汪浩文，張 捷

(南京航空航天大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院， 南京 211106)

渲染是一種基于虛擬場景的圖像處理行為，在最高抽象層次上，渲染行為可表示為場景描述與圖像間的轉(zhuǎn)換。動畫、集合建模、紋理機(jī)制等相關(guān)算法通過某種處理過程傳遞結(jié)果，進(jìn)而在圖像中呈現(xiàn)[1]。古建筑的渲染難點主要體現(xiàn)在建筑構(gòu)件豐富、紋理多樣以及對室內(nèi)外光照要求高，在渲染中會出現(xiàn)光線跟蹤或色溢等，畫面極易出現(xiàn)噪點及黑斑現(xiàn)象[2-3]，難以達(dá)到預(yù)期效果。此外，古建渲染時間較長，對計算機(jī)硬件消耗高，不利于整體細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)。因此，找尋高效、高真實度的仿真渲染方法是古建數(shù)字化呈現(xiàn)與數(shù)字化保護(hù)領(lǐng)域中值得探討的新課題。

1 全局光照原理的分析

全局光照渲染原理是基于環(huán)境中所有表面和光源相互作用的照射效果，整個渲染過程描述了能量從光源發(fā)射，經(jīng)過不同材質(zhì)表面的多次反射、折射、焦散等，最后進(jìn)入人眼。在這個過程中，光線強(qiáng)度、材質(zhì)的物理屬性是一種互相依托的關(guān)系[4]，因此要達(dá)到高真實度的渲染效果，必須從全局光照的渲染原理及特點出發(fā)進(jìn)行分析。

1.1 光線追蹤

光線追蹤是一種將光線投射算法進(jìn)行擴(kuò)展的遞歸算法，由于光線經(jīng)過多次反彈后可以抵達(dá)某一表面，需要跟蹤源自對象表面處的相關(guān)光線來捕捉視覺信息。經(jīng)過光線跟蹤后的圖像處理效果非常清晰，明暗對比強(qiáng)烈、物體的陰影邊緣明顯，并具備反射沒有模糊、失真等優(yōu)勢，適用于模擬晴天正午太陽光下或強(qiáng)光下的場景，對于自然光或柔光下的場景并不適用，因為它無法呈現(xiàn)較模糊的陰影效果。

1.2 光子的發(fā)射和傳播

任何光源都存在能量分布，光子的發(fā)射分布與光源的能量分布息息相關(guān)，當(dāng)光子都具有相同能量時，光子圖也能夠達(dá)到最理想的渲染效果。此外，當(dāng)場景中多個光源共同發(fā)射光子時，渲染引擎會根據(jù)光源的強(qiáng)弱對光子進(jìn)行自適應(yīng)分布，即強(qiáng)光源光子數(shù)量多，弱光源光子數(shù)量少，需盡可能保證每個光子攜帶的能量相近。被發(fā)射的光子會在場景中傳播，跟蹤光子與跟蹤一條光線的方法大致相同。假設(shè)光源為單色光，對于一個具有漫反射系數(shù)a和鏡面反射系數(shù)b(b+a≤1)的表面，需要決定經(jīng)過此表面的光子是被漫反射、鏡面反射，還是被吸收。這里使用一個隨機(jī)變量M∈[0，1]:

這樣，光子的總能量不變，只是根據(jù)物體的隨機(jī)數(shù)和表面的反射特性來決定光子的反彈去向。最后，光源的能量將被平均分配給光子，以確保渲染計算的正確性。

1.3 光子圖的應(yīng)用

光子圖是一種用于記錄光子信息的貼圖文件。在場景中，當(dāng)光子與非鏡面物體相交，需要把光子信息保存到光子圖中。光子圖包含直接光子、間接光子及焦散光子3種信息。直接光子是光源發(fā)射光子與非鏡面物體第一次進(jìn)行相交的記錄，間接光子是光子與非鏡面物體第1次相交后，經(jīng)過2次反彈與其他物體進(jìn)行相交的記錄，而焦散光子是光子與鏡面物體第1次相交后，又與其他物體相交的記錄。光子圖被創(chuàng)建以后，渲染引擎可以通過光子圖上的信息，利用統(tǒng)計學(xué)中的密度估算法判定空間中任何一點的光照信息，也可以渲染比光子圖像素尺寸更大的圖紙。這里值得注意的是：光子的能量越大，光子的密度也就越大，估算的參考信息越充分，也會使渲染計算更加精準(zhǔn)。

1.4 采樣細(xì)分

采樣細(xì)分是針對場景中模型、材質(zhì)以及燈光進(jìn)行著色處理的過程。它能夠通過自適應(yīng)細(xì)分、極限噪波、最小采樣對渲染質(zhì)量進(jìn)行全面提升，也可以從模型的網(wǎng)格、圖像光滑度以及圖元信息3方面對場景進(jìn)行綜合優(yōu)化[5-7]。

自適應(yīng)細(xì)分是將模型網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分的過程[8]，網(wǎng)格細(xì)分程度越高，模型的渲染質(zhì)量越理想，渲染計算時間也越長。因此，理想的處理方法是結(jié)合模型的形態(tài)與網(wǎng)格布線的樣式，在模型的重點結(jié)構(gòu)區(qū)域增加細(xì)分，而對于模型的非重點區(qū)域可以適當(dāng)減少細(xì)分，在保證渲染精度的同時也能使硬件低資源消耗。極限噪波是針對光子傳播時出現(xiàn)的噪點進(jìn)行優(yōu)化的過程，極限噪波數(shù)值越小，圖像處理得越光滑，在具體的應(yīng)用中可以均衡處理，將場景的受光部分減小數(shù)值，而逆光部分可以適度加大數(shù)值。最小采樣是針對場景中的圖元信息進(jìn)行獲取的過程，采樣值越大，采樣范圍內(nèi)的圖元信息越廣，渲染時間越長，光線的真實度也越理想。

2 古建筑渲染流程的思考

古建渲染過程是一項系統(tǒng)性流程。其中，渲染的質(zhì)量將與模型、燈光、材質(zhì)相互關(guān)聯(lián)，也需要根據(jù)渲染測試反復(fù)地推敲渲染引擎中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。一般情況下，由于古建場景面片較多，渲染時間較長，需要合理地設(shè)計一套較為高效的渲染優(yōu)化流程[9-10]。

2.1 渲染中的邏輯關(guān)系

高質(zhì)量渲染并非是僅依靠參數(shù)設(shè)置去完成的，而是應(yīng)從模型、材質(zhì)以及燈光的三者之間的邏輯展開分析，從而尋找最佳的解決方案。由于古建結(jié)構(gòu)層級較多，可以按照實際層級，如瓦面層、梁架層、斗拱層、柱礎(chǔ)層及裝飾層，對模型構(gòu)件進(jìn)行成組與分類，便于后期材質(zhì)及UV(UVW map)的整體調(diào)整[11-12]。此外，當(dāng)模型面片數(shù)量過多，需要在布光前對模型進(jìn)行面片優(yōu)化，可以有效減少光子在面片間來回反彈的時間，避免渲染出現(xiàn)重影、曝光、破面等錯誤。

對于材質(zhì)而言，它與模型、燈光是相互影響的。模型精度不夠，可以通過材質(zhì)中的遮罩、凹凸、置換等方式進(jìn)行改善。材質(zhì)的紋理、反射、折射等物理屬性與燈光計算相互影響。紋理明度過亮、飽和度過高、反射及折射過強(qiáng)均會導(dǎo)致燈光在計算時色溢過重。因此，理想的方法是完成紋理貼圖后，先對燈光進(jìn)行渲染測試，再根據(jù)渲染效果逆向調(diào)整材質(zhì)屬性。

燈光主要包括直接照明與間接照明兩部分。燈光不僅對模型、材質(zhì)進(jìn)行仿真，還能改善場景氛圍，尤其對歷史久遠(yuǎn)的古建而言，它的光照強(qiáng)度、衰減、色溫、光子分布都可以為模型的精度、色調(diào)以及材質(zhì)細(xì)節(jié)增添感染力。

2.2 確立渲染流程

基于對渲染邏輯關(guān)系的分析，首先可以提出在渲染前應(yīng)優(yōu)化模型冗余面片，并按照層級名稱成組，統(tǒng)一設(shè)置材質(zhì)并調(diào)整UV。其中，對一些曲面造型或紋理坐標(biāo)有特殊要求的模型，如雕塑、吻獸、鏤空雕等部件可以單獨使用UV拆分，之后再布置場景的主光源與輔助光源，然后以較低的引擎參數(shù)快速測試，根據(jù)場景的實際渲染效果調(diào)整相關(guān)燈光屬性，直至燈光確定后，再調(diào)整紋理的反射、折射及焦散等相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行二次測試。若測試后的效果能夠達(dá)到較理想的要求，可以提高渲染引擎的出圖規(guī)格，渲染最終圖紙，完成整套流程(見圖1)。

圖1 渲染流程

3 古建筑渲染方法的思考

古建筑的渲染方法主要基于模型的優(yōu)化、燈光、材質(zhì)以及渲染引擎的設(shè)置。通過渲染既要展示場景的造型細(xì)節(jié)，突出高仿真效果，也要控制好色溢關(guān)系，確保環(huán)境色調(diào)與古建筑整體氛圍相融洽。一個高質(zhì)量的渲染結(jié)果往往需要經(jīng)歷多次測試來實現(xiàn)。本文采用目前普及度較高的3dsMax插件Vray作為古建的渲染研究平臺。

3.1 模型的優(yōu)化方法

古建的面片數(shù)量較多，導(dǎo)致渲染效率低下。因此，在渲染前需要對模型進(jìn)行優(yōu)化，有以下3種方法：① 可以刪除因遮擋無法看見的模型面片。例如,古建模型中的梁架層、斗拱層與柱礎(chǔ)層存在很多榫卯咬合現(xiàn)象，類似的隱藏面片應(yīng)全部刪除(如圖2)；② 對于有特殊精度要求的模型，如家具或雕塑等模型可以采用段數(shù)控制法優(yōu)化模型,即通過面片塌陷、合并去減少不明顯影響模型精度的面片(如圖3);③ 由于渲染引擎對面片中的凹多邊形的計算時間明顯高于凸多邊形，可以適當(dāng)?shù)貙⒎侵黧w結(jié)構(gòu)中的凹多邊形分割成若干個較小的凸多邊形(圖4)，進(jìn)而提高渲染效率。

圖2 需刪除的面片

圖3 段數(shù)的優(yōu)化

圖4 多邊形分割

3.2 燈光的渲染方法

燈光是渲染中的重要環(huán)節(jié)，它主要包括自然光照明與人工光照明兩部分。燈光的角度、強(qiáng)度、色溫以及光照衰減的實現(xiàn)，需要通過多次測試才能夠找到最佳的解決方案。

3.2.1 自然光照明的實現(xiàn)

自然光照明可分為陽光照明與天光照明。在布光過程中，可以先確定陽光的入射角度并測試建筑構(gòu)件的陰影傾斜效果，再利用實時渲染對陽光、天光的其他屬性進(jìn)行確認(rèn)。此外，由于不同時段的光線強(qiáng)度、色溫及渾濁度各不相同，可以根據(jù)實際情況靈活調(diào)整。例如,模擬大規(guī)模古建群氣勢磅礴的特征，可以采用正午明亮的光效設(shè)置，將陽光入射角調(diào)節(jié)為60°～90°，以提高光照強(qiáng)度，降低渾濁度和光照衰減，調(diào)整天光為淺藍(lán)色。在渲染引擎中開啟光線跟蹤，使古建陰影邊緣更加銳利，對比關(guān)系強(qiáng)烈、色調(diào)冷峻(如圖5)。再例如,想要突出古建的古樸質(zhì)感，可以通過模擬傍晚黃昏的光效，將陽光入射角更改為小于45°，以降低光線強(qiáng)度，提高渾濁度和光照衰減，設(shè)置天光為橘黃色，關(guān)閉渲染引擎中的光線跟蹤，使建筑陰影變得細(xì)長，邊緣過渡模糊，使建筑輪廓在黃昏環(huán)境中若隱若現(xiàn)，整體對比關(guān)系柔和(如圖6)。經(jīng)測試，相關(guān)時段的照明參數(shù)取值見表1。

表1 不同時段的自然光照明的設(shè)置

3.2.2 人工照明的實現(xiàn)

人工照明主要包括局部照明與輔助光源，應(yīng)用于古建室內(nèi)空間為多，局部照明的布光方式應(yīng)按照光源的實際位置進(jìn)行布置。例如,古建中的射燈、吊燈、燈帶等可以通過點光源、面光源、光度學(xué)燈光進(jìn)行模擬。在布光時應(yīng)注重冷暖搭配，確?？臻g的色調(diào)均衡(如圖7)。對于強(qiáng)度較高的光源，應(yīng)及時關(guān)閉高光反射，避免局部反射條件強(qiáng)的物體過于曝光。此外，光度學(xué)燈光不僅需要通過光度學(xué)Web對光照輪廓進(jìn)行模擬，還需要通過區(qū)域陰影中的UVW對物體的陰影進(jìn)行控制，確保強(qiáng)光的陰影明顯，弱光的陰影柔和。而輔助光源的布置，一般通過面光源進(jìn)行模擬，光源的長寬尺寸應(yīng)以空間的體積與明暗程度作為參考標(biāo)準(zhǔn)。輔助光源的光照強(qiáng)度一般不超過自然光源的1/3，以確保場景主次分明，避免出現(xiàn)過多的重影現(xiàn)象。

圖5 正午時段渲染

圖6 傍晚時段渲染

圖7 古建室內(nèi)渲染

3.3 材質(zhì)的渲染方法

材質(zhì)在古建渲染中不僅需要注重紋理的實際效果，還需要注重材質(zhì)物理屬性的設(shè)置，如反射、折射、折射率、焦散等。由于古建場景中的材質(zhì)大多為木質(zhì)或石材，畫面的對比應(yīng)微弱、細(xì)膩。這也意味著在光照信息確定后需要對材質(zhì)進(jìn)行整體的紋理調(diào)整及屬性確認(rèn)。

3.3.1 反射的實現(xiàn)

反射在材質(zhì)的設(shè)置中應(yīng)用頗多，反射可以分為漫反射和鏡面反射。漫反射反射程度較低，表面映射具有模糊性，使光子的二次反彈方向分散；而鏡面反射程度高，映射明顯且具有光滑性，使光子的二次反彈方向集中。此外，鏡面反射可以根據(jù)需要啟動菲涅爾反射計算，當(dāng)這個選項啟動后，反射將具有更接近真實世界的反射效果。這意味著當(dāng)光線和表面法線之間的夾角接近0度時,反射將衰減，當(dāng)光線幾乎平行于表面時,反射可見度最大。當(dāng)光線垂直于表面時幾乎無反射。

在古建場景中，除了玻璃和水的材質(zhì)同時具備反射、折射外，絕大多數(shù)材質(zhì)只具備反射特征，因此可以針對3類材質(zhì)作出具體分析。一是反射強(qiáng)的物體，如瓷器、石材等可以根據(jù)實際需要開啟或不開啟菲涅爾反射，但必須將反射RGB值明度提高，設(shè)置高光值略小于默認(rèn)值1(默認(rèn)值為最佳光滑度)，使反射具備較強(qiáng)的可見性；二是對于漫反射物體，如木質(zhì)的梁架層、斗拱層等,適當(dāng)將反射RGB值明度降低，關(guān)閉高光，開啟模糊反射略小于默認(rèn)值1(默認(rèn)值為模糊反射不可見)，使物體反射表面具備顆粒感，進(jìn)而能夠呈現(xiàn)模糊的反射效果(如圖8)；三是對于反射極弱的物體，如瓦片、假山等，可以直接關(guān)閉反射，提高渲染效率。經(jīng)測試，相關(guān)材質(zhì)的反射參數(shù)取值見表2。

表2 不同類別材質(zhì)反射的設(shè)置

3.3.2 折射的實現(xiàn)

折射主要針對古建場景中的水、玻璃等透明或半透明材質(zhì)進(jìn)行模擬。它能夠?qū)崿F(xiàn)材質(zhì)的折射強(qiáng)度、折射率以及通過光滑度控制折射的衰減程度。目前，絕大多數(shù)全局光照渲染器中的材質(zhì)折射率都可以依照物理學(xué)中的常用折射率表直接設(shè)置參數(shù)，并參與渲染計算，折射率越強(qiáng)，材質(zhì)發(fā)生折射的能力也越強(qiáng)。但并不意味著材質(zhì)的透光能力與焦散能力越強(qiáng)。材質(zhì)的透光及焦散能力是與折射強(qiáng)度及光滑度相互關(guān)聯(lián)的。因此在具體的應(yīng)用中，可以通過折射強(qiáng)度及光滑度的調(diào)節(jié)，讓材質(zhì)模擬各種晶瑩剔透、暗淡無光的透明或半透明材質(zhì)(如圖9)。經(jīng)測試，相關(guān)材質(zhì)的折射參數(shù)取值可見表3。

表3 不同類別材質(zhì)折射的設(shè)置

3.3.3 UV拆分的應(yīng)用

對于古建場景中有特殊紋理坐標(biāo)要求的模型，如果將它的構(gòu)件紋理一一繪制，會極其影響紋理制作或后繼渲染效率。因此，可以將這些模型附加成整體，利用拆分工具將模型表面以平面化形式完全展開(如圖10)，并對其紋理進(jìn)行整體繪制。這里值得注意的是，UV拆分后所得到平面貼圖的像素應(yīng)依據(jù)模型構(gòu)件的數(shù)量，數(shù)量越多，像素應(yīng)越大，確保模型紋理能夠精準(zhǔn)呈現(xiàn)[13-14]。此外模型在拆分時，應(yīng)從隱蔽的位置進(jìn)行裁切，能夠有效避免模型出現(xiàn)過于明顯的接縫。

3.4 引擎的設(shè)置方法

通常情況下，全局光照引擎由光子的首次發(fā)射和二次反彈兩組算法構(gòu)成，應(yīng)依據(jù)模型的特點選擇算法。古建場景有大量光影細(xì)節(jié)，對于近似的光照信息可以精簡或共用相同數(shù)據(jù)。因此可以采用發(fā)光貼圖(Irradiance map)加燈光緩存(Lighe cache)的算法搭配，理由為以下兩點。第一，發(fā)光貼圖可以采樣空間中任意一點和全部照射到這一點的光照信息，當(dāng)光照接觸物體表面時，系統(tǒng)會在發(fā)光貼圖內(nèi)查找與當(dāng)前計算過的類似的點，并從已計算過的點中提取信息，將相似的點進(jìn)行內(nèi)差值替換。發(fā)光貼圖能夠?qū)ξ矬w的邊界、轉(zhuǎn)折處重點計算，對于平坦區(qū)域進(jìn)行低精度全局光照，在符合模型特點的同時也能夠過濾掉燈光首次發(fā)射中過多的近似信息[15]；第二，光子的二次反彈比首次發(fā)射的信息量更多，利用燈光緩存作為二次反彈的算法，能夠只追蹤虛擬相機(jī)中可見的光線微粒，對其進(jìn)行角度及反射的衰減計算。這樣可以有效排除相機(jī)外的光照信息，從而提高渲染效率。此外，在渲染最終圖像前，可以將著色方式定為準(zhǔn)門特卡洛采樣，這樣僅在像素呈現(xiàn)的階段，提高圖像的抗鋸齒程度，在最終環(huán)節(jié)確保圖像的真實細(xì)膩效果。

圖8 材質(zhì)模糊反射

圖9 材質(zhì)折射

圖10 UV拆分

4 結(jié)束語

古建場景的渲染不僅是一個單純的技術(shù)制作過程，同時也是一個科學(xué)與藝術(shù)相互融合的實現(xiàn)過程。在這個過程中，應(yīng)該客觀、深入地剖析好全局光照渲染引擎與模型、材質(zhì)、燈光間的邏輯關(guān)系、互動關(guān)系以及訴求關(guān)系，根據(jù)每個古建場景的實際條件、實際特點，以科學(xué)的制作流程與靈活的應(yīng)用方法為模型提供理想的渲染結(jié)果。