光线专题

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1、光线的颜色

在灯光系统面板的最上面一系列参数控制灯光的颜色变化。光线的颜色主要有两个作用。

(1)反映客观环境。环境中光线的颜色大多不是很纯，由于发光物体、反光物体以及滤光物体的作用产生偏色。比如木材燃烧的暖色光线、天空反射的冷色光线以及信号灯过滤的彩色光线。在布光的时候一定要仔细观察我们所参考的真实环境，去设置灯光的色调。同时，环境中光线的调子完全可以左右我们创作的画面的气氛。比如室外的阳光和天空光要考虑时间和季节以及地区的大因素。而室内的主光源要考虑照明灯具的类型。一般室内的光线都是微微偏暖的。当然为了特殊的气氛，在特殊的地方（监狱、太平间、审讯室、鬼屋、清晨阴冷的小巷）可以运用冷色。而厨房、锅炉房、餐馆、喜庆场所一般使用明显的暖色。

(2)第二个作用是为了统一材质，而这个作用常常被忽略。我们在处理一般的工作时，往往没有在材质上花费太多的精力。对于成熟的职业设计者，他在材质上所投入的工程量往往要多于建模。精美的作品往往要求我们在一个物体上使用多张图片形成复合贴图，而初学者往往用一个材质球蒙混多个物体，甚至材质编辑器中缺省的24个材质球都用不完。现实中我们也确实遇到材质库不完备的问题。而且，我们的材质来源复杂，尺寸和细腻程度对比悬殊。这就造成了最后同一环境中不同物体反差强烈，让人难以有真实的感觉。而当我们使用灯光的偏色的时候，由于给环境中所有能够被照射的物体都蒙上了统一的色调，使它们有共同的偏色，就可以在一定程度上解决材质对比的问题。效果见下面三张图片：



第一张图片中几个基本几何物体被赋予反差很大的材质，感觉上有些混乱。而第二和第三张图片中灯光的颜色微微偏黄和红，使观察者的主观感觉好一些。

使用光线颜色的时候要注意一个问题，使用有色的光线照明场景将必然地造成画面的饱和度和亮度的降低。为了保证统一的亮度，在上面第三个场景中灯光的强度被增强了20%，注意球体高光区域的亮度变化。

2、光线的衰减

通常意义上，光线的衰减是因为光线在空气或者其他介质中传递的过程中受到杂质的干扰，其强度会逐渐减弱。这虽然是光线衰减的真正原因，但在实际应用中并不是很看重这一点。因为一般光线的穿透能力是很强的，需要很长的距离才会有明显的衰减，除非是空气极其浑浊。至于其真正的、在应用中的意义，请看以下的例子。

虽然光线受空气干扰所产生的损耗少一些，但一般的光线都是泛光型的，也就是其光线的散发是有角度的，是从一个比较小的范围向大的区域发散的。那么随着光线不断向外发散，其散布面也就会随着增加。即便空气中干扰小得可以忽略，但其单位区间的能量还是要减少。比如将书放到灯的近处，纸张会被照得雪白，但是把书拿得很远，即便中间没有什么阻隔也看不清上面的字。这就是因为灯光已经散布到很大的区域了，分布在纸张上的光的能量就很少了。做下面的例子：随便建立一个聚光灯（free spot），然后在光线照射的区域里放一个box，再把它向远处复制几个，复制出的正方体也要被照射。然后渲染看效果如左下图。

注意两个box虽然距光源远近不同，但其顶面亮度相同，这就是因为3ds max这一软件在缺省时只考虑光线的亮度和物体的材质，而不考虑光线由于角度的散布而造成的近明远暗的效果。旁边的墙面也是如此，上下的明暗相同。（注意，场景中还有其他的灯光作为补光）……那么再看右上图，是开启了衰减的效果。几个box的对比关系很明显，旁边的墙面也有自上而下的深浅变化。

3ds max中光线的衰减方式有三种。算术方式或者叫直线方式（Inverse)，光线随着距离的变远而等量减弱，这是最简单的计算方式。几何方式或者叫曲线方式（Inverse square)，光线随着距离的变化按平方次减少，这是比较真实的计算方式。它们的衰减情况如左下图。但在实际应用中这两种方式并不常用，因为它们的可操纵性并不好。毕竟我们在布置灯光的时候希望能够自由地控制光线的变化，调节细微的光影变化。因此对于我们第三种方式即手工方式比较重要。

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我们接触的光线基本上是发散性的，光线的发散的夹角直接造成了两种照明分布效果。首先是其变化性，就是说类似的物体由于距离同一光源的距离不同，其表面所受的光照情况也必然不同，其明亮程度也必然要有差别。这个细节一定得把握住，这点直接影响画面的空间感觉。第二是光线的区域性。就是说，当光线传播的距离增加一倍时，其强度将减少到原来的四分之一；当距离增加到十倍时，强度减到百分之一。所以，不管多强的光线，它发散到一定距离时都会衰减到很小，直至可以忽略——这正如天上的星星：大多比太阳还要炎热光明，但由于太远而只能看到一点点的明亮。那么生活中一些比较微小的光源，其光线散布的有效区域就很小了。比如黑暗房间中闪烁的香烟，只能照亮烟鬼的手指和嘴巴，却不能照亮四壁。虽然四周墙壁也多多少少地受到一些影响，但太微弱了，完全可以忽略。

下面让我们看看上方中间的图。灯光衰减的手工设置有两部分，分别是渐强和渐弱，直接对应着参数上的Near和Far，每一种各有开始结束两个点（Star、End）。一般应用中渐强是不需要的，因为它的效果是光线越来越强，这种现象在现实中不存在。而渐弱的效果非常重要的。上图中聚光灯的两部分衰减都打开了，软件面板上的四个值直接产生了四个线框，将整个区域分成了五个段。

首先是从发光点到第一个值之间的区域，这里虽然是在灯光照射有效区域中，却不受灯光的影响。

第二个区域是渐强区域，是第一和第二个参数之间的区域，光的强度将由零逐渐增加到最强——物体距离光源越远反而越明亮。

完全亮度区域处在第二个参数和第三个参数之间，也就是渐强和渐弱区域之间。此段中的物体受光最强，其值等于我们赋予灯光的亮度（Multiplier）。

第四个区域这是渐弱区域，强度将从最强值减弱到零，这是我们应用最多的区域。

最后是暗区，虽然处于灯光的照射夹角内，但已经没有照明效果了，因为我们认为光线发散到这里已经很弱了，不对物体产生明显的作用。

3、光线的贴图

注意右面这张图片，我在建模和材质上都花了一些精力，但对目前的灯光效果却不是很满意，但这至少比没有灯光的效果强一些。左面的是没有打灯光的：

注意在这个图书馆中加上了灯光以后才能真正展现出其空间结构，有了一定的透视感觉，而不是象第一幅图那样的平平的。而且通过灯光的投影，能够体现出物体之间的联系。看到了物体的变化的明暗对比，才能感觉一点真实性。所以，真正的作品或者是工程，不可能不需要灯光的设置。

但目前，我对于第一幅图还不是很满意。当然，这幅图样是我为了讲解而从新设置了灯光，注意照明效果同天花板上的灯具类型并不一致。在这一节中主要介绍光线贴图的意义和用法。

光线贴图可以算作光线颜色的一种扩展——不仅仅是投射出偏色的光线，而且可以向被照射的物体上投递图案。同灯光的偏色设置一样，光线贴图也可以起到统一材质的作用。比如上面的图书馆画面明显地被分为天花板、书柜和地面三个层级，其材质也分别为各种各样的墙壁纸纹、木纹、石材。为了起到统一的作用可以为他们漫上一致的纹路。

做法：使用光线贴图，借助材质编辑器。通过材质编辑器设置好一个图案，然后再用灯光的MAP选项去选取。图案可以使用各种的图片文件，也可以用材质编辑器带的Noise、Smoke、Water等内置贴图。

这回我们使用Water，随便找个材质球，在它的漫反射通道中选取Water，然后改变其两个色块分别为淡黄色和灰褐色，并记住此帖图的名字（比如MAP #2），设置如左下图。在灯光设置中打开Spotlight Parameters面板，在Map：None中点击，选取刚才的贴图（如果不好分辨，可以在编辑材质的时候为它取个别致的名字比如“强烈抗议以美国为首的北约集团野蛮轰炸我驻南斯拉夫大使馆”）。确认之后渲染如右下图：

比较一下，感觉上是否好一些？

光线贴图光线贴图另外一个实际的效果是为场景增加细节。我们的场景是我们通过各种方式用简单物体“堆积”起来的，其细腻程度同场景中消耗的点、线、面的数量成正比，同我们消耗的时间和精力成正比。而真实环境中的物体其细节是非常丰富的。比如，让我们放下手里的工作去观察身后那面普通的墙面，墙面不仅仅是简单的“BOX”加重复的贴图。在真实的墙面上可能会有一些凹凸在灯光照射下显示阴影变化，会挂着一些灰尘，会有曾经张贴过画卷的痕迹，会有不慎溅上美酒的印记，会有钉子眼儿和拍死的蚊子苍蝇。这些效果用建模的方法不可能实现，完全用材质去添加也不现实。如果使用光线贴图的方式将很方便快捷地实现这一效果。看下面两张图：

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4、光线投影
投影的特性是非常重要的。产生投影的原因是物体遮挡住了光线的传递而使其他物体受到不均匀的照射。在我们实践过程中，几乎所有的主光源都要有投影的性质。投影的第一个作用是使我们做出来的物体之间有联系在一起的感觉，见下面两张图，右边的是有投影设置的。

看看左边这张图吧，飞毯上各色水壶之间是否有分离的感觉，感觉是几个物体在平面软件中拼接起来的；而右边的几个物体之间的关系却很明显。二个场景之间唯一的区别就是增加的投影。

投影有两种，在使用的时候将投影开关打开才能生效，见下面的图。

上边的分别是MAX3的投影设置，小的圈是使用投影的开关，是帖图投影（Shadow Map）和追踪投影(Ray-Traced Shadow)的选择菜单。如果是MAX2.5版本，那么投影类型的选择直接在面板上选择。下面看看两种投影方式的含义。

帖图投影是一种模拟的投影，可以通过Map、Size、Smp等几个参数进行控制（见右上图下半部分）。其理论是从光线的发射点发射出一定数量的光线，通过计算每条光线的走向来计算物体间的位置和关系，来确定投影的形状和位置。所以，发射出的光线的数量将直接决定着最后的影子质量。下面四张图的投影数量（Size，直接的意思的投影的尺寸）分别为30、100、300、1000。

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比较上边的影子的区别。应用中，这一数量一般在100到1000之间设置，依据是照射范围内物体的复杂程度。在MAX 2.5中这一值如果大于2000就容易出现错误。此外，Smp参数是影子的模糊。影子的模糊程度同光线的类型有直接的关系，这一参数也可以称为光线的软硬。就是说，光线越强硬越明亮，影子的边缘就越分明，比如太阳。光线越昏暗，发光体的尺寸越大影子就越模糊，比如炭火。看左下图：


这张图是在上面三张图中第四张的基础上将Smp值增加到15时的效果。也许感觉它同第三张效果相同，其实二者有本质区别：第三张是由于光线粗浅的计算而造成的模糊影子，而左上图是在已经进行了精确计算的基础上再将影子模糊。

此外，还有光线追踪的投影方式。这种投影是真实地计算场景中光照范围内每一个物体的每一个面同光源的关系所产生的投影，就是说这是一种非常真实的投影方式，效果如右上图。但这种算法所消耗的时间将成倍数地增加（在复杂场景中渲染所需时间比模拟的投影多上百倍），而且前面我们所使用的Size值和Smp值对于它没有作用。这种方式并不推荐，因为光线追踪的计算时间太长，而且光照效果很“平”，光影变化不柔和。只有在应用一些透明材质效果的时候才不得不使用这种方式。

5、主光。

主光是指在大环境中起到主要照明作用的光线。对于我们的布光工作来说是最重要的，也是在操作时需要首先确定的。这里有几个要点需要领悟。

首先，主光并不一定代表环境中亮度最强的光线。比如在阴暗的牢房中从窗子漏洞中透过来的一丝阳光（看看下面那张凄惨的图片），虽然这丝阳光是整个画面中最明亮的，对画面的构图和深层次内涵都致关重要（你说看不出什么内涵？），甚至可以成为画面的焦点。但从照明的角度来说，它对场景中大多的物体并不起多大的作用。起作用的，是牢房中凄凉的油灯在光滑的四壁和潮湿的地面之间微弱的漫反射光线。虽然这光线很微弱，但画面中几乎所有的物体（也是牢房中所有的物体）都依靠它才显现出来。同样，闭上你深邃的眼睛构想一间深夜的书房，案上洒着金光的台灯也不能成为主光源。虽然它的亮度是最高的，但真正照亮整个房间的却是你身后并不引人注目的昏暗的壁灯。从这个角度来讲，确定主光的方式是看场景中哪一种光线是最不能缺少的，少了哪种光线将导致画面整体的明暗和色调变化。

其次，主光并不一定是唯一的，这包含两个层次的含义。比如在一个大的教室中悬挂了很多的灯管（而且被点亮），那么它们合在一起才组成了主光源，本分一些的做法是在每一个灯管的位置放置一个灯光——这一点非常好理解。或者，在一个有着非常好的采光条件的室内环境中，窗外明媚的阳光和室内辉煌的灯光都可能对室内环境中大多的物体的照明情况产生决定性的作用，那么毋庸置疑，他们都是主光。另外，我们对光线的划分是人为地归纳客观环境，有些环境是不好强制的。一般意义上的主光影响了场景中几乎所有的物体，但还存在着一些的光线，它们或者对整体场景的影响虽然少一些但也不可或缺；或者虽然不能影响到画面中每一个物体但在画面的某个区域内却是起决定作用（比如刚刚提到的可怜的小台灯）。他们虽然亮度或者是照明区域有限，但其重要作用是不可否定的。那么这些光可以成为补充的主光和局部的主光，或者理解为次一级的主光。

再次，主光并不一定是“光源”。虽然大多数情况中主光是从一个比较强的光源发射出来的，但在一些昏暗的地方（光源的强度不够强），物体之间的光线反射可能成为主光。比如上面透光牢房，阳光由于是一种平行光，并不能照亮多大的区域，而油灯的点光源也难以将光线传播很远。我们之所以能够看到环境中大体的轮廓完全是依照室内的反射光线。这些反射光线虽然很弱，但由于不断的传播多次照射，也起到了照明的决定作用。当然，象这样反射光比直射光强的例子是有限的。

6、反光

反光是光线在物体物体表面发射产生的效果，是光滑表面的特性。但在我们进行灯光设置时要考虑的是所有的重要物体和特定细节的反光效果。反光的设置是在主光设置后进行的，同时它也由主光的强度、角度和色泽等特性影响。影响反光设置的还有物体本身的光滑程度和材质。下面将那张监狱的场景重新设置，为它打上吊灯效果——虽然并不把吊灯建模出来。下面两张图分别是侧面的结构图和效果图。用点光源体现吊灯的照明效果，其位置要同灯具一致。注意光线衰减的设置体现在效果图上就是房间的下半部分和角落里稍微暗一些。

现在步入正题，开始设置房间中各个物体的反光。首先观察上面的图，看看哪些物体的反光强一些。首先是四面墙壁，它们受到灯光的直接照射，应该产生大量的反光。地面是潮湿的，甚至有大量的积水，那么地面也必然有明显的反光现象。地面与吊灯的距离虽然比四壁远一些，但是反光系数大一些，所以它的反光强度不比四壁弱。另外，我的床位覆盖着洁净的床单，反光率也不小。床的反光虽然对整个室内没太大的影响，但对于床旁边的一小筷墙面还是有影响的。以上共归纳了六个反光，由于它们都是表面粗糙的物体的反射，所以可以使用聚光灯来模拟散乱的光线。结构和效果可以看下面两图。需要注意的是，反光由于其杂乱，基本上不会产生阴影。由于某种原因不用投影，所以可被放置在反光物体的后面。既不怕物体遮挡，而且还能比较好地照射远处的物体。

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7、补光

补光是人为地为场景加入一些光线，起到补充疏漏或者是突出主体的作用。

首先看上面那张图右边的木头架子。在整个充满反射光线的房间里，它不应该如此浑黒一片。它的错综的结构利于光线的反射，但却不利于我们用软件来模拟。因为在真实的环境中，它有十几个平面需要进行处理，但为每一个平面都设置一个灯光是不现实的。由于这个架子在画面上并不占主要位置，那么我们就可以用一两个灯光来简略地模拟它的受光效果。注意，现在是对小范围内进行布光，所以必须使用光线的衰减。另外，床铺的侧面和架子的侧面都是昏暗的，因为目前没有灯光直接照射它们。真实的环境中应该有一定的地面反光和摄象机这面的墙壁反光，那么我们可以再加一个平行光为它们补一点灯光。注意，这时候要使用照明物体的选择——就是灯光颜色旁边的EXCLUDE。

在一些环境里，为了统一整个的光照效果，甚至可以布置一个从顶端向下或者是从摄象机向前照射的统一补光。从上向下照射这样可以使所有的物体都沐浴在一致的色泽里，而从摄象机的位置向前照射就是设置一个同摄象机一致的聚光灯，那么摄象机能观察到的物体就都能够被照射到了。

8、一些原则

（1）、整体的偏色

整体的偏色是指让我们的整个画面统一在一个色调之中，常用的颜色是黄色和蓝灰色。上面的图片偏的是棕灰色。偏色能够统一画面中所有的材质，而且是显现环境氛围方法，是展现作者思想的最直接的方式。

偏色可以通过灯光的颜色和贴图两种方式做到。但要注意，偏色不能是随意的，光线的颜色要紧跟随着发光物体和场景中大多的被照射物体的特性——当然纯粹的写意作品除外。

（2）、整体的亮度控制

在我们的画面上一定要避免大块的被光线照射生成的白色光亮，也要避免大块的因为背光产生的黑暗。

想象一个非常明亮的场景，那里有充足的阳光和大量的反射折射，每一个物体都被照射得明明亮亮。我们不得不眯住眼睛观察物体——然而就是在这样的环境中我们依然能够看清楚每一个物体的颜色甚至材质。原因是我们的瞳孔能够调节。

想象一个非常昏暗的场景，比如夜半时分突然被噩梦惊醒，我们睁圆了双眼观察周遍的房间——虽然窗外只有点点的星光陪伴着我们，但我们依然能够看清楚屋子中大致的陈设——此时我们的瞳孔已经达到了最大的限度，吸纳尽可能多的光线。既然而黑暗的地方多少都会有一些反射光线，更别说是一般照明情况下的角落。

我们的瞳孔能够自动地调节尺寸，使我们能够看清楚最光明和最昏暗的物体。这就是人眼同照相机的区别：照相机的爆光是一次性的，使用同样的一个速度将画面的全部物体保留下来，由于各个物体的反光量都不同，那么就造成了不可避免的局部的暴光过度和暴光不足。而人在观察一个场景的时候，可以仔细的观察场景中每一个物体，同时自己的瞳孔反复调节，那么就不存在过度和不足的情况。所以，一些写实的照片上可能存在大块的白色暴光过度和黑色的暴光不足，但我们手工绘制的平面作品（包括电脑作品）却可以人为地调整光线和色调。

因此要记住：我们的作品要向绘画靠拢，避开摄影作品的缺陷之处。具体而言，就是在画面上不要轻易出现大块的白色光斑或者是黑色阴影以至于看不出其本来的形状和材质。

（3）、阴影

物体的阴影是不可能避免的，也是必不可缺的，但有两个要点注意。

首先，在一般的环境中是不存在纯黑色的阴影的。如果一个区域主光源照射不到，但除了主光源还有大量的反射光线杂乱地传播着，那么影子中一定要能够看到一些细节。影子一定不能过量，一般的环境中影子应该控制在这个地步：存在而不刺眼，存在而不影响物体细微构造的体现。

其次，一定要控制好影子的边缘。只有非常明亮并且尺寸非常小的光源才能产生边缘清晰的影子，比如太阳和探照灯。而微弱的灯光和尺寸比较大的光源就不能产生清晰的影子，比如蜡烛、篝火、小的灯泡等。

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九：例子

 

上面的场景布光比较简单。场景中以室内众多的吊灯照明为主，窗外阳光为不起太多作用。在每组吊灯上放置一个点光源作为主光源，从房顶向下打几个平行光代表房顶的反光，并在空间中放几个大的点光源模拟四壁和地面的反光。

 

在这个场景中并没有设立灯具，因此不能根据灯具的位置设置灯光。这是一个大的明亮空间，其中散布了大量的光源，因此可以简化它的照明情况——均匀地在各层平台上放置衰减范围非常广的点光源，并设置了阴影。当然为了效果需要反复的渲染并调节每个光线的强度和色泽。

 

这张图灯光的布局比较典型。主光源是顶上排列的射灯，然后可以用几个点光源模拟各种反光。注意点光源的衰减范围是很大的。

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这幅图室内和室外的光线都比较强，室内散布了大量的反光。而两边墙壁上的灯光虽然很亮但影响的范围很小。这里比较难的是为各个的角落放置补光——使用点光源，设置衰减参数。对比阳光投射的影子和左边长椅后淡淡的阴影。