羅運(yùn)毛　汪濤

【摘要】使用HDR圖像來照亮場(chǎng)景，已是越來越受歡迎的方法。布光在制作三維動(dòng)畫是一個(gè)非常復(fù)雜的事情，經(jīng)常要打幾十個(gè)甚至上百個(gè)燈才能得到好的結(jié)果。如今只需要一張照片就可以解決照明問題。時(shí)代的進(jìn)步，機(jī)器的速度有了成倍的增長(zhǎng)，現(xiàn)在每個(gè)人都可以用GI了，理論上已經(jīng)不需要再手動(dòng)布場(chǎng)景中的光。你可以選擇手動(dòng)的方式布光設(shè)置更接近真實(shí)的光源，同時(shí)也可以選擇HDR貼圖來照亮你的三維動(dòng)畫場(chǎng)景。

【關(guān)鍵詞】HDR燈光；GI通道；反射

一、HDR的概述

（一）HDR的定義

高動(dòng)態(tài)范圍圖像（High-Dynamic Range，簡(jiǎn)稱HDR），與普通的圖像相比較，它可以提供更多的動(dòng)態(tài)范圍與圖像細(xì)節(jié)，不同的曝光的LDR（Low-Dynamic Range）圖像，利用不同的曝光對(duì)應(yīng)的LDR圖來合成所需要的HDR圖。

如上所述HDR稱為高動(dòng)態(tài)范圍，什么是高動(dòng)態(tài)范圍，如現(xiàn)實(shí)存在的亮度差，最亮的物體亮度和最暗的物體亮度比為十的八次方，而人類的眼睛所能看到的范圍是十的五次方左右，但是一般的顯示器，照相機(jī)能表示的只有256種不同的亮度。我們可以用不同的曝光度多拍幾張照片甚至幾十張，曝光這些照片依次增大，隨著曝光的增大，照片會(huì)變亮，換一個(gè)角度說，照片的細(xì)節(jié)將由深變淺。

根據(jù)上述的原則，如果相機(jī)拍了很多照片合成，對(duì)比圖片效果的大小一般是四的十五次方。這樣問題就出現(xiàn)了，或者更高數(shù)量級(jí)的亮度只能存在電腦里，而一般的顯示器只能表示個(gè)亮度數(shù)量級(jí)，用256個(gè)數(shù)字來模擬二的十六次方所能表示的信息，這種模擬的方法就是HDR技術(shù)核心內(nèi)容之一，學(xué)名叫Tone-Mapping。用色調(diào)映射壓縮后，合成的HDR圖像就能很好地顯示，可以提供一個(gè)令人影像深刻的圖片。

（二）HDR與LDR的區(qū)別

我們所說的低動(dòng)態(tài)范圍圖像（LDR），它所指的是標(biāo)值為整數(shù)類型存儲(chǔ)圖片。而HDR指的是以浮點(diǎn)值型存儲(chǔ)圖片。整數(shù)和浮點(diǎn)是計(jì)算機(jī)編程里所說的概念，也就是數(shù)學(xué)中的整數(shù)和小數(shù)。這些超出了顯示器顯示范圍外的數(shù)據(jù)因?yàn)椴荒鼙晃覀內(nèi)庋劭吹健Ｄ沁@些數(shù)據(jù)我們能拿來干什么呢？HDR圖像將主要用于攝影和三維動(dòng)畫兩，主要的一點(diǎn)是它的動(dòng)態(tài)范圍足夠大。當(dāng)我們用相機(jī)去拍攝的時(shí)候，如果你直接拍攝天空，那么太陽(yáng)和太陽(yáng)附近，由于亮度太大，得到的亮度信息就會(huì)不夠完善，也就是曝光過度了。如果你使用HDR技術(shù)拍攝天空中的太陽(yáng)，雖然直觀效果也白一塊，但是在軟件部分，我們可以通過調(diào)整曝光，所以隱藏在純白色的片內(nèi)的亮度信息逐漸顯露。如前所述，HDR圖像可以是一個(gè)非常廣泛的信息存儲(chǔ)，有很多在你的屏幕上的信息不能被直接觀察到，只能通過調(diào)整曝光觀察。

雖然人的肉眼無法直接看到這些被隱藏的圖片信息，但這些信息是真實(shí)存在的。雖然肉眼無法直接看到但是在后期軟件中通過調(diào)整曝光值是可以觀察到的，特別是暗部和亮部的信息，在制作三維動(dòng)畫時(shí)我們就可以利用這些信息來照亮場(chǎng)景。

二、三維動(dòng)畫制作中HDR圖的應(yīng)用

（二）HDR貼圖的制作

用普通的相機(jī)拍攝原始照片材料，為了最盡可能保留豐富細(xì)節(jié)的場(chǎng)景，制作HDR格式圖片需要拍攝4到8張一樣的場(chǎng)景，每張圖片用不同的曝光度進(jìn)行拍攝，最后將所有照片在后期軟件中進(jìn)行合成。至于調(diào)整曝光的方法，如果手動(dòng)調(diào)整光圈那么景深將會(huì)發(fā)生變化，如果改變ISO、又會(huì)產(chǎn)生很大的噪點(diǎn)。所以應(yīng)選擇改變快門速度調(diào)整曝光。改變快門速度有兩種方式。第一可以轉(zhuǎn)換到快門優(yōu)先模式，使用自動(dòng)包圍曝光，二是進(jìn)入手動(dòng)模式，你不需要進(jìn)入菜單設(shè)置這樣可以更快、更準(zhǔn)確，拍攝4張至8張。使用手動(dòng)對(duì)焦的方式，以避免焦點(diǎn)發(fā)生變化。將ISO值調(diào)到最低，再將光圈數(shù)值調(diào)到最大。最好將相機(jī)放在三腳架上有用遙控拍攝這樣可以保證場(chǎng)景完全的相同。格式用RAW以便保留照片細(xì)節(jié)方便后期。

（二）關(guān)于創(chuàng)建HDR貼圖照明環(huán)境

HDR貼圖照明環(huán)境的建立打開Maya，模型，在渲染設(shè)置切換到mental ray渲染。打開渲染設(shè)置點(diǎn)擊image based lighting，在圖像文件夾中創(chuàng)建全球環(huán)境為HDR全景圖導(dǎo)入需要的場(chǎng)景照明環(huán)境HDR圖片。

三、HDR技術(shù)使用過程中面臨的問題

（一）GI通道噪點(diǎn)的產(chǎn)生與原因

HDR圖不能夠直接對(duì)三維動(dòng)畫場(chǎng)景進(jìn)行照明，需要根據(jù)GI操作來照亮場(chǎng)景。大部分的時(shí)候，因?yàn)镠DR圖像內(nèi)容十分豐富，會(huì)使得GI通道產(chǎn)生很大的噪點(diǎn)，一般情況下可以通過提高精度的方式減少噪點(diǎn)的產(chǎn)生，但是這樣一來就會(huì)很大的增加渲染時(shí)間。

GI決策模型中每個(gè)點(diǎn)上的燈光顏色和亮度，將首先從相機(jī)的像素發(fā)出的光線，當(dāng)光線擊中像素會(huì)以半球形狀爆開向外散射，這些光線射到場(chǎng)景里面找到環(huán)境亮度和色彩信息結(jié)束后會(huì)將所有的光線信息收集，除以向外散射的光線，會(huì)得出一個(gè)平均的數(shù)值。這個(gè)平均值就是這個(gè)像素的GI信息。

對(duì)于對(duì)比度稍大的HDR圖肯定有一些地方突出，比如說太陽(yáng)。太陽(yáng)在圖片中的比例很小，但卻格外明亮。當(dāng)有射線射到太陽(yáng)時(shí)，會(huì)增加平均亮度的數(shù)量。當(dāng)采樣不高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)在采樣光線全部射空。一條射線都沒有射向太陽(yáng)，這樣一來這個(gè)像素點(diǎn)的亮度就會(huì)比較小。

由于采樣是隨機(jī)的機(jī)制，有時(shí)候即使采樣值不高也會(huì)有射線射到太陽(yáng)。這時(shí)候這個(gè)像素點(diǎn)所得到的亮度平均值就會(huì)比較亮。當(dāng)GI采樣低時(shí)這個(gè)每個(gè)像素點(diǎn)所射出的射線就少，那么射中太陽(yáng)的概率就會(huì)變低，但也有射中太陽(yáng)的可能性。因此你渲染出的GI通道就會(huì)產(chǎn)生噪點(diǎn)。

（二）GI通道噪點(diǎn)的解決方案

從它的原因，在一些地方的場(chǎng)景反差極大，區(qū)域小，這就很難射中。首先我們把HDR圖進(jìn)行模糊處理，減少圖像區(qū)域與區(qū)域之間的差異，這樣圖片的亮度信息就更加均勻高亮地方的面積也會(huì)變大，射線就更容易擊中。所以，當(dāng)你能保持GI精度不高，仍然可以得到一個(gè)很好的GI通道。因?yàn)镚I影響的是漫反射效果，漫反射又對(duì)光線的細(xì)節(jié)信息不怎么敏感。只要我們有一個(gè)太陽(yáng)在同一方向，亮度保持不變，那么漫反射的效果就基本不變。

由于HDR圖進(jìn)行過模糊處理，在場(chǎng)景中有反射物體的時(shí)候，渲染的圖片中反射也會(huì)變得模糊。當(dāng)需要HDR圖片作為場(chǎng)景的背景時(shí)背景也會(huì)變成模糊的。這時(shí)就需要打開渲染器自身的設(shè)置了。將背景反射和折射設(shè)為清晰的HDR圖以及將GI通道使用模糊的HDR圖。

可以看出消除噪點(diǎn)，需要很高的精度模糊反射。但渲染時(shí)間會(huì)迅速上升。有沒有類似的只是一種微妙的方式一舉兩得？當(dāng)然有，精度為32時(shí)有噪點(diǎn)主要集中在白光的地方，實(shí)際上白色的地方反射的是太陽(yáng)。這時(shí)最大的難題是太陽(yáng)光問題。這里，有一個(gè)很巧妙的方法，既然產(chǎn)生噪點(diǎn)的是太陽(yáng)，那么我們?cè)趫D片上直接把太陽(yáng)給抹掉。這樣看起來好像沒有燈光效果。但是我們可以在圖片上相同的位置，放置一個(gè)平行光，或太陽(yáng)節(jié)點(diǎn)，模擬太陽(yáng)，只要知道位置，電腦能自動(dòng)計(jì)算模糊效果非常完美。

四、HDR技術(shù)在制作三維動(dòng)畫中的優(yōu)勢(shì)

（一）HDR對(duì)GI和漫反射的影響

在三維動(dòng)畫制作中為什么會(huì)選擇用HDR圖來對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行照明，而不是用傳統(tǒng)的JPG圖？我們將一個(gè)HDR圖像，在PS中保存一個(gè)JPG版本，原來的HDR圖像和JPG版本分別使用進(jìn)行照明對(duì)比差異?？梢钥闯鯦PG圖像的光照渲染效果比較平淡，缺乏細(xì)節(jié)，完全沒有保留原圖像色彩信息。對(duì)比后HDR照明效果好很多，在三維場(chǎng)景中只有一張HDR圖照明也出現(xiàn)了陰影，顏色保留的也非常豐富。

（二）使用HDR技術(shù)出圖的優(yōu)勢(shì)

使用HDR圖照明三維動(dòng)畫場(chǎng)景明顯優(yōu)于LDR圖片。同樣的，在渲染圖片時(shí)也可以選擇將圖片格式輸出為HDR圖片格式。保存為HDR格式的圖片會(huì)更真實(shí)的保留原始的數(shù)據(jù)不會(huì)有丟失，更有利后期的調(diào)整。而Jpg的圖片會(huì)丟失圖片很多細(xì)節(jié)。