴影，防止曝光就好。
这是最初对角色灯光设计时直接考虑到的两点。
所以在人物的灯光的实现上是用到两盏3dmax自带的两盏目标聚光灯以及由V-Ray渲染器所带的环境光，遵循三点布局法。
一盏聚光灯光照强度较大，一盏作为补助光源。
其余一盏等作为环境辅助光。
在作品男主人公的灯光上面，作为主光灯的聚光灯亮度调节到了0.55，灯光方向并与摄像机方向一致，这样可以大限度的照明。
辅助灯光的聚光灯与主光构成约45度角辅助光的亮度大约在0.15。
并且他们的目标点相融合，一般情况下是位于角色的头顶上方。
环境光，采用V-Ray的环境光强度2.5.这里的2.5与聚光灯的2.5强度是不同的。
在经过理论研究后，以为万无一失的布光放过产生了
最初摄像机的角色灯光示意图如4-1所示。
图4-1初始角色灯光示意图
但是在进行灯光的设计时，将主光灯与摄像机完全平行，造成角色身子光照不均匀，出现了块状亮斑在角色身上显得十分突兀。
角色几乎处于黑暗之中了。
平行摄像机照射主灯光产生的是效果如图4-2所示。
图4-2平行照射效果示意图
后来，发现这种现象的产生主要是由于灯光光线路径不对，最终不能
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