Maya中的光線

摘 要：Maya作為優(yōu)秀的三維建模和動畫軟件，無論是靜幀渲染還是動畫輸出，都需要逼真的光線對場景進行照明，軟件中默認的六種光線已經完全能夠滿足實際操作的需要，同時我們還可以借助其他的技術對現實生活中的光線效果進行模擬。

關鍵詞：Maya；三維軟件；光線；

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2015）-12-00-02

在現實生活中，光線是人們看到物體的決定性因素。人眼的視網膜感知物體發(fā)出的或者反射出的光線，就可以在大腦中處理出這個物體的形狀、大小、顏色甚至是質感等等信息。有的時候光線會發(fā)生折射，所以我們看到的水中的魚比實際感覺要更靠近水面；有的時候光線會發(fā)生散射，所以晴朗的天空會呈現美麗的淺藍色；有的時候光線會被不透明的物體阻擋，所以就會產生陰影。這些光線變出的“魔術”我們如何用三維軟件進行模擬呢？Maya給我們提供了一個無限可能的平臺。

打開Maya我們會驚奇的發(fā)現，默認的燈光系統中只有六種光線：點光（Point Light）、聚光燈（Spot Light）、平行光（Directional Light）、環(huán)境光（Ambient Light）、區(qū)域光（Area Light）和體積光（Volume Light）。我們如何利用這僅有的六種燈光模擬現實生活中千變萬化的光線呢？還是先從這六種光線的特性看起吧。

一、點光（Point Light）

點光的概念很好理解，一個蠟燭的火苗，一個白熾燈，都是在從一點向外發(fā)射光線，這種光源我們都通俗的稱為點光。但是需要說明的是，理想的點光源需要從一點均勻的向外發(fā)射光線，這“一點”應該是理想化為質點的光源，同時由于地球大氣、點光源性質等因素的影響，嚴格的說地球上根本就沒有點光源。我們用三維軟件（包括Maya）在使用點光源中要注意這一點。

二、聚光燈（Spot Light）

聚光燈的光線是從一點沿著一個錐體向某一個方向傳播。可以用來模擬探照燈、舞臺追光燈效果。在Maya中這種光線可以調節(jié)椎體的角度大小和方向，是場景燈光中最常用的燈光。

三、平行光（Directional Light）

平行光是指從一個方向平均傳播出來的光線，光線的方向平行。平行光可以調整方向，但無法調整照射的范圍。雖然太陽是一個球體，但是由于距離地球太遠，并且體積巨大，因此在三維軟件里常常用平行光來模擬太陽的光線。

四、環(huán)境光（Ambient Light）

從名字可以看出：環(huán)境光充斥在場景中，它能從所有角度、均勻的照射物體。這種說法看似矛盾，其實卻隱藏深意。在Maya中，環(huán)境光的Ambient Shade屬性代表著這種光線的這一矛盾性。如果Ambient Shade的值大小為0時，光源就好像是一個巨大的球體，而光線就從球體的表面均勻向內發(fā)射，從而照亮物體，這種我們可以模擬光線的漫反射。如果Ambient Shade的值大小為1時，它就變成了一個點光源，光線從一點向外發(fā)出。

五、區(qū)域光（Area Light）

區(qū)域光是一個發(fā)光的二維矩形區(qū)域。默認情況下的長寬比是2：1，創(chuàng)建完成后可以借助縮放手柄對其進行縮放。手柄的大小決定了區(qū)域光的照射范圍，這個特性是其特有的。由于這種燈光是區(qū)域發(fā)光，因此可以產生非常柔和的陰影。

六、體積光（Volume Light）

體積光的性質比較特殊，它的照明范圍局限在一個特定的區(qū)域內，當物體處在這個區(qū)域中的時候可以被照亮，當物體離開這個區(qū)域時就不會被照射到。因此，體積光的體積大小也會決定光照的范圍和燈光的強度衰減。

當我們創(chuàng)建了某個燈光后，就可以對其屬性進行詳細的調節(jié)，Maya對燈光都定義了非常詳細的屬性，在這里就不贅述了。那么除了屬性調整外，我們在建立燈光時還需要注意什么細節(jié)呢？首先我們要談到的就是“三點照明”。

在現實生活中，從一個普通的生活寫真，到一部有巨額投資的電影，再到任何一臺晚會，都離不開燈光師的身影。燈光師用銳利的雙眼，衡量著光和影，凸顯著美和優(yōu)。不過，再華麗的燈光效果都跳不出基本的燈光理論。在小場景的照明中，人們習慣利用主光源來照亮場景中的主要對象，并由其為物體投影從而決定明暗關系。人們還要利用輔助光來產生均勻柔和的光線，填充沒有被主光照射到的區(qū)域，并且調和陰影的濃淡，增加場景的層次感，定義場景的整體格調。同時還要建立背景光凸顯主題，將場景和背景分離。需要說明的是：1、在Maya里“三點照明”并不是指只有三盞燈光，每一“點”上產生作用的燈光有可能是多個，或者是一個燈光矩陣；2、習慣上Maya中總是用聚光燈來建立“三點照明”，因為聚光燈的光線集中且易于調節(jié)。3、燈光要簡練不易過多。過多的燈光使工作過程變得雜亂無章難以處理，顯示與渲染速度也會受到嚴重影響。有經驗的Maya燈光師會首先在場景中建立一個攝像機，選擇最優(yōu)角度后將攝像機的屬性鎖定，這樣可以保證渲染的角度統一。然后根據主體需要來建立主光源，接著觀察陰影的濃淡情況建立輔助光，最后分配背景光。有一點不能被忽略的是：在保證了光影主格調的前提下，適當調節(jié)燈光的衰減可以進一步增強現實感。在調節(jié)Maya燈光的過程，要反復借助定位的攝像機渲染出的結果進行燈光的調節(jié)，選出最優(yōu)的方案。對于一個大的場景，Maya的燈光系統依然可以勝任，最簡單的當屬mental ray里“物理天光”的照明效果。在這款大名鼎鼎的渲染器里，我們只要輕點鼠標就可以在Maya場景中建立一套燈光系統，借助燈光照射方向的調整，燈光的清晨、正午、黃昏等時段的光照效果盡在掌握。這個功能是Maya中最貼近用戶體驗的設計之一。當然，我們還可以借助MEL語言建立燈光陣列，也可以模擬全局光的效果，只不過操作更繁瑣一些而已?？梢哉f，一個完整的Maya場景是綜合了模型，貼圖，材質和燈光的作品，而燈光在其中起到的作用不容小覷。

除此以外，Maya中的燈光甚至可以決定某些材質的最終效果，比如最常見的玻璃效果。在現實生活中，我們站在河邊觀察河面就會發(fā)現一個現象：近處的河水一眼可以望到水底，而遠處的河面反射強烈，看不到水底，這種現象被稱為“菲涅爾效應”。除去金屬物質，其他的物質均有不同程度的菲涅爾效應：當我們的視線和物體表面的夾角越大，光的折射越明顯，反射越微弱，而當我們的視線和物體表面的夾角越小，光的反射就越明顯，折射就越微弱。我們在利用Maya建立玻璃材質的時候，就是要模擬出菲涅爾效應。通常情況下在為場景中的物體布上燈光效果后，我們要建立材質效果：首先建立一個材質球，將材質球的顏色屬性修改為最小值。接著需要調整材質球的透明屬性，因為在菲涅效應中，光線反射強烈的區(qū)域是不透明的，而折射強力的區(qū)域是透明的，并且兩種區(qū)域間的過渡非常的柔和。所以我們需要先建立一個漸變節(jié)點，將漸變節(jié)點的顏色變化修改為從上到下、由黑變白的效果。因為在Maya中，黑色表示“0”，而白色表示“1”，這樣就可以將物體表面的反射強度借助顏色過渡達到柔和變化的效果。那如何才能按照菲涅爾效應將“視線角度”這一條件引入到Maya中呢？在Maya的節(jié)點中有一個采樣信息節(jié)點，它可以拾取人眼（攝像機）和物體表面的夾角，然后由FacingRatio（面比率）屬性進行輸出。我們只要將采樣信息節(jié)點里的FacingRatio屬性和漸變節(jié)點的vCoord屬性進行連接，再由漸變節(jié)點控制玻璃材質的反射率，這樣就可以模擬簡單的菲涅爾效應了。借助渲染編輯器，我們可以看到材質球的邊緣反射變的強烈，而中心區(qū)域，反射變的微弱。同樣的方法，我們可以控制材質球的透明屬性，要注意的是：控制透明屬性的漸變節(jié)點顏色變化和控制反射率屬性的漸變節(jié)點顏色變化剛好相反，只有這樣才能遵循菲涅爾效應建立起比較真實的玻璃材質。

回顧上述例子，雖然都是在進行Maya材質的調整，但是實際上我們都是在考慮光線對材質的影響，也就是說Maya的燈光是在六盞基礎燈光的基礎上加上材質屬性才能得出最終效果的，兩者密不可分！

在實際的操作過程中，燈光的效果不僅僅局限在照明上，比如我們可以將樹影的貼圖放在燈光陰影里，直接投射在地面上，還可以將特殊的貼圖放在燈光的燈光霧屬性里，做出光線穿透水面，照射進水底的斑斕效果，甚至可以將鏡頭的光斑特效無需借助后期軟件直接渲染出來，這些都是Maya的燈光系統提供給我們的便利之處。Maya已經退出了2016版，其中包含了很多的新命令新技術，而燈光系統并沒有發(fā)生大的變化，因為對于用戶來說這六盞基礎燈光已經完全能夠滿足需要，我們首先要追求的其實并不是軟件技術的先進，而是使用軟件時的精妙創(chuàng)意，只有這樣才能在技術的高度上跳的更高，否則只能淪為技術的傀儡。

參考文獻：

[1] 時代印象.中文版Maya2013技術大全.人民郵電出版社.2013年4月第一版

[2] 王琦.Autodesk Maya 2015標準教材I.人民郵電出版社.2014年12月第一版

[3] 楊慶釗.突破平面Maya建模材質渲染深度剖析.清華大學出版社.2014年7月第一版