光照技術(shù)在圖像合成中的應(yīng)用
光照是萬(wàn)物生命之源，沒(méi)有光照，也就沒(méi)有地球上的一切生命，關(guān)于光照的研究也一直沒(méi)有停止，諸如光量子記錄儀，光量子計(jì)，光電自動(dòng)數(shù)粒儀，光照培養(yǎng)箱，這些都是直接或者間接利用光照原理和其他電子技術(shù)，研制成的與光照有關(guān)的儀器，今天為大家介紹一下光照技術(shù)在圖像合成中的應(yīng)用。
一、基于圖像的光照技術(shù)
在計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域，人們一直在使用很多種方法來(lái)增強(qiáng)數(shù)字合成圖像的真實(shí)性，而其中真實(shí)感渲染是多數(shù)研究的課題，特別是應(yīng)用于實(shí)景合成的真實(shí)感渲染。這種需求首先體現(xiàn)在電影行業(yè)。在這個(gè)領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用從 20 世紀(jì) 70 年代已經(jīng)開(kāi)始，到了90 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電影場(chǎng)景中出現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景和虛擬角色，例如，在《黑客帝國(guó)》、《魔戒》等好萊塢電影的制作中，演員的表演、拍攝大部分在藍(lán)幕前完成，而場(chǎng)景和虛擬角色的設(shè)計(jì)則由電腦制作并渲染生成，最后再通過(guò)電腦進(jìn)行特效和后期合成。決定真實(shí)場(chǎng)景、角色同虛擬場(chǎng)景、角色合成效果真實(shí)感的關(guān)鍵則是光照效果的渲染，可以說(shuō)它是電影數(shù)字化制作中一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)。在早期，光照效果的解決方案多是三維布光和后期調(diào)整，這種方法只能提供一種近似的逼真感，無(wú)法做到物理層面的逼真，并且這種方法需要花費(fèi)大量的后期制作時(shí)間和精力，如果更換了環(huán)境，則需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行重新布光和調(diào)整。現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)真實(shí)感渲染提供了另外一種途徑，這便是使用來(lái)自真實(shí)環(huán)境的圖像為場(chǎng)景和物體照明的技術(shù)，即“基于圖像的光照”。這種技術(shù)不再局限于使用三維布光，而是利用現(xiàn)實(shí)世界的光照?qǐng)D像來(lái)照明現(xiàn)實(shí)的或計(jì)算機(jī)生成的場(chǎng)景及物體的一種方法。基于圖像的光照技術(shù)由反射映射技術(shù)發(fā)展而來(lái)。反射映射技術(shù)在1986 年迪斯尼公司出品的電影《飛碟領(lǐng)航員》中首先使用，而到了1991年，在由工業(yè)光魔公司擔(dān)綱特效的電影《終結(jié)者2》中，觀眾從虛擬角色———液態(tài)金屬機(jī)器人身上，更加感受到使用反射映射技術(shù)制作的光影效果的魅力。
在1997年的SIGGRAPH 年會(huì)上，Paul Debevec提交了題為《從照片中恢復(fù)高動(dòng)態(tài)范圍輻射圖》的論文。這篇論文描述了按照不同的曝光設(shè)置對(duì)同一個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行拍照，然后將這些采用不同曝光的照片組合成高動(dòng)態(tài)范圍圖像。這種高動(dòng)態(tài)范圍圖像可以捕捉從黑暗的陰影到亮光源或者高反光的更大動(dòng)態(tài)范圍的場(chǎng)景。在一年之后的 SIGGRAPH 年會(huì)，Paul Debevec又提交了一篇論文《將人造物體渲染成真實(shí)場(chǎng)景： 溝通基于圖像的傳統(tǒng)圖形與全局照明以及高動(dòng)態(tài)范圍照片》。在這篇論文中，他使用以前的技術(shù)對(duì)光滑的鉻球照相以生成他所稱作的“l(fā)ight probe”( 光探測(cè)器) ，即本質(zhì)上的高動(dòng)態(tài)范圍環(huán)境圖。然后將這個(gè) light probe 用于合成場(chǎng)景的渲染。與普通的反射映射技術(shù)不同的是，lightprobe 還提供了場(chǎng)景中的照明信息。
在計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域，生成真實(shí)感圖像的大多數(shù)算法是通過(guò)模擬光在各類(lèi)媒介上的傳播方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就要求光源是指定的。基于圖像的光照技術(shù)理論可以將一幅圖像作為光源，例如，可以使用一幅天空的圖像作為光源來(lái)模擬這種環(huán)境中虛擬物體的照明。通過(guò)這種方法可以實(shí)現(xiàn)一種前所未有的真實(shí)感效果，為虛擬場(chǎng)景和角色提供了真實(shí)世界的照明數(shù)據(jù)。數(shù)字合成技術(shù)領(lǐng)域“基于圖像的光照”技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像高質(zhì)量的渲染輸出提供了另外一種途徑。
二、高動(dòng)態(tài)范圍圖像的概念
基于圖像的光照技術(shù)主要是通過(guò)HDRI 文件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。什么是HDRI 呢? HDRI 是一種的特殊圖形文件格式。HDRI 是 High－Dynamic RangeImage( 高動(dòng)態(tài)范圍圖像) 的縮寫(xiě)。簡(jiǎn)單說(shuō)，HDRI是一種亮度范圍非常廣的圖像，它比其他格式的圖像有著更大亮度的數(shù)據(jù)貯存，而且它記錄亮度的方式與傳統(tǒng)的圖片不同，不是用非線性的方式將亮度信息壓縮到8bit 或16bit 的顏色空間內(nèi)，而是用直接對(duì)應(yīng)的方式記錄亮度信息。HDRI 文件的每一個(gè)像素除了普通的 RGB 信息，還有該點(diǎn)的實(shí)際亮度信息。普通的圖形文件每個(gè)像素只有0 ～255的灰度范圍，實(shí)際是不夠的。想象一下太陽(yáng)的發(fā)光強(qiáng)度和一個(gè)純黑的物體之間的灰度范圍或者說(shuō)亮度范圍的差別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了256 個(gè)級(jí)別。因此，一張普通的白天風(fēng)景照片，看上去白云和太陽(yáng)可能都呈現(xiàn)是同樣的灰度/亮度，都是純白色，但實(shí)際上白云和太陽(yáng)之間實(shí)際的亮度不可能一樣，它們之間的亮度差別是巨大的。因此，普通的圖形文件格式是很不精確的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有紀(jì)錄到現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)際狀況。HDRI 就是為了解決這個(gè)問(wèn)題而發(fā)明出來(lái)的。可以說(shuō)它記錄了圖片環(huán)境中的照明信息，因此可以使用這種圖像來(lái)“照亮”場(chǎng)景。有很多 HDRI 文件是以全景圖的形式表現(xiàn)的，也可以用它做環(huán)境背景來(lái)產(chǎn)生反射與折射。需要強(qiáng)調(diào)的是，HDRI 與全景圖有本質(zhì)的區(qū)別： 全景圖指的是包含了360 度范圍場(chǎng)景的普通圖像，可以是JPG 格式，BMP 格式，TGA 格式，等等，屬于Low-Dynamic Range Radiance Image( 低動(dòng)態(tài)范圍輻射圖像) ，它并不帶有光照信息。
獲取高動(dòng)態(tài)范圍圖像的方式有以下幾種。一種方式是使用Paul Debevec 的“l(fā)ight probe”( 光探測(cè)器) 。光探測(cè)器實(shí)際上就是一個(gè)固定在桿子上的鏡面球體。把這個(gè)球放置在想要記錄照明和反射信息的點(diǎn)，然后用普通相機(jī)來(lái)拍攝一系列的照片，生成高動(dòng)態(tài)范圍圖像。另外一種方式是拍攝多幅從不同方向觀看的圖像照片，然后使用圖像拼合技術(shù)把它們結(jié)合起來(lái)，每次拍攝較大覆蓋區(qū)域的一個(gè)好辦法是使用魚(yú)眼鏡頭，可以使用最少兩幅圖像來(lái)覆蓋全部區(qū)域，由此來(lái)生成高動(dòng)態(tài)范圍圖像。還有一種方式是使用專(zhuān)用的掃描全景相機(jī)，將其在一個(gè)旋轉(zhuǎn)支架上，使得縱向行進(jìn)360°視域掃描來(lái)獲得圖像，生成高動(dòng)態(tài)范圍圖像。有賴于高動(dòng)態(tài)范圍圖像技術(shù)，基于圖像的照明方式已經(jīng)日趨完善并廣泛應(yīng)用在視覺(jué)效果行業(yè)。通過(guò)新的照明和合成工具，視覺(jué)效果藝術(shù)家在與真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行合成時(shí)，能夠使建筑、機(jī)械等虛擬場(chǎng)景更加逼真，使虛擬角色栩栩如生。這樣的例子在《X 戰(zhàn)警》、《黑客帝國(guó)》、《蜘蛛俠》等影片中比比皆是。
三、基于圖像光照效果的實(shí)現(xiàn)方法
基于圖像的光照同基于圖像的建模、基于圖像的繪制技術(shù)一樣，都是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)相結(jié)合的產(chǎn)物。目前，三維軟件中主流的渲染器像 Maya 中的Mentalray、Turtle渲染器，3ds max 中的Brazil、Finalrender、Vray 渲染器，XSI 等等，都已經(jīng)對(duì)HDRI 提供了完美的支持，使得基于圖像的光照技術(shù)在三維領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。本文使用了Maya 軟件中的Mentalray渲染器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，基本步驟如下：第一步： 構(gòu)建三維場(chǎng)景。導(dǎo)入三維模型，模型的各個(gè)部分應(yīng)賦予相應(yīng)的材質(zhì)節(jié)點(diǎn)。第二步： 將 HDRI 圖像映射在代表環(huán)境的幾何體上。在 Maya 中創(chuàng)建一個(gè) IBL 節(jié)點(diǎn)后，場(chǎng)景中會(huì)生成一個(gè)虛擬的球體“環(huán)境”。該球體節(jié)點(diǎn)同攝影機(jī)節(jié)點(diǎn)相連接。在最終渲染時(shí)，這個(gè)球體“環(huán)境”不一定可見(jiàn)，它只是用來(lái)達(dá)到理想光照效果的工具。這樣，HDRI 圖像的紋理顏色信息將被Mental-ray渲染器采集，在渲染時(shí)對(duì)場(chǎng)景表面產(chǎn)生照明，影響到場(chǎng)景中物體的反射、折射和輻照度等。第三步： 在進(jìn)行測(cè)試渲染前，確定Mentalray中的最終聚集光線渲染全局變量為開(kāi)啟狀態(tài)，而Ma-ya 中默認(rèn)燈光為關(guān)閉狀態(tài)。由于場(chǎng)景中沒(méi)有三維燈光參與照明，渲染結(jié)果會(huì)有以下問(wèn)題： 一是由于HDRI 圖像中的照明信息只是用來(lái)進(jìn)行環(huán)境間接照明，所以場(chǎng)景中缺少關(guān)鍵光源。二是缺少高光和直射陰影。第四步： 為了使渲染結(jié)果更加真實(shí)，有兩種解決方法： 一種是創(chuàng)建三維燈光參與照明，另一種是將 IBL 模式設(shè)置為光線發(fā)射，也可以兩種方法結(jié)合使用。第一種方法自如、靈活，并且渲染速度比較快，但是這種燈光與 HDRI 環(huán)境光源的強(qiáng)度與比例沒(méi)有關(guān)聯(lián)，需要自行設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。第二種方法是使用 IBL 節(jié)點(diǎn)作為光發(fā)射器，設(shè)置很簡(jiǎn)單，然而它會(huì)通過(guò)對(duì)紋理的簡(jiǎn)化和解析自動(dòng)創(chuàng)建燈光陣列，并且每個(gè)燈光都計(jì)算陰影和發(fā)射光子，因而需要較長(zhǎng)時(shí)間的渲染。第五步： 全部設(shè)置完成后進(jìn)行渲染，將會(huì)得到基于圖像的光照效果的圖像，可以在后期用來(lái)與真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行合成。
四、結(jié) 語(yǔ)
隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，基于圖像的光照技術(shù)的出現(xiàn)極大地增強(qiáng)了三維渲染、實(shí)時(shí)光照以及后期合成環(huán)節(jié)中的真實(shí)感，使得虛擬影像同真實(shí)影像得以完美融合，并且已經(jīng)在數(shù)字藝術(shù)、電影、虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲等各個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。除此之外，基于圖像的光照技術(shù)還能夠做什么，將完全取決于人們的想象力。
