我心无痕之mr材质.doc

Mental Ray Arch&Design Material 作者：我心无痕一、光与材质的关系MR建筑与设计材质是基于真实的物理准确性而开发的，这一点与MAX自带的Standard基于模拟方式的材质不太一样，所以在开始之前，需要理解一些现实世界的自然规律，这很重要，请务必要理解这个部份，因为我会基于真实的物理性质来讲解MR建筑与设计材质的运用。首先，我要提出一个概念：世上万物都是没有颜色的，颜色的产生是光的作用，正因为有了光的出现，才会有了多种多样的颜色。根据光的波长和频率不同，光可分为：紫外线、可见光、红外线三大类。其中紫外线和红外线不为人眼所感知，人眼只能捕捉到可见光区域内的光。这里我们只关注一下可见光，至于紫外线和红外线不在本教程研究范畴之内，下图是可见光区域示意。白色的光包含全部的色彩，也即是说，所有的可被人眼所感知的颜色中和过后，会形成白色；没有光的时候，世上万物均为黑色。由此得出结论：哪里有光，哪里就有颜色。有时我们会认为颜色是独立的这是蓝色，那是红色，但事实上，颜色不可能单独存在，它是光在物体表面上进行漫反射、反射、透射后的最终结果。一个材质，最主要的属性漫反射、反射和透射。当光线发射，并触碰到某个物体时，会吸收一部份光，反弹一部份光，通过一部份光。我们看到的颜色，其实是物体所反射或透射出来的光的颜色。光的反弹包括漫反弹与镜面反弹两种，镜面反弹有明显的方向性，而漫反弹则是均匀的向四面八方反弹；通过的光即为透射光，可穿透物体继续前进。如下图所示：不透明材质和透明材质的呈现颜色的情况是不太一样的，不透明材质是吸收一部份颜色的光，并将未吸收的颜色的光反弹回去，透明材质是阻挡一部份颜色的光，并让其余颜色的光通过。例如：红色的不透明物体之所以呈现红色，并不是物体本身是红色的，而是由于物体吸收了除红色光以外的可见光，仅把红色光反弹回来，所以我们的眼中，这个物体是红色的。红色的透明物体情况不太一样，是物体将除红色光以外的可见光阻隔，仅让红色光通过，所以我们可以看到像红色的玻璃或塑料这样的材质。相比具有饱和度的如红、黄、蓝等颜色，没有饱和度的灰色是一种例外，它是漫反射、反射和透射等对可见光的普遍而均匀的吸收。严格来说，白色和黑色也归入此类情况：白色是完全反弹光，黑色是完全吸收光。注意：我上面所说的某某颜色并不是指单纯的颜色，世上的颜色是可以细分为无限多种的。光与色的关系可以这样理解：我们所看到的物体表面的颜色其实是光的颜色。光与材质的关系同样可以理解为：不同的物体对光的吸收、反弹、通过等特性不同，所以形成不同的材质，材质是漫反射、反射、透射这三大属性共同作用的结果。当然，还有其他一些物理特性的影响，比如各向异性等等。以上这些概念对于理解MR建筑与设计材质的控件结构很重要，希望大家能看懂我在说什么。二、漫反射、反射、透射的能量守恒MR建筑与设计材质把光视为一种能量，从光源所发出的光到达某一材质的物体表面后，此材质将这时光的能量视为100%，然后根据漫反射、反射、透射参数的设置，将光能进行吸收、反弹、通过的配比。能量不会凭空产生，也不会无端减少，所以吸收、反弹、通过的光的总量等于1（即100%）。这就是所谓的能量守恒。反弹的光归属于漫反射和反射，通过的光归属于透射，而剩下的光即被物体所吸收，由此得出结论：漫反射反射透射1。（等于1时，则代表物体不吸收光线，自然界中的物质，极少有此情况）MR建筑与设计材质基于物理特性开发，可自动遵循能量守恒。如果使用者在设置材质参数时，将光能总量之和设置为100%，MR建筑与设计材质会根据反射透射漫反射的优先顺序分配光能。请务必牢记此优先分配顺序，它是掌握MR建筑与设计材质的关键。例如：反射会从漫反射和透射中优先带走能量；也就是说，在反射率为 100% 时，既不存在漫反射也不存在透射。除去反射所带走的能量后，透射又会从漫反射中带走能量；也就是说，在透明度为100%时，根本不存在漫反射。除去反射和透射所带走的能量，剩下的能量将有两种选择漫反射反弹或被吸收；也就是说，在漫反射强度为100%时，根本没有光被物体吸收。综上所述，可以看出在MR建筑与设计材质中，反射属性占据着龙头大哥的位置，我们应该优先对反射属性进行研究。如果在设置材质参数的时候，将漫反射级别=1、反射率=1、透明度=1，就相当于漫反射级别=0、反射率=1、透明度=0。因为反射已经拿走了所有的光线能量，漫反射和透射的能量不会凭空产生，所以没有漫反射光线和透射光线。理论上此观点成立，但实际上反射率跟双向反射比分布函数（以下简称为BRDF曲线）密切相关，所以，为了深入的研究MR建筑与设计材质，我们要先把反射和BRDF曲线的关系搞懂。不过在这之前，还是先大概的浏览一下MR建筑与设计材质的各项卷展栏吧。三、材质卷展栏如下图所示，MR建筑与设计材质共有十个卷展栏，我先来一个简略的介绍。1. 模板卷展栏MAX里的MR渲染器为使用者提供28种设置好的材质模板，可直接套用此模板材质或在此模板材质的基础上修改。对于此卷展栏，本人不作讲解，我的目的是传授大家自定义材质的经验和技巧，而不是告诉大家如何坐享其成。2. 主要材质参数卷展栏包括漫反射、反射、折射、各向异性四个控件。之前我讲过，漫反射、反射和折射是材质至关重要的三大属性，我会在后面的文字中详细剖析，至于各向异性，有很多教程都讲解过，相信大家都知道是怎么回事，我就不多费口舌了。在本教程中，我只说一些目前没有教程提到的或是讲解得不够系统全面的东西。3. BRDF卷展栏BRDF 是 bidirectional reflectance distribution function（双向反射比分布函数）的缩写，这一属性使得可以由查看对象曲面的角度最终控制该材质的反射率。关于BRDF，我会重点讲解，因为它对反射率的影响至关重要，而且似乎没有太多人了解它。4. 特殊效果卷展栏为使用此材质的物体添加Ambient Occlusion（环境光阻光，以下简称为AO）与圆角特效，这是为了衍生细节而产生的非物理性模拟，此特效为MR建筑与设计材质所独有，是其一大亮点，应用得当，可对最终渲染图像有很大的帮助。5. 高级渲染选项卷展栏此卷展栏是MR建筑与设计材质的宏观控制中心，主要是为了提高渲染性能，这里的参数比较杂，稍后我会一一讲解。6. 快速光滑插值卷展栏可以插补光泽反射和折射，这样会提高渲染速度并使折射和反射看起来更平滑，但这也意味着丢失细节。对于此卷展栏，我会简单的作个讲解，因为我个人追求高质量的渲染，故此很少会用到快速光滑插值，但此项对于测试渲染来说倒是个不错的选择。7. 特殊用途贴图卷展栏共有凹凸、置换、裁切、环境、附加颜色/自发光这五种特特殊用途贴图，这些贴图方式各有不同作用，但与MAX材质的相关贴图有共通之处，所以在本教程里就不多说了，以后如有需求，我会单独写一些小教程讲解这些贴图的使用技巧，合理应用特殊贴图，可创建一些非常有意思的材质效果。8. 通用贴图卷展栏N项贴图，无非都是利用贴图的亮度分布值代替固定的参数，从而创建一种非统一的效果，明白贴图映射原理的人应该都能应用，所以本教程不作讲解。四、反射属性与BRDF曲线前面我讲过，MR建筑与设计材质计算光能的优先顺序是：反射透射漫反射。所以我把反射作为第一个优先研究的对象，首先来看看主要材质参数卷展栏里的反射控件组，如下图所示：1. 反射率反射率参数是一个百分比倍增器，取值在01范围内，值为0时，代表绝对无反射，值为1时，代表可能是完全反射。仔细注意我的用词，前一个是“绝对”，后一个是“可能”，我为什么要这样形容？因为，现实世界中的物体，有一些没有反射率（即纯漫反射），有一些具有恒定的反射率（即BRDF为直线形态），还有一些具有可变的反射率（即BRDF为曲线形态）。所以，反射率不是一个孤立的、单独起作用的参数，它是一个跟BRDF有密切联系、并深受其影响的参数。这里所设置的反射率值，并不是一个绝对值，也不是一个平均值，它实际上是一个最大值，也可以理解为上限值。换句话说，值为1时，反射率并不是绝对等于1，它应该1；同样，值为0.2时，反射率并不是绝对等于0.2，它应该0.2。我们可以明确一个概念，对一些材质来说，反射率值是一个最大值或说是极限值，并不是实际值，反射率的实际值取决于曲面与观察点（也可以理解为摄影机）的角度，并根据BRDF曲线得出。由此可见，BRDF才是决定反射率实际值的关键因素，基于BRDF的重要性，我必须先把这个概念讲清楚，因为不懂BRDF，就根本不懂材质反射，它实在是太重要了。2. BRDF的概念及卷展栏参数控制在真实世界中，曲面的反射率通常与视角有关，这种特性用一种专业术语双向反射比分布函数（简称BRDF）来进行描述，它可以定义从各种角度进行观察时曲面的反射率。在我详细讲解BRDF之前，先看下面的图片：最左的图，视线与木地板几乎垂直（接近0度），此时木地板反射很弱，几不可辨，反射率约为0.10.2；最右的图，视线与木地板几乎平行（接近90度），此时木地板反射很强，可清楚的看到小马在木地板上的反射倒影，反射率约为0.81；中间的一系列图，随着视线与木地板角度的加大，木地板反射越来越强，反射率呈几何级递增。这种现象是真实的，但细想一下，又很奇怪，我们仅仅只是改变了观察角度，其余的客观条件一点没变，为什么同样的一个物体，同样的一种材质，且同样是小马下面的这个位置，却有大不相同的反射率呢？这是因为BRDF在起作用。由于光在空气中是直线传播，在完全光滑的曲面上进行反射时，入射角度与反射角度相等，如下图所示：在学习过第一部份光与材质的关系后，可以知道人眼之所以能看到物体是因为看到了光。拍照就是让光在照相机里的胶卷上投影，拍照的过程就是捕捉光的过程。所以，观察角度的改变，意味着入射光线角度的改变，这是客观的物理现象。绝大多数人可能会有这样的错误认识：一个物体对光线的反射程度只与它本身的材质特性相关。实际上，入射光线与物体表面的夹角（即光线入射角度）对很多材质的反射率有影响。看下面这幅图，上面是空气，下面是水，我分别在A、B、C三个位置放置一个摄影机，它们都对着水面上的相同位置，此时三个摄影机所观察到的水面反射情况是不一样的：对于A摄影机来说，水面很清澈，很透明，看不到反射现象；对于B摄影机来说，水面比较透明，有一点点轻微的反射现象；对于C摄影机来说，水面上有大量的光线反射，几乎看不清水下的情况。如果有机会去到湖边或是池塘边时，请仔细留心观察，水面的反射是不是具有这种特质。如果答案是肯定的，即证明：入射光线与物体表面的夹角（即光线入射角度）对很多材质的反射率有影响。看下面这幅图，上面是空气，下面是水，我分别在A、B、C三个位置放置一个摄影机，它们都对着水面上的相同位置，此时三个摄影机所观察到的水面反射情况是不一样的：对于A摄影机来说，水面很清澈，很透明，看不到反射现象；对于B摄影机来说，水面比较透明，有一点点轻微的反射现象；对于C摄影机来说，水面上有大量的光线反射，几乎看不清水下的情况。如果有机会去到湖边或是池塘边时，请仔细留心观察，水面的反射是不是具有这种特质。如果答案是肯定的，即证明：入射光线与物体表面的夹角（即光线入射角度）对很多材质的反射率有影响。在物理学上，这被称作是菲涅尔（fresnel）现象。有关于这种现象的描述是：当光从一种传播介质到达另一种传播介质时，一部份光会反射（包括镜面反射和漫反射）出去，而另一部分光将发生折射进入此介质，至于反射多少折射多少，则跟光线的入射角度有关，光线的入射角度越大，反射的光越少，折射的光越多；反之，当光线的入射角度越小，反射的光越多，折射的光越少。既然如此，就可以解释上面所看到的木地板的反射率为何会随着观察角度的改变而改变了。注：菲涅尔是十九世纪法国物理学家，对光学的发展做出重大贡献。双向反射比分布函数（BRDF）便是为了用数学的方法精确描述菲涅尔（fresnel）现象而产生的，不同的材质具有不同的BRDF。对于上过漆的木地板来说，观察角度的不同，反射率相差很大，但这不代表所有的材质都表现得很明显，比如镜子和不锈钢等材质，它们的反射率不会因观察角度的不同而有太大改变，无论从哪个方向观察，都会发现其表面的反射率很强。下面我们来看看BRDF卷展栏都有哪些可调控参数：右边是一个图表，左边有两项可选择，分别是“按IOR（fresnel反射）”和“自定义反射率函数”，只有当选择“自定义反射率函数”时，其下的“0度反射率”、“90度反射率”和“曲线图形”三个参数才能成为可用状态。先来看右边的图表，这是BRDF曲线的状态，其形状由右边的参数控制，它可以显示出BRDF参数调整后的最终状态。根据这个图表，我们可以知道目前的材质反射率跟观察角度的对应关系。X轴是指观察角度，Y轴是指实际反射率，如上图所示的曲线，当视角约为0度50度时，反射率为0.2，从50度至90度之间时，反射率越来越大，呈几何级上升，当视角为90度时，反射率为1（即百分之百反射）。注意：在此处，观察视角是指光线入射角的余角，即当目光正对着曲面时，视角为0度，当目光与曲面平行时，视角为90度。看懂了图表，我再来讲解左边两个选项：a. 按IOR（fresnel反射）IOR即是折射率，选择此种方式将使BRDF由材质的折射率决定，这意味着IOR决定BRDF，要改变BRDF，就得改变IOR。通常，透光材质的BRDF与IOR相关联，所以将带折射属性的材质设置好IOR后，用此选项可产生真实的效果，如水、玻璃、钻石等等。b. 自定义反射率函数激活此选项后，下面3个参数可用，这三个参数的设置完全定义了右边图表的BRDF曲线的形状。0度反射率：取值01，定义正对观察者的曲面的反射率。90度反射率：取值01，定义与观察者视线平行的曲面的反射率。曲线图形：取值0.0125，定义 BRDF 曲线的衰减行为。下面我用一个球体做实验，因为相对于观察视线来说，球体既有0度角反射率（球体正中的位置），又有90度角反射率（球体边缘的位置）。使用一个默认的MR Arch&Design 材质，将漫反射颜色设为红色，将反射率设为1。环境面板里也请添加一个环境贴图，以便用于球体反射的图案。准备好了之后，我们来测试一下自定义BRDF对材质反射效果的影响。首先，将BRDF如下图设置，右边是材质编辑器中材质球的显示效果：（注意：我截图的原因是为了让学习者看清楚右边“反射率相对于角度”图表中的曲线变化，以下请重视此点。） 分析一下，0度与90度的反射率均为1，代表此材质拥有恒定不变的反射率，如右边的图表所示，BRDF是一条位于Y轴最高点的直线，这表明无论从哪个方向看，物体上每一个部位的反射率都是百分之百。渲染效果如下：从渲染图可以看出，球体呈现均匀的完全反射状态，由本教程第二部份所讲的能量守恒定律可以得知，反射带走了所有的光能，即使漫反射设为1（最大），漫反射颜色设为红色，却也不会在球体材质上显露出来。下面我们把“0度反射率”改为0.8，使材质具有可变的反射率，如下图（注意右边的曲线变化）： 可以看出，修改之后，右面的图表曲线会跟着改变形态。视角约小于60度时，反射率为0.8；大于60度后，反射率开始增加；视角为90度时，反射率增到最高，完全反射。渲染效果如下：观察渲染图，发现最明显的改变就是球体显出一定的红色，这是因为球体的绝大部份表面反射率为0.8，只有最边缘的部份才有高过0.8的反射率，由能量守恒定律得知，反射后所剩下的光能会分配给透视和漫反射，但此材质由于透明度设为0，所以剩下的20%光能便成为漫反射均匀的四散开来，当然，红色的漫反射颜色也会相应显现，但由于反射带走了大部份光能，所以这红色并不是很浓烈。除了颜色，再仔细观察对比此渲染图和上一张渲染图之间反射情况的差别，从中心部位来看（视角较小），此图的反射图像略比上图的反射图像稍稍朦胧了一点点；最边缘部位就看不出差别。由于颜色的干扰，可能导致某些人看不出差别，我将这两张图用Photoshop去色（按Ctrl+Shift+U）后来进行对比，此时可看出明显差别：再接着测试，把“0度反射率”改为0.5，此举意味着将增大材质反射率的变化，如下图（注意右边的曲线变化）： 从右边的曲线来分析，在视角约小于60度时，具有一半的反射率；大于60度后，反射率开始增加；视角为90度时，反射率增到最高，完全反射。现在来测试渲染效果，如下图：相对于上图来说，红色的漫反射明显增多，因为球面上正对观察者的中心部位大范围反射减弱，只有最大反射率的一半，即定向反射一半光线，均匀漫反射另一半光线，所以会有一半的漫反射颜色（红色）与球面上的反射图像混合。再来对比反射图像的清晰度，这是检验反射率的一个好方法，因为反射率越大，反射出来的图像就越清晰。通过对比可以看出，球面上从中心部位开始到临近边缘的部位，反射图像明显不如上一张渲染图清晰，而边缘部位的反射清晰度却无明显改变，这说明，刚才的BRDF设置已经增大了视角对反射率的影响。再进一步降低“0度反射率”，将值设为0.2，这会让视角对反射率的影响变得很严重，如下图（注意右边的曲线变化）： 从右边的曲线来分析，在视角约小于50度时，只具有很低的百分之二十的反射率；大于50度后，反射率开始增加；视角为90度时，反射率增到最高，完全反射。现在来测试渲染效果，如下图：相对于上幅渲染图，球体的红色更纯，反射图像更淡，除高光部位外，细节几不可见，整个球体缺少变化，看起来较平扁。即使球体的边缘部位，反射也弱了不少，仔细对比以上几幅BRDF曲线截图，便可看出原因。我把上面几张BRDF曲线图罗列在一起，用一条红线表示相同的观察角度，用四条绿线表示这一相同的观察角度下的实际反射率。根据我所标出的红色和绿色的辅助线，可以知道怎样从BRDF曲线图大致推算出在某一观察角度上的实际反射率，BRDF曲线实际上把反射率坐标化了。由图上看出，即使是球体边缘的部位，反射率的变化还是蛮大的。因此，在刚才的渲染图像中，球体边缘部位的反射也减弱了不少，这是正常现象。接着测试，将“0度反射率”设为最小值0，这意味着随着视角的改变，反射率会从无反射到完全反射形成渐变，如下图（注意右边的曲线变化）： BRDF曲线分析我就不多说了，相信到了这一步，大家应该能看懂每一个BRDF曲线中所包含的信息，我们直接看渲染图：从图上可以观察到，只有球体的边缘存在反射现象（如左上的反射高光，其它边缘部位对环境色的反射而形成的黑到红的径向渐变），其它的部位已看不出反射的存在，就连中间部位原来很强烈的反射高光都已销声匿迹。根据能量守恒定律，这些无反射的球体表面已完全被漫反射接管，呈现出极纯的红色。由于使用了摄影机位置的面光照明（这里的面光不是指3DMAX里面创建的Area Light，而是指摄影术语中的面光），所以相对于摄影机来说，球体呈现出均匀的看不出明暗变化的漫反射状态，看起来平板、缺乏立体感。之前几个测试都是修改“0度反射率”的取值，现在我们试下修改“90度反射率”的取值。保持“0度反射率”值不变，将“90度反射率”的值改为0，如下图（注意右边的曲线变化）： 这个BRDF曲线有点极端，它是一条位于Y轴最底端的直线，意思是：无论视角怎样改变，反射率永远为0，即完全无反射。下面我们通过实际渲染图像来验证一下是否正确。渲染效果如下：相对于“90度反射率”取值为1的上张渲染图来说，这张渲染图片上的球体连最边缘的反射高光都不见了，边缘的最外层略显发暗的部份并不是反射环境所引起的，是球体表面与光源所形成的倾斜角度过大，导致接收的照明光较少所引起的。实际上，这个球体已经完全丧失了反射属性，即便是“主要材质参数”卷展栏中将它的“反射率”设为1。现在大家应该明白，为什么我在之前讲解“主要材质参数”卷展栏中“反射率”参数时，会用“最大”、“极限”、“可能”等词语来形容，而否定“绝对”、“平均”等词，即使对于具有恒定反射率的材质（BRDF为直线），也不一定能用“绝对”来形容，稍后在“反射率参数与BRDF参数的相互影响”部份，我会更详细深入的讲解。通常，具有菲涅尔效应的物体，它的“0度反射率”不会高于“90度反射率”，但在材质参数面板里，这两者的取值范围都是01，这表明可以将“0度反射率”设置得比“90度反射率”大，因为软件并没有限制“0度反射率”必须“90度反射率”，所以我们可以利用此点创建一些比较特殊的材质效果。延续上面的测试，将“90度反射率”保持值为0不变，将“0度反射率”修改为1，如下图（注意右边的曲线变化）： 此时的BRDF曲线恰是“0度反射率”为0、“90度反射率”为1时的镜像，这表明材质的实际反射情况与“90度反射率”为1、“0度反射率”为0时相反，对比一下渲染图，看看是否如此：果然，球体只有边缘的一圈呈现红色漫反射状态，且越边缘红色越多，内圈的红色比外圈的淡，再靠内一点便无红色，这代表漫反射越来越弱，反射越来越强，当红色绝迹时，就是反射率达到百分之百峰值时。通过上面的多个实