「知乎知識庫」— 3D 渲染

09-17

「知乎知識庫」— 3D 渲染

概述

3D 渲染是通過電腦計算的方式把模型從 3D 模型網格呈現出 2D 真實感高的圖像，計算過程包含光線及輔助光線，材料的材質和紋理，相機相關設置等綜合變數。

3D 渲染的分類

3D 實時渲染

實時渲染主要應用在遊戲領域，電腦會實時的計算和展示所渲染的結果，幀率在 20-120 頻率左右。因此需要在幀率一定的情況下最大化的展示真實性。計算機在圖像處理的過程中會用到一些」技巧「是肉眼感官為」真實「世界，這些」技巧「都包括鏡頭光暈（lends flare），景深(depth of field)和動態模糊（motion blur）。計算機的算力決定了渲染的真實感，通常需要 GPU 來協助完成。

3D 非實時渲染

3D 非實時渲染通常是電影或視頻，藉助計算機有限的算力，通過延長渲染時間達到更加真實的效果。射線追蹤（ray tracing）和輻射度演算法（radiosity）是非實時渲染常用的技巧，以達到更加真實的感覺。隨著技術的發展，不同種類的物質形式有了更精確的計算技巧，例如粒子系統（模擬雨，煙和火），容積取樣（模擬霧，灰塵），以及焦散性質和子面散射(subsurface scattering)。渲染過程中不同層的物質是分開計算後合成為一個最終布景。

與渲染相關的光學原理

渲染所做的事情都是為了讓結果看起來更像是真實的景象，而真實世界的光和材質都是由物理原理所決定的，因此，渲染中所運用的一些演算法，都是為了模擬真實世界的物理原理。

全局照明（Global Illumination）

除了 3D 布景中的設置的基礎照明外，全局照明考慮到不同物質之間反射的光，疊加計算到渲染過程中，使之更加真實。

射線追蹤（Ray Tracing）

在渲染過程中，我們是通過相機這個媒介定位到與 3D 布景中物體的關係的（下面的篇幅會重點介紹這個）。因此「相機」是我們的眼睛的位置。類似現實世界中我們看到物體是因為光打到物體上，然後反射到我們的眼睛裡，射線追蹤是與此反向的倒推過程。由圖所示，Camera 發射的光線 View Ray 通過屏幕的像素點（每一個像素點均得到計算）打到 3D 布景的物質 Scene Object 上，通過計算物質的反射指數反推回光源 Light Source , 這樣每個像素點都可以得到一個計算結果，以展示所在位置的相關視覺信息。

馮氏著色（Phone Shading）

在光照模型中，主要由三部分組成：環境光（ambient），漫反射（diffuse），鏡面反射（specular）。不同的材質會根據光的不同而呈現出不同的視覺信息。

$I_{Phong} = k_{a}I_{a} + k_{d}(n·l)I_{d} + k_{s}(r·v)^{a}I_{s}$

其中下標 $a$ 表示環境光（Ambient Light），下標 $d$ 表示漫射光（Diffuse Light），下標 $s$ 表示高光（Specular Light）， $k$ 表示反射係數或者材質顏色， $I$ 表示光的顏色或者亮度， $a$ 可以模擬表面粗糙程度，值越小越粗糙，越大越光滑。

物體材質和紋理（Object Texture）

出自Maxwell官網

和渲染相關的物理性質包括液體的稠度，對光的折射度以及反射度，材料本身的厚度，表層的紋理粗糙度等等，這些參數影響了光的走向以及強弱，使計算變得多維。BRDF（雙向反射分布函數）就是用於描述入射光和經過物體反射及折射後光的關係。

$f(l,v) = frac{dL_{0}(v)}{dE_{l}}$

其中 $f$ 就是 BRDF， $l$ 是入射光方向， $v$ 是觀察方向，也就是我們關心的反射光方向。

$dL_{0}(v)$ 是表面反射到 $v$ 方向的反射光的微分輻射率。表面反射到 $v$ 方向的反射光的輻射率為

$L_{0}(v)$ ，來自於表面上半球所有方向的入射光線的貢獻，而微分輻射率 $dL_{o}(v)$ 特指來自方向

$l$ 的入射光貢獻的反射輻射率。

$dE(l)$ 是表面上來自入射光方向 $l$ 的微分輻照度。表面接收到的輻照度為 $E$ ，來自上半球所有方向的入射光線的貢獻，而微分輻照度 $dE(l)$ 特指來自於方向 $l$ 的入射光。

有的時候，物體會有多層物質（Multi-Layered Material）的疊加，例如汽車的外殼是金屬合成物，而表面透明的漆又疊加在金屬之上。這其中計算較為複雜，這裡不多介紹。

攝影相關參數

3D 布景中相機的設置如同現實世界中的攝影，因此和攝影的參數完全一致。我們需要根據光的亮度以及我們想要的效果，來設置這台「相機」。常用的參數包括焦距（Focal Length）感光度 ISO，光圈（Aperture，相關參數設置為 f-stop）和快門速度（Shutter Speed）。這些設置主要由所攝對象決定；例如 3D 渲染的物品為靜物（1-5 米內）時，設置為中長焦鏡頭（80-150mm）以及大光圈以達空間縱深感。如果是室內裝修渲染則常用廣角鏡頭（24-50mm）以及小光圈來減少背景虛化。

VRay for 3ds Max [6]

圖中相機的位置，和物體的關係，以及焦點都在Viewport中有展示；右下角的圖是相機拍出來的真實效果。

參考資料

[1] 3Drendering，wikipedia

[2] Ray_tracing_(graphics)，wikipedia

[3] https://blog.csdn.net/u010345749/article/details/74160114, csdn

[4] Phong_shading，wikipedia

[5] Global_illumination，wikipedia

[6] Tutorial No.51 : Understanding Depth Of Field in V-Ray and 3ds Max，youtube