Mental ray 高效次表面散射指南.doc

Mental ray 高效次表面散射指南 内容目录： 1：次表面散射皮肤Shader指南1.1 介绍1.2 真实皮肤1.3 调整散射 为你想要的1.3.1 真皮散射-肉质感1.3.2 表皮-顶层1.3.3 在材质中的层级关系1.3.4 镜面反射可受度1.3.5 眼睛1.4 高级方法1.4.1 球形环境照明1.5 技术考量1.5.1 Shader 应用1.5.2 惯用的参数变量命名1.5.3 Shader 表示1.6 灵感走廊1.6.1 标准照明1.6.2 环境照明1.6.3 置换Chapter 1次表面散射皮肤Shader 指南1.1 介绍欢迎来到mental ray 高效次表面散射皮肤shader指南！在我们开始前，我们应该讲一下什么是次表面散射（略称“sss”）实际上，它看起来是如何提高表面外观上的平滑度。几乎每个人大约看得出在表面上的这种“明显”的散射效果-当光线穿过一个薄薄的半透明物体时，这个效果容易指出来看。举例图片“半透明”，正好是一个表面散射效果。但是这种效果对皮肤来说是次要的，更主要的效果集中在边缘处，例如耳朵那部分。光线大部分传播在皮肤表面最上层里。当人的视觉系统特别注意观察其他人时，这重要的表面散射效果非常困难注意到，。通常，这些效果-除非你知道如何去观察-否则你看不出其中的变化，而那些“看不到的东西”是sss效果非常容易表现出来的。1.1 入门观察这两个物体的凹凸程度软化度和一些小的构造，还有光线在阴影区域里的产生的细微变化，不同的阴影边界。左：没有使用次表面散射 右：有使用次表面散射注意到左边的物体的凹凸部分非常粗糙，还有阴影边界十分锐利。反之，在右边的物体，凹凸部分非常柔和，在阴影区域还有一些轻微的颜色混合。1.2 真实的皮肤这个例子是通过Our friend Globulous讲解真实的皮肤。这个文件可根据需要使用。你可以渲染看看。这个充分了使用了简单的基础phong材质球，并没有使用次表面散射。如果你渲染了，你就能看出，这更像是塑胶而不是人类皮肤。 Our Friend Globulous我们将取代这个材质球改为高效sss皮肤材质球。不要把烦恼在贴图上，我们将要做这些事；仅仅是用这默认材质球。然后渲染看看。 默认设置的皮肤材质 Globulous注意：如果图片结果与该图不同，检查默认数值：表皮散开范围（Epidermal scatter radius (front_sss_radius)应该是 8mm,，真皮散开范围(subdermal scatter radius(mid_sss_radius)应该是25mm, 基底层散开范围(Back scatter radius(back_sss_radius)和基底层散开深度(Back scatter depth(back_sss_depth)为25mm。这个模型使用测量单位为毫米（mm），大约300mm左右，包括它的耳朵。“但是这样并不像皮肤”你可能会这么说。不全是，我们接下来就要研究次表面散射。这高效sss shader光线散射是在确定的范围内。为此我们要改变所有不同的层级下的散开半径，然后看效果。这是一条快速检查效果的捷径。这个范围变换（Scale Conversion）参数影响其他全部的因素。因此，举个例子，如果我们设置它100，那将会是等于全部的半径都为100，处理起来十分有效高效率，让我们试试它。 左：忽略散射 右：默认散射结果是这组并排的图像，左边的图像，散射效果完全没有。比较右边的图像，有微小的不同。可以明显地看见“红耳”，你能在左边的图像上看见在脖子地方的阴影线十分的硬而且锐利，然而在右边的图像上，在阴影处有细微的颜色混合。从外观差异上来看凹凸贴图变得更加细微。散射半径变大会怎么样呢？让我们设置范围变化值为0.2 （Scale Conversion） 散射太大，散射半径太大！真的有效，让我们再加大： 非常大的散射半径看这整个头部是不是很像充满气的气球？同时注意出现了这些粒状物。这是现在的采样值（64，默认的数值）这只是散射半径太小了，我们需要增大它。所以，如果你现在有一个模型（即没有调整到现实世界尺寸）然后使用了皮肤shader,成果有这些粗的红色杂点，原因是你的散射半径值太大了。如果结果看来像硬塑胶，那是散射半径值太小了。得调整范围变化（Scale Conversion）或者其他参数值.让我们适当调整一下我们把范围变化（Scale Conversion）设置在0.5能够看到一点不同的效果。 适当的调整了散射半径范围但是仍然看起来不像是皮肤，对不对？当然是这样，但这个散射效果看起来像是蜡那样的质感。而且表面太过亮和光滑了。我们增加一些凹凸效果后再看看吧。我们添加了一个简单的杂点贴图用来做凹凸处理。看看结果： 简单的“杂点”“Nosie”凹凸注意到现在是有些像皮肤了。当然，这个皮肤有些像硅胶抑或是行星表面。然而这样处理后的确像皮肤了，感觉是凹凸效果太大了，我们接近些看看。 近距离观察现在这样是不太好，但是这说明了一点：散射填充了凹凸贴图造成的细小缝隙，产生了凹凸间的粗糙。试一下把范围变化（Scale Conversion）临时调到100，再来比对以下。散射没有了，所有的凹凸变得非常锐利，把范围变换（Scale Conversion）值调到100时看看变化。散射没有了，凹凸非常粗糙，在模型的脖子的阴影也变暗。1.3 调整你想要的散射1.3.1 真皮散射-肉质感就目前来说，我们使用了通常的设置，但是我们要寻找怎么能达到更真实的结果。做这些改变，我们将探索所有其他个别的散射选项。因此： 设置范围变换Scale Conversion (scale_conversion)值回到1.0 设置非漫射质量Unscattered diffuse weight(diffuse_weight)值为0.0 设置表皮散射质量Epidermal scatter weight(front_sss_weight)值为0.0 设置真皮散射质量Subdermal scatter weight(mid_sss_weight)值为0.0 设置基底层散射质量Back scatter weight(back_sss_weight)值为1.0 设置全面镜面反射质量Overall specular weight(overall_weight)值为0.0 去掉之前添加的杂点凹凸贴图这些调整完成后，先不看基底层散射照明带来的效果-这种肉感如果你说是次表面散射的话大多数人不会这么认为。如你所见，这个还不够完整。 仅有基底层散射效果现在设置真皮散射质量Subdermal scatter weight(min_sss_weight)值为1.0，开启真皮散射。我们把皮肤最表层下面的称为“真皮”或者“中层”，这个层起到一种红色发光的效果。你现在可以渲染出来观察一下： 真皮散射为默认值25mm这个是散射半径默认值25mm的结果，我们看到一片橙色略带红色的漫射区域（耳朵边缘的半透明效果过强）同时注意鼻子的阴影有些不清晰。现在我们改变真皮散射半径Subdermal scatter radius(mid_sss_radius)和基底层散射半径Back scatter radius(back_sss_radius)和基底层散射深度Back scatter depth(back_sss_depth)值为15： 真皮半径为15这样一来阴影区域的不清晰变小了，然后把照明调整成普通漫射的状态。然而，我们需要一种明显的散射效果，因此我们更改为35mm: 真皮和基底层散射半径/深度值为35mm伸出一个拇指，你应该能想象到在真皮层下有大块的红色凝状物的斑点。如果看来是这样，那你的思路是正确的。（实际上想象这种凝状物是很容易的，如果你想到了高光层的话，我们稍候会说的。我们整理一下结果，然后前进到表皮层1.3.2 表皮 最上层 皮肤不是一种单纯的物质，而是有几种独特的层叠加在一起的。这最上层是皮肤构造中称为表皮的，设置下表皮散射质量Epidermal scatter weight(front_sss_weight)变量。默认颜色是微黄色，修改以下参数： 设置表皮散射质量Epidermal scatter weight(front_sss_weight)值为1.0 设置表皮散射半径Epidermal scatter radius(front_sss_radius)值为16.0 设置真皮散射质量Subdermal scatter weight(mid_sss_weight)值为0.0 设置基底层散射质量Back scatter weight(back_sss_weight)值为0.0让我们看看得到了什么： 表皮散射半径为16让我们试试更小的半径；设置表皮散射半径Epidermal scatter radius(front_sss_radius)值为5 表皮散射半径为55mm对表皮半径来说太小了。我们看见许多颗粒分布（那个能通过光线贴图和使用更多的采样值来处理）但是更重要的是我们没有看到真正的散射发生。观察鼻子部分的阴影，明显的密集，还有这小的散射半径产生的效果不同与默认漫射照明。我们想要在阴影处产生细微的颜色混合，因此我们调高些凹凸 调整散射半径为8时我们调到了8，这默认数值，哪一个效果更好。以一个拇指来说，我们能假定在表皮层能看到淡淡的类似蜡状物的物体在上面。1.3.3 层与材质间的关系现在，我们在哪里能够添加材质？这有太多可以选择的地方了！这个回答是可信的。但是对于脸部来说，把你的标准的面部材质放在非漫射颜色Unscattered diffuse color(diffuse_color)与表皮散射颜色Epidermal scatter color(front_sss_color)上，除了这些以外，最好不要在真皮散射颜色Subdermal scatter color(mid_sss_color)上添加。还有一个选择是在全面漫射颜色Overall diffuse color(overall_color)上添加贴图，不过这可能会有一些问题。要是你的贴图有一黑色区域，不发生任何散射，因为任何颜色叠加在黑色上那它仍然是黑色。材质能在皮肤shader的每一个层上使用，并且连半径和质量都可以。但是我们需要一个测试渲染来试验。在非漫射颜色Unscatter diffuse color(diffuse_color)和表皮散射颜色Epidermal scatter color(front_sss_color)上添加贴图文件Globulous-texture.jpg现在我们设置非漫射质量Unscattered diffuse weight(diffuse_weight)和表皮散射质量Epidermal scatter weight(front_sss_weight)值为0.5（a 50/50mix）我们得到这个： 在2个层上有材质“但是他很灰暗”你会这么说。是的，他的确是这样。皮肤并不是真实的皮肤颜色-皮肤（大部分）颜色是白色。皮肤颜色在根本上大体上是略带红色的散射。因此建议在你的皮肤贴图时要有恰当趋光的粉红色。注意灰色范围。看看这个，有些可怕，这个渲染结果里真皮没有任何散射，看起来像一个尸体。（至少让人觉得不舒服）这时，你该调整真皮和基底层散射，把真皮散射质量Subdermal scatter weight(mid_sss_weight)和基底层散射质量Back scatter weight(back_sss_weight)值调整为0.5。（为了模型表面受光线照射成微红色，和彻底照明耳朵的效果）你能看到脸部有血色，然后你得到这个： 调整后的真皮散射结果现在我们快要成功了！但是这个还是缺少些细节。让我们应用下凹凸贴图。应用globulous-bump.jpg文件为凹凸贴图。我们现在有了凹凸，这个凹凸贴图的调整决定皮肤半透明是否有很好的效果。好的凹凸效果取决于你的颜色贴图的设置。但是全面的来说，你需要调节非漫射质量Unscattered diffuse weight(diffuse_weight)和表皮散射质量Epidermal scatter weight(front_sss_weight)直到你满意为止。但是不要过分。让我们看看仅使用非漫射会有什么效果。设置非漫射质量Unscattered diffuse weight(diffuse_weight)值为1.0和表皮散射质量Epidermal scatter weight(front_sss_weight)值为0.0： 仅有非漫射的皮肤凹凸这个看起来非常的粗糙而且不真实！因此让我们调整成看起来不错的吧。根据我们做的例子，我们调节默认值50/50mix，设置漫反射质量Unscattered diffuse weight(diffuse_weight)和表皮散射质量Epidermal scatter weight(front_sss_weight)值为0.5 这个级别的皮肤的凹凸效果正好1.3.4 恰当的镜面反射还是缺点什么我们要想起以前做的某部分“Oh yeah，我们把全面镜面反射质量调整到最初期了”迅速的把它调整到1.0看看： 默认的皮肤镜面反射这效果是不错，但有一点不和谐（有一些奇怪，这个有一点略带青色的默认镜面反射颜色。（而且还需要给皮肤补充些淡红色）镜面反射总是看起来不错，当它破坏了一点映射时，我们就需要一个镜面反射贴图赋予这个模型，因此我们读取它。 使用了镜面反射贴图后这样看起来好多了，现在我们尝试试用其他不同的镜面反射层。保持默认，开启两个层。一（#1，初级的）主要强调加强边缘柔和镜面反射强度，然后第二（#2次级）大量减小镜面反射的细节闪光。让我们设置镜面反射质量#2（次级_质量）Specular Weight#2 (secondary_weight)值为1.0 然后测试下： 汗滴效果这种非常好的闪光效果造成了出汗的效果！好的，但是我们得擦干这些汗。回到上一步，然后来试试其他不同的镜面反射设置。一个很好的老法子，“小与大”那让我们试试这是什么意思： 修改后的镜面反射但是这样不够逼真；显然，他在一个蓝色的空间里。好的，至少这个背景是蓝色的！因此，我们给皮肤一点适当的反射。这个皮肤shader完全支持光线跟踪反射。缺点是计算时间很长（计算反射次数成倍增加）。因此我们要使用一个窍门来避免这些。设置反射质量Reflection Weight(reflection_weight)值为0.1还有反射边缘质量Reflection Edge Weight(reflection_edge_weight)值为1.0（皮肤的大部分可见反射来自侧边，比迎面部分的要多要知道对于人来说那里是影响频率剧烈。我们称这个为“增强边缘”）现在打开仅反射环境Only reflect environment (reflect_environment_only).这个能节省我们不少宝贵的渲染时间（因为这样光线跟踪反射可以替代或跳过抽象的环境反射）然后我们得到了这个： 左：使用了环境反射（反射来自蓝色背景） 右：没有反射微妙-我们把上次的图片和这次的图片并排放在一起来看微妙之处。看鼻子和脸颊的边缘处，发亮处颜色比较接近环境色。我们激活仅反射环境Only reflect environment(reflect_environment_onley)然后选择真实光线跟踪。看看有什么不同？让我们来分析下不同；把它关掉： 左：使用了真实光线跟踪 右：仅反射环境这次的差异比上次并排的结果来更加微妙。右边的图像在嘴唇部分有些不太真实的反射了蓝色的背景，论逼真，这个已经不算了。左边的图像，鼻子边缘的地方以反射皮肤颜色代替了蓝色的背景。关闭仅反射环境Only reflect environment(reflect_environment_only)真实表现，大量的取样光线反射计算产生。这能大量增加整个场景的计算。渲染时间恰当的时间应该是30秒，左边的图像用时是1分35秒。有一点可以确定，根据不同的用途，有时可以不开启光线跟踪反射。在接下来的指南中让我们迫不及待的再次设置仅反射环境Only reflect environment(reflect_environment_only)1.3.5 设置眼睛 现在，在眼睛上还有一些问题需要处理下。我们有了一个很不错的皮肤，但是眼睛让人觉得有些恐怖。有趣的是，眼睛有很多它独有的次表面散射选项。我们来试验下。（这里有一句译者的题外话：刚才提到的指南中的渲染时间，大家请忽视那一段，这篇文章的作者用的计算机配置是3.06 GHz P4 CPU以及1Gb RAM，大家在试验时的时间肯定不是这个时间，如果比这个还快请告诉我你的时间）眼睛的材质是一个misss_fast_skin_phen（我们使用这个“皮肤”比miss_fast_simple_phen是因为它有更多的特性）这些是： 全面漫射颜色Overall diffuse color(overall_color)使用eye_tex.jpg贴图 设置非漫射颜色Unscattered diffuse color(diffuse_color)，表皮散射颜色Epidermal scatter color(front_sss_color)和真皮散射颜色Subdermal scatter color(mid_sss_color)改变颜色为白色 设置非漫射质量Unscattered diffuse weight(diffuse_weight)值为0.2 设置表皮散射质量Epidermal scatter weight(front_sss_weight)值为0.6 设置表皮散射半径Epidermal scatter radius(front_sss_radius)值为10 设置真皮散射质量Subdermal scatter weight(mid_sss_weight)值为0.8 设置真皮散射半径Subdermal scatter radius(mid_sss_radius)值为20 设置反射质量Reflection Weight(reflection_weight)值为0.1 设置边缘反射质量Reflection Edge Weight(reflection_edge_weight)值为1.0 设置仅反射环境Only reflect environment(reflect_environment_only)状态为打开 设置反射发亮角 Reflection Shinyness（reflection_shinyness）值为0.0离开散射和光照贴图设置栏-这个方法（在那之前我们要保存下来）可以使光线照射眼睛使它产生散射效果，在这个场合中生成一个特写。让我们试验下： 眼睛处的次表面散射好的，现在看起来漂亮多了。就这一点来说这个结果已经很好了。那为何我们不试试在其他角度的效果呢？ 其他角度的效果 同样是另一种角度的效果好的，测试结果很真实了，在不同的光照条件下效果怎么样呢？试试移动灯光还有其他灯光类型所产生的效果。 没有改变任何材质参数1.4 高级技巧1.4.1 球形环境照明到现在为止，我们已经试过了传统照明方式。我们想使用HDRI环境照明该怎么做呢？有很多种方式可行。我们来试试“最终聚集”首先，删除或关掉所有场景中的灯光（2个点光源和一个聚光灯）打开最终聚集Final gathering然后照以下所示正确设置参数。 设置取样数为1000（number of samples）(数值很大) 最大半径为10（maximum radius） 最小半径为5（minimum radius）我们故意错误的这么做。把“皮肤”和“眼睛”两个材质的散射间接照明Scatter indirectillumination的参数关掉,然后渲染一下： 嘿，这个看起来很怪，对不对？有些东西搞错了，这个看起来全都是灰色！发生什么了？回答是因为把散射间接照明Scatter indirect illumination关掉了,皮肤shader没有散射间接照明引起的。在大多数情形中，间接照明不是充足的，并且会在视觉上表现得不真实。以往我们使用聚集灯光定位照明会造成大量计算，同样为了保留渲染时间我们设置散射间接照明Scatter indirect illumination （indirect）为关闭但是我们仅能使用间接照明，准确地说是想使用散射。为了“皮肤”和“眼睛”材质把散射间接照明Scatter indirect illumination (indirect)选项打开 现在好多了！啊,现在这个皮肤恢复颜色了!我们看看如果用什么有趣的东西代替来灯光照明造成的偏蓝色。读取livingroom.hdr然后应用在球形环境贴图中。 HDRI 环境照明到这里皮肤shder的指南就结束了，希望这个能让您愉快1.5 技术考量1.5.1 shader应用这个皮肤shader是一个最近才出现的高级节点并且与大多数的mental ray高级节点一样能自动生成光照贴图，独立的参数，并且有由多个特性组成的sub-shader设置。可以简单的使用，材质主要靠 miss_fast_skin_phen来表现，无论设置哪一个参数都可以自动的表现出来。作为一个材质可以接受全部的材质并且能表现出来（曲面shader,阴影shader,光子shader,光照图shader,置换shader）surface shader,shadow shader.photon shader,lightmap shader,displacement shader不同的OEM操作会有不同的现象。在某些情况下可以充分的使用不同的应用来完成效果。在这个例子中，应用细节表现现象，经常有两个不同的现象，一个使用surface shader,然后另一个使用lightmap shader.在大多数例子中，一个需要用编译来添加光照贴图。根据这个前提，你需要精确的文件来处理应用在物体上的材质。1.5.2 参数，names和useage不同的OEM一体化的是mental ray显示更多友好的用户参数面板。在文件中names是以暗示显示的。现在的shader参数是出现在参数的声明文件下的。在一个场景中显示的不同的对话窗；要考虑你的细节表现文件。这些现象是使用构成组导入合理的参数在合乎逻辑的组中。那些自动构成的组经过不同的OEM与mental ray一体化。这些组是“d”等于“diffuse”,“s”等于“specular”和“a”等于“advanced”。这些材质表现在它们要立即应用在一个物体上使用一个材质的声明。在mental ray的一个单独文件(mi file)，能够看见以下（代码片断）： link subsurface.so$include shader myskin misss_fast_skin_phen (d diffuse_weight 0.3,front_sss_color 0.8 0.5 0.3,front_sss_radius 0.5,front_sss_weight 0.8,s primary_spec_color 0.4 0.4 0.9)object myMesh.end objectinstance myObjectmyMeshmaterial myskin.end instance1.5.3 shader声明这个是miss_fast_skin_phen的subsurface.mi声明： material misss_fast_skin_phen (color texture lightmap,color texture depthmap,string lightmap_group,scalar lightmap_size,integer samples,shader bump,struct d color ambient,color overall_color,color diffuse_color,scalar diffuse_weight,color front_sss_color,scalar front_sss_weight,scalar front_sss_radius,color mid_sss_color,sca