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渲染三渲染篇
渲染（三）渲染篇
渲染基于三维场景来创建二维图像。
它使用已设置的光源、已应用的材质和环境设置（例如背景和雾化），为场景的几何图形着色。
渲染器可以生成真实准确的模拟光照效果，包括光线跟踪反射和折射以及全局照明。
一系列标准渲染预设、可重复使用的渲染参数均可以使用。
低质量预设适用于相对快速的预览渲染，而其他预设则适用于质量较高的渲染。
模型的建立方式对于优化渲染性能和图像质量来说非常重要。
一、渲染基础
（一）了解面法线和隐藏曲面
有几个常用步骤可用来加快渲染过程。
为了尽量缩短渲染模型的时间，最常用的方法是删除隐藏曲面或隐藏位于相机之外的对象。
此外，确保所有面法线朝向同一方向也可以加速渲染过程。
每一个建模曲面均由面组成。
这些面为三角形或四边形，并且每个面都有向内和向外的侧面。
面指向的方向由称为法线的矢量定义。
法线的方向指示面的前表面或外表面。
当法线统一指向同一向外的方向时，渲染器将处理每个面并渲染模型。
如果对任意法线进行了翻转（即方向向内），则渲染器将跳过这些法线，并在渲染图像中留下三角形或四边形的“孔”。
在观察到孔的实例中，通常表示存在以下两种情况之一：
“渲染设置”选项板中的“强制双面”被关闭，或者模型中本来就缺少该面。
如果缺少面，则需要手动重新构造面。
法线的方向由右手坐标系中绘制面的方式确定：
如果以逆时针方向绘制面，则法线向外；如果以顺时针方向绘制面，则法线向内。
应该以固定不变的方式绘制面。
注意实体对象的网格和法线都有正确的方向，这对创建要渲染的模型会有所帮助。
渲染时，渲染器将搜索所有指向远离视点方向的法线，并从场景中删除相关的面。
此删除步骤称为后向面剔除，由“渲染设置”选项板中的“强制双面”选项控制。
删除后向面之后，渲染器用一个Z缓冲区比较对象沿Z轴的相对距离。
如果Z缓冲区指明一个面遮挡了另一个面，则渲染器会消除隐藏的面。
消除的面在总面数中占的比例越大，节省的时间越多。
有时可能希望跳过后向面剔除这一步骤而保留后向面（例如，当对象透明时，由于对象的形状或方向而可以看到其两侧时，或者以可以看到其内部的视角渲染开口对象时）。
透明度也会影响到一个面是否应该隐藏另一个面。
在这种情况下，请确保已激活“强制双面”，并且无论面的法线指向哪个方向，均应对所有的面进行渲染。
如果正在渲染一个创建时并不想对其进行渲染的图形或通过其他产品创建的图形，则应使“强制双面”保持激活状态。
这样会确保正确渲染所有的面。
注意激活“强制双面”时渲染性能仅受轻微影响。
渲染器将对场景中的每个对象进行处理，即使那些位于相机之外并且不会出现在渲染视图中的对象。
良好的图层管理对于为渲染目的而建立的模型有益。
通过关闭包含不在视图中的对象的图层，可以显著提高渲染速度。
确保面的两条法线均得到渲染的步骤
1.依次单击“渲染”选项卡
“渲染”面板
“高级渲染设置”。
2.在“高级渲染设置”选项板的“材质”部分中，确保将“强制双面”设定为“开”。
3.渲染场景。
（二）最小化交叉的面和共面的面
某些类型的几何图形会出现一些特殊的渲染问题。
对象的复杂程度与其顶点和面的数量有关。
模型的面越多，渲染时花费的时间也越多。
保持图形中的几何结构简单可减少渲染花费的时间。
使用最少的面来描述一个曲面。
相交面
当两个对象互相横穿时，就产生了模型中的相交面。
对于概念设计的情况，将一个对象穿过另一个对象放置就是一种快速显示对象外观的方法。
但是，在两个对象相交处创建的边可能显示为波形。
下例中，左侧图像中的边显示为波形，但是在执行布尔并集后显示要更清晰一些。
当边看上去没有希望的那么精确时，请使用布尔运算（例如并集、交集和差集）。
更清晰精确的边可以更好地反映对象的外观。
共面的面
重叠和位于同一平面上的面（共面的面）会产生难以确定的结果，特别是对两个面应用的材质不同时。
下例中，当各面位于同一位置时将假象出现。
移动一个对象使其各面与其他对象不再位于同一平面内即可解决此问题。
扭曲的面
由于180度扭曲造成自身重叠的面也会产生难以确定的结果，因为该面的法线不容易定义。
在下例中，面由于穿过第二个和第三个角点而被扭曲，在发生扭曲的地方出现了假象。
尝试固定其表面带孔的模型时通常会遇到此问题。
例如，当为新面选择角点时，将穿过这些点而不是绕该孔以逆时针方向放置它们。
以正确的顺序选择角点即可避免此问题。
（三）平衡平滑几何图形的网格密度
渲染模型时，网格的密度将影响曲面的平滑度。
网格部件由顶点、面、多边形和边组成。
∙顶点是组成面或多边形角点的点。
∙面是曲面对象的三角形部分。
∙多边形是曲面对象的四边形部分。
∙边是面或多边形的边界。
在图形中，除将多面网格中的面看作邻接三角形以外，其他所有的面都有三个顶点。
为了渲染，将每个四边形的面都看成是一对共享一条边的三角形的面。
渲染器自动进行对象的平滑操作。
渲染过程中将出现两种类型的平滑操作。
一种平滑操作是跨曲面内插面法线。
另一种操作考虑了组成几何图形的面的数量（面计数）；面计数越大，曲面就越平滑，但是处理时间会越长。
虽然用户无法控制面法线的插值，但是可以使用VIEWRES命令和FACETRES系统变量控制曲线式对象的显示精度。
控制圆和圆弧的显示
VIEWRES命令控制当前视口中曲线二维线条（例如圆和圆弧）的显示精度。
下例中，直线段随着VIEWRES的降低（左上=1000，中间=100，右下=10）。
使用许多短直线段在屏幕上绘制出这些对象。
VIEWRES设置越高，显示的圆弧和圆就越平滑，但重新生成的时间也越长。
在绘图时，为了改善性能，可以将VIEWRES的值设定得低一些。
控制曲线时实体的显示
FACETRES控制网格密度以及着色和渲染曲线时实体的平滑度。
下例中，当FACETRES较低时，曲线几何图形上将显示镶嵌面。
FACETRES=0.25。
将FACETRES设定为1时，在圆和圆弧的查看分辨率与镶嵌（一种细分实体对象的面的方法）之间存在一对一的关联。
例如，当FACETRES设定为2时，镶嵌将是VIEWRES所设定镶嵌的两倍。
FACETRES的默认值为0.5，可能值范围介于0.01到10之间。
增加和减少VIEWRES值时，将影响由VIEWRES和FACETRES共同控制的对象。
增加和减少FACETRES的值，仅影响实体对象。
下例中，将FACETRES的值设定得越高，显示的几何图形就越平滑。
FACETRES=5。
改变实体几何图形的渲染分辨率的步骤
1.在命令提示下，输入facetres。
2.执行以下操作之一：
∙输入一个大于0.5的值以增加曲面的平滑度。
∙输入一个小于0.5的值以降低曲面的平滑度。
改变圆弧和圆的显示器分辨率的步骤
1.在命令提示下，输入viewres。
2.如果只是希望使渲染图形中的圆和圆弧看起来更漂亮，可以忽略有关快速缩放的提示。
3.在“圆的缩放百分比”提示下，执行以下操作之一：
∙输入一个大于1000的值以增加圆弧和圆的平滑度。
∙输入一个小于1000的值以降低圆弧和圆的平滑度。
二、使用“渲染设置”选项板
“渲染设置”选项板包含渲染器的主要控件。
可以从预定义的渲染设置中选择，也可以进行自定义设置。
选项板被分为从基本设置到高级设置的若干部分。
“常规”部分包含了影响模型的渲染方式、材质和阴影的处理方式以及反走样执行方式的设置。
（反走样可以削弱曲线或边在边界处的锯齿效果）。
“光线跟踪”部分控制如何产生着色。
“间接发光”部分用于控制光源特性、场景照明方式以及是否进行全局照明和最终聚集。
还可以使用诊断控件来帮助了解图像没有按照预期效果进行渲染的原因。
渲染预设
可以从一个下拉列表中选择一组预定义的渲染设置（称为渲染预设）。
渲染预设存储了多组设置，使渲染器可以产生不同质量的图像。
标准预设的范围从草图质量（用于快速测试图像）到演示质量（提供真实照片级图像）。
还可以打开渲染预设管理器，从中可以创建自定义预设。
从“高级渲染设置”选项板创建自定义渲染预设的步骤
1.在命令提示下，输入rpref。
2.在“高级渲染设置”选项板中，选择现有的标准预设或自定义预设。
3.对要用于渲染的设置进行更改。
请注意，原始的渲染预设带有“*”前缀，表示它已被更改。
4.渲染模型。
5.要将更改的渲染设置保存为新的自定义渲染预设，请执行以下步骤之一：
∙在“高级渲染设置”选项板顶部的“预设名称”字段中单击，然后输入新名称。
∙在功能区中“渲染”面板上的“渲染预设”字段中单击，然后输入新名称。
三、创建自定义渲染预设
当指定的一组渲染设置能够实现想要的渲染效果时，可以将其保存为自定义预设，以便可以快速地重复使用这些设置。
使用标准预设作为基础，可以尝试各种设置并查看渲染图像的外观。
如果用户对结果感到满意，可以创建一个新的自定义预设。
可以通过以下方式查看和更改图形中任意预设的渲染设置：
∙管理和组织现有的渲染预设。
∙更改标准预设或现有的自定义预设的参数。
∙创建、更新或删除自定义渲染预设。
∙设定渲染器使用的渲染预设。
树状图窗格中显示了与当前图形一起存储的所有预设。
树状图分为标准渲染预设和用户已创建的所有自定义预设。
通过在树状图中将一个预设拖动到另一个预设的上方，可以更改标准预设和自定义预设的顺序。
创建新预设时，该预设始终被添加到“自定义渲染预设”分支。
它还将显示在功能区的“渲染”面板以及“渲染设置”选项板中的“渲染预设”列表中。
“渲染设置”选项板中的许多渲染设置也可以在渲染预设管理器中进行设定。
使用标准预设作为基础，可以对设置进行调整，然后查看渲染图像的外观。
如果用户对结果感到满意，可以创建一个新的自定义预设。
仅可以删除自定义渲染预设。
如果选择了标准预设，则“删除”按钮将处于非激活状态。
要使渲染器使用某个渲染预设，必须将该预设置为当前。
虽然在渲染预设管理器中可以选择要编辑的预设，但要使渲染器使用这些预设，则必须单击“置为当前”按钮。
否则，将使用在功能区的“渲染”面板或“高级渲染设置”选项板上选择的预设。
如果更改了标准渲染预设，该预设的名称前将出现一个星号，表示其原始设置已被更改。
如果渲染结果符合要求，则可以通过在功能区的“渲染”面板或“渲染设置”选项板上的预设列表中输入新名称来保存该预设。
如果更改了自定义渲染预设的设置，则可以输入一个新名称来创建新的自定义渲染预设，也可以选择从功能区的“渲染”面板或“渲染设置”选项板上的预设列表更新该预设。
从渲染预设管理器创建自定义渲染预设的步骤
1.依次单击“渲染”选项卡
“渲染”面板
“渲染预设”下拉菜单
“渲染预设管理器”。
2.在渲染预设管理器中，选择现有的标准预设或自定义预设。
3.单击“创建副本”按钮并为新预设指定名称。
单击“确定”。
新预设将显示在树状图中的“自定义渲染预设”分支下。
编辑自定义渲染预设的步骤
1.依次单击“渲染”选项卡
“渲染”面板
“渲染预设”下拉菜单
“渲染预设管理器”。
2.在渲染预设管理器中，选择现有的自定义预设。
3.在渲染设置部分中作出调整。
预设名称前面将显示星号，表示该预设已被更改。
4.单击“置为当前”按钮，然后渲染场景。
如果渲染结果良好，可以选择更新当前预设或重新打开“渲染预设管理器”并创建一个新的自定义预设。
四、控制渲染环境
可以使用环境功能来设置雾化效果或背景图像。
可以通过雾化效果（例如雾化和景深效果处理）或将位图图像添加为背景来增强渲染图像。
雾化/景深效果处理效果
雾化和景深效果处理是非常相似的大气效果，可以使对象随着距相机距离的增大而淡入显示。
雾化使用白色，而景深效果处理使用黑色。
RENDERENVIRONMENT命令用于设置雾化或景深效果处理参数。
要设定的关键参数包括：
雾化或景深效果处理的颜色、近距离和远距离以及近处雾化百分率和远处雾化百分率。
雾化和景深效果处理均基于相机的前向或后向剪裁平面，以及“渲染环境”对话框上的近距离和远距离设置。
例如，相机的后向剪裁平面处于活动状态，并且距离相机30英尺。
如果要从距相机15英尺处开始雾化并且无限延伸，请将“近距离”设定为50，“远距离”设定为100。
雾化或景深效果处理的密度由近处雾化百分率和远处雾化百分率来控制。
这些设置的范围从0.0001到100。
值越高表示雾化或景深效果处理越不透明。
提示对于比例较小的模型，“近处雾化百分率”和“远处雾化百分率”设置可能需要设定在1.0以下才能查看想要的效果。
背景
背景主要是显示在模型后面的背景幕。
背景可以是单色、多色渐变色或位图图像。
渲染静止图像时，或者渲染其中的视图不变化或相机不移动的动画时，使用背景效果最佳。
设定以后，背景将与命名视图或相机相关联，并且与图形一起保存。
可以通过视图管理器设定背景。
使用雾化/景深效果处理的步骤
1.选择相机并打开其特性选项板。
2.打开相机的前向或后向剪裁平面。
3.设定剪裁平面偏移值。
4.依次单击“可视化”选项卡
“渲染”面板
“环境”。
在命令提示下，输入renderenvironment。
5.打开“启用雾化”，然后设定雾化或景深效果处理的颜色。
通常，浅色用于雾化，而深色用于景深效果处理。
6.设定“近距离”和“远距离”的值以指定雾化开始和结束的位置。
7.使用“近处雾化百分率”和“远处雾化百分率”的值来设定雾化或景深效果处理的不透明度。
单击“确定”。
8.渲染模型。
为命名视图设定背景的步骤
1.在命令提示下，输入view。
2.在视图管理器中，从“模型视图”列表中选择现有的命名视图。
3.在“常规”面板上，单击“背景替代”列表并依次选择“实体”、“渐变色”或“图像”。
4.在“背景”对话框中，设定颜色或选择要用作背景的位图图像。
单击“确定”。
5.单击“确定”关闭视图管理器。
6.在功能区中，从“视图”选项卡
“视口”面板上的下拉列表中选择命名视图。
7.渲染场景。
编辑命名视图的背景的步骤
1.在命令提示下，输入view。
2.在视图管理器中，从“模型视图”列表中选择现有的命名视图。
3.在“常规”面板上，单击“背景替代”列表并选择“编辑”。
4.在“背景”对话框中，设定新的颜色或选择一个新位图图形作为背景。
单击“确定”。
5.单击“确定”关闭视图管理器。
6.在功能区中，从“视图”选项卡
“视口”面板上的下拉列表中选择命名视图
7.渲染场景。
五、设定渲染目标
渲染图像或渲染场景，是以视口或窗口为渲染目标。
可通过“渲染描述”部分的“高级渲染设置”选项板设定。
默认的设置为“窗口”。
渲染，渲染器将自动打开“渲染”窗口，然后处理图像。
“渲染”窗口的背景色与背景色相匹配。
渲染完成后，系统将显示图像并创建一条历史记录。
通过多次渲染，用户可以快速查看以前的图像并对其进行比较，以查看哪幅图像具有期望的结果。
可以从“渲染”窗口中保存要保留的图像。
渲染目标设定为“视口”，将直接在活动视口中渲染和显示生成的图像。
渲染目标设定为“视口”，无渲染历史记录条目，是一个一次性渲染。
如果要保留已渲染到视口的图像，可以使用SAVEIMG命令保存这些图像。
渲染到视口始终以用户设定的绘图区域背景色进行渲染。
使用REGEN命令来刷新显示。
设定渲染目标的步骤
1.在命令提示下，输入rpref。
2.在“高级渲染设置”选项板中，滚动到选项板的顶部。
在“常规”下，打开“渲染描述”展开（如果需要）。
3.打开“目标”列表，然后选择“窗口”或“视口”。
4.渲染场景。
六、渲染视图、选定的对象或修剪的内容
可以渲染整个视图、一组选定的对象或者在视口中的可见部分。
渲染视图
默认情况下，渲染过程为渲染图形内当前视图中的所有对象。
如果没有打开命名视图或相机视图，则渲染当前视图。
虽然在渲染关键对象或视图的较小部分时渲染速度较快，但渲染整个视图可以让用户看到所有对象之间的相互定位。
如果当前图形包含命名视图，或者如果已将相机添加到模型，可以使用VIEW命令进行快速显示。
下例，显示命名视图的渲染。
根据已选定的渲染目标，渲染视图将显示在“渲染”窗口中或直接显示在视口中。
有关“渲染”窗口的详细说明，请参见“RENDER命令。
渲染选定的对象
如果要为特定对象添加细节，为了不浪费时间渲染整个视口。
可通过渲染过程中的“选定”方式进行渲染。
此时，系统将提示用户拾取要渲染的对象。
下例，显示渲染第一个瓶子、它的塞子和酒杯。
测试不同的材质（尤其是包含纹理贴图的材质）时，渲染对象的选择非常有效。
通过渲染选定的对象，可以快速验证材质的外观以及是否必须修改其纹理坐标。
渲染修剪的面域
有时仅需要渲染视口中所显示对象的一部分，但是仍然希望看到某些周围环境。
下例中，渲染第三个瓶子和酒杯含周围的面域。
通过将渲染过程设定为“修剪”，可以指定较小要渲染的视口面域。
与通过窗口选择对象类似，用户可以在视口中设定矩形面域。
显示在该面域中的任何对象都将进行渲染。
渲染器将忽略该面域外部的所有对象。
注意只有修剪的渲染显示在视口中。
使用REGEN命令来刷新显示。
渲染视图步骤
1.显示模型的三维视图。
2.依次单击“渲染”选项卡
“渲染”面板
“高级渲染设置”。
3.选择某个渲染预设来控制渲染输出的质量和速度。
“草图”预设速度很快，但质量低。
“演示”生成的图像质量高，但渲染的时间长得多。
4.将“目标”设定为“窗口”或“视口”以指定希望渲染图像显示的位置。
如果设定了图像目标，该图像将直接保存到文件，并显示在屏幕上。
5.渲染场景。
渲染对象步骤
1.依次单击“渲染”选项卡
“渲染”面板
“高级渲染设置”。
2.选择某个渲染预设来控制渲染输出的质量和速度。
“草图”预设速度很快，但质量低。
“演示”生成的图像质量高，但渲染的时间长得多。
3.将渲染过程设定为“选定”。
4.选择模型中要渲染的对象。
5.渲染场景。
渲染修剪视图的步骤
1.在命令提示下，输入rendercrop。
2.指定视口中要渲染的窗口。
3.渲染场景。
七、设定输出分辨率
以像素为单位指定图像的宽度和高度设定渲染图像分辨率。
默认的输出分辨率为640x480，最高可设定为4,096x4,096。
分辨率越高，像素越少并且细节越清楚。
高分辨率图像花费的渲染时间长。
通过“输出尺寸”设定输出分辨率。
可以在宽度和高度字段中直接输入值，也可以通过旋转式控制提高或降低分辨率。
设定输出分辨率时，该分辨率将与当前图形一起存储，并被添加到功能区中“渲染”面板中的输出分辨率列表中。
用户在测试模型中对象的显示外观时，通常使用较低的分辨率设置，大约为320x200或更低。
由于添加了更多细节和材质，用户将转为使用中等设置，例如640x480。
最终渲染往往使用工程所需的最高分辨率（1024x768或更高）。
宽高比描述静态图像或动画中画面的比例，以宽度与高度的比值表示，与图像的分辨率无关。
图像的宽高比由“图像宽高比”设置控制。
宽高比通常使用宽度与高度的比率（例如4:
3）或乘数（例如1.333）来表示。
更改此值将更改高度值，从而可以保持输出分辨率的正确大小。
下例显示了各种宽高比。
如果选择锁定图像宽高比，则宽度和高度将联系在一起，因此更改其中一个时另一个将会自动更改，从而可以保持宽高比不变。
八、材质调整
向对象添加材质会显著增强模型的真实感。
在渲染环境中，材质描述对象如何反射或发射光线。
在材质中，贴图可以模拟纹理、凹凸效果、反射或折射。
从“高级渲染设置”选项板中，可以打开或关闭材质、打开或关闭材质过滤以及控制如何渲染对象表面。
用户创建并已附着到模型中的对象的材质通常会在渲染过程开始时打开。
如果将其关闭，则模型中所有的对象将采用全局材质的特性。
纹理过滤
用户可以控制在渲染模型时是否进行纹理过滤，即在反走样中使用像素均衡。
打开纹理过滤时，渲染器将使用棱锥体过滤方法，该方法将过滤用作距离函数。
注意在应用到向远处倾斜曲面的局部纹理贴图上可能会产生不规则的反走样。
当纹理过滤处于活动状态时，渲染时间会略有增加。
需要分配给棱锥体过滤的内存约为纹理贴图大小的133％。
与纹理贴图材质所提供的细节和真实感相比，渲染性能不会受到太大影响。
关闭纹理过滤后，当渲染器处理模型时，纹理贴图上不会产生反走样。
双面渲染
由于用户无法控制面法线的指向，因此可能遇到具有翻转法线的模型。
渲染器不显示面的背面。
这意味着从背面观察面时，显示为缺少该面。
创建对象时其面法线通常朝向外，但是也可能会创建带有翻转面的对象或输入面法线不统一的复杂几何图形。
激活“强制双面”后，面的两个侧面均被光线跟踪和着色。
虽然这会略微增加渲染时间，但还是比试图修改翻转面要快。
九、调整采样以提高图像质量
可以使用若干标准渲染预设来消除对角线和曲线式边显示的锯齿效果。
由于显示器上的图像由固定网格上的不连续像素组成，因此使用“草图”或“低”渲染预设渲染的场景会产生锯齿状的不精确图像。
下例中，图像质量严重下降-最小样例数=1/64；最大样例数=1/4。
分辨率越高（像素越小），锯齿情况越少。
然而，最好使用反走样技术来进一步减少锯齿。
渲染器使用的反走样技术称为采样。
采样由“高级渲染设置”选项板上的样例和过滤器设置控制。
采样为每个渲染像素提供“最佳推测”颜色。
渲染器首先采样像素内或沿像素边缘的某些位置的场景颜色，然后使用过滤器将这些样例结合到单一的像素颜色中。
增加采样范围的最小值和最大值可以大大提高渲染的质量。
下例中，增加的采样可以使边界平滑-最小样例数=1；最大样例数=16。
共有五种过滤器方法：
Box（箱体）、Gauss（高斯）、Triangle（三角）、Mitchell（米切尔）和Lanczos（蓝佐斯）。
默认的方法为Box，这也是最快的方法。
Mitchell通常是最精确的方法。
Box过滤器均匀地结合样例，但不对其进行加权。
其他每种过滤器在结合样例前都使用特定的曲线对样例进行加权。
套用反走样技术需要至少在两方面做出平衡。
∙额外计算。
必须对较为复杂的线条或边界上的像素，以及背景中的相邻像素进行分析，才能添加中间着色。
∙直线变粗。
虽然反走样直线看上去更加平滑，但是它肯定比锯齿线粗。
在渲染之前，必须确定预计要花费的渲染时间，以及最后希望得到的渲染效果。
需要权衡的这两个方面部分取决于用户使用的硬件，部分取决于客户的要求。
标准渲染预设提供五种反走样级别。
“草图”被设定为使用反走样的最低级别，但其渲染速度最快。
每高一个级别，计算速度也会随之减慢。
让该程序来决定对给定像素进行多少次采样计算可以使反走样算法更加有效。
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