HDR圖在三維動畫應(yīng)用中的研究

羅運(yùn)毛　汪濤

【摘要】使用HDR圖像來照亮場景，已是越來越受歡迎的方法。布光在制作三維動畫是一個非常復(fù)雜的事情，經(jīng)常要打幾十個甚至上百個燈才能得到好的結(jié)果。如今只需要一張照片就可以解決照明問題。時代的進(jìn)步，機(jī)器的速度有了成倍的增長，現(xiàn)在每個人都可以用GI了，理論上已經(jīng)不需要再手動布場景中的光。你可以選擇手動的方式布光設(shè)置更接近真實(shí)的光源，同時也可以選擇HDR貼圖來照亮你的三維動畫場景。

【關(guān)鍵詞】HDR燈光；GI通道；反射

一、HDR的概述

（一）HDR的定義

高動態(tài)范圍圖像（High-Dynamic Range，簡稱HDR），與普通的圖像相比較，它可以提供更多的動態(tài)范圍與圖像細(xì)節(jié)，不同的曝光的LDR（Low-Dynamic Range）圖像，利用不同的曝光對應(yīng)的LDR圖來合成所需要的HDR圖。

如上所述HDR稱為高動態(tài)范圍，什么是高動態(tài)范圍，如現(xiàn)實(shí)存在的亮度差，最亮的物體亮度和最暗的物體亮度比為十的八次方，而人類的眼睛所能看到的范圍是十的五次方左右，但是一般的顯示器，照相機(jī)能表示的只有256種不同的亮度。我們可以用不同的曝光度多拍幾張照片甚至幾十張，曝光這些照片依次增大，隨著曝光的增大，照片會變亮，換一個角度說，照片的細(xì)節(jié)將由深變淺。

根據(jù)上述的原則，如果相機(jī)拍了很多照片合成，對比圖片效果的大小一般是四的十五次方。這樣問題就出現(xiàn)了，或者更高數(shù)量級的亮度只能存在電腦里，而一般的顯示器只能表示個亮度數(shù)量級，用256個數(shù)字來模擬二的十六次方所能表示的信息，這種模擬的方法就是HDR技術(shù)核心內(nèi)容之一，學(xué)名叫Tone-Mapping。用色調(diào)映射壓縮后，合成的HDR圖像就能很好地顯示，可以提供一個令人影像深刻的圖片。

（二）HDR與LDR的區(qū)別

我們所說的低動態(tài)范圍圖像（LDR），它所指的是標(biāo)值為整數(shù)類型存儲圖片。而HDR指的是以浮點(diǎn)值型存儲圖片。整數(shù)和浮點(diǎn)是計算機(jī)編程里所說的概念，也就是數(shù)學(xué)中的整數(shù)和小數(shù)。這些超出了顯示器顯示范圍外的數(shù)據(jù)因?yàn)椴荒鼙晃覀內(nèi)庋劭吹?。那這些數(shù)據(jù)我們能拿來干什么呢？HDR圖像將主要用于攝影和三維動畫兩，主要的一點(diǎn)是它的動態(tài)范圍足夠大。當(dāng)我們用相機(jī)去拍攝的時候，如果你直接拍攝天空，那么太陽和太陽附近，由于亮度太大，得到的亮度信息就會不夠完善，也就是曝光過度了。如果你使用HDR技術(shù)拍攝天空中的太陽，雖然直觀效果也白一塊，但是在軟件部分，我們可以通過調(diào)整曝光，所以隱藏在純白色的片內(nèi)的亮度信息逐漸顯露。如前所述，HDR圖像可以是一個非常廣泛的信息存儲，有很多在你的屏幕上的信息不能被直接觀察到，只能通過調(diào)整曝光觀察。

雖然人的肉眼無法直接看到這些被隱藏的圖片信息，但這些信息是真實(shí)存在的。雖然肉眼無法直接看到但是在后期軟件中通過調(diào)整曝光值是可以觀察到的，特別是暗部和亮部的信息，在制作三維動畫時我們就可以利用這些信息來照亮場景。

二、三維動畫制作中HDR圖的應(yīng)用

（二）HDR貼圖的制作

用普通的相機(jī)拍攝原始照片材料，為了最盡可能保留豐富細(xì)節(jié)的場景，制作HDR格式圖片需要拍攝4到8張一樣的場景，每張圖片用不同的曝光度進(jìn)行拍攝，最后將所有照片在后期軟件中進(jìn)行合成。至于調(diào)整曝光的方法，如果手動調(diào)整光圈那么景深將會發(fā)生變化，如果改變ISO、又會產(chǎn)生很大的噪點(diǎn)。所以應(yīng)選擇改變快門速度調(diào)整曝光。改變快門速度有兩種方式。第一可以轉(zhuǎn)換到快門優(yōu)先模式，使用自動包圍曝光，二是進(jìn)入手動模式，你不需要進(jìn)入菜單設(shè)置這樣可以更快、更準(zhǔn)確，拍攝4張至8張。使用手動對焦的方式，以避免焦點(diǎn)發(fā)生變化。將ISO值調(diào)到最低，再將光圈數(shù)值調(diào)到最大。最好將相機(jī)放在三腳架上有用遙控拍攝這樣可以保證場景完全的相同。格式用RAW以便保留照片細(xì)節(jié)方便后期。

（二）關(guān)于創(chuàng)建HDR貼圖照明環(huán)境

HDR貼圖照明環(huán)境的建立打開Maya，模型，在渲染設(shè)置切換到mental ray渲染。打開渲染設(shè)置點(diǎn)擊image based lighting，在圖像文件夾中創(chuàng)建全球環(huán)境為HDR全景圖導(dǎo)入需要的場景照明環(huán)境HDR圖片。

三、HDR技術(shù)使用過程中面臨的問題

（一）GI通道噪點(diǎn)的產(chǎn)生與原因

HDR圖不能夠直接對三維動畫場景進(jìn)行照明，需要根據(jù)GI操作來照亮場景。大部分的時候，因?yàn)镠DR圖像內(nèi)容十分豐富，會使得GI通道產(chǎn)生很大的噪點(diǎn)，一般情況下可以通過提高精度的方式減少噪點(diǎn)的產(chǎn)生，但是這樣一來就會很大的增加渲染時間。

GI決策模型中每個點(diǎn)上的燈光顏色和亮度，將首先從相機(jī)的像素發(fā)出的光線，當(dāng)光線擊中像素會以半球形狀爆開向外散射，這些光線射到場景里面找到環(huán)境亮度和色彩信息結(jié)束后會將所有的光線信息收集，除以向外散射的光線，會得出一個平均的數(shù)值。這個平均值就是這個像素的GI信息。

對于對比度稍大的HDR圖肯定有一些地方突出，比如說太陽。太陽在圖片中的比例很小，但卻格外明亮。當(dāng)有射線射到太陽時，會增加平均亮度的數(shù)量。當(dāng)采樣不高時，會出現(xiàn)在采樣光線全部射空。一條射線都沒有射向太陽，這樣一來這個像素點(diǎn)的亮度就會比較小。

由于采樣是隨機(jī)的機(jī)制，有時候即使采樣值不高也會有射線射到太陽。這時候這個像素點(diǎn)所得到的亮度平均值就會比較亮。當(dāng)GI采樣低時這個每個像素點(diǎn)所射出的射線就少，那么射中太陽的概率就會變低，但也有射中太陽的可能性。因此你渲染出的GI通道就會產(chǎn)生噪點(diǎn)。

（二）GI通道噪點(diǎn)的解決方案

從它的原因，在一些地方的場景反差極大，區(qū)域小，這就很難射中。首先我們把HDR圖進(jìn)行模糊處理，減少圖像區(qū)域與區(qū)域之間的差異，這樣圖片的亮度信息就更加均勻高亮地方的面積也會變大，射線就更容易擊中。所以，當(dāng)你能保持GI精度不高，仍然可以得到一個很好的GI通道。因?yàn)镚I影響的是漫反射效果，漫反射又對光線的細(xì)節(jié)信息不怎么敏感。只要我們有一個太陽在同一方向，亮度保持不變，那么漫反射的效果就基本不變。

由于HDR圖進(jìn)行過模糊處理，在場景中有反射物體的時候，渲染的圖片中反射也會變得模糊。當(dāng)需要HDR圖片作為場景的背景時背景也會變成模糊的。這時就需要打開渲染器自身的設(shè)置了。將背景反射和折射設(shè)為清晰的HDR圖以及將GI通道使用模糊的HDR圖。

可以看出消除噪點(diǎn)，需要很高的精度模糊反射。但渲染時間會迅速上升。有沒有類似的只是一種微妙的方式一舉兩得？當(dāng)然有，精度為32時有噪點(diǎn)主要集中在白光的地方，實(shí)際上白色的地方反射的是太陽。這時最大的難題是太陽光問題。這里，有一個很巧妙的方法，既然產(chǎn)生噪點(diǎn)的是太陽，那么我們在圖片上直接把太陽給抹掉。這樣看起來好像沒有燈光效果。但是我們可以在圖片上相同的位置，放置一個平行光，或太陽節(jié)點(diǎn)，模擬太陽，只要知道位置，電腦能自動計算模糊效果非常完美。

四、HDR技術(shù)在制作三維動畫中的優(yōu)勢

（一）HDR對GI和漫反射的影響

在三維動畫制作中為什么會選擇用HDR圖來對場景進(jìn)行照明，而不是用傳統(tǒng)的JPG圖？我們將一個HDR圖像，在PS中保存一個JPG版本，原來的HDR圖像和JPG版本分別使用進(jìn)行照明對比差異?？梢钥闯鯦PG圖像的光照渲染效果比較平淡，缺乏細(xì)節(jié)，完全沒有保留原圖像色彩信息。對比后HDR照明效果好很多，在三維場景中只有一張HDR圖照明也出現(xiàn)了陰影，顏色保留的也非常豐富。

（二）使用HDR技術(shù)出圖的優(yōu)勢

使用HDR圖照明三維動畫場景明顯優(yōu)于LDR圖片。同樣的，在渲染圖片時也可以選擇將圖片格式輸出為HDR圖片格式。保存為HDR格式的圖片會更真實(shí)的保留原始的數(shù)據(jù)不會有丟失，更有利后期的調(diào)整。而Jpg的圖片會丟失圖片很多細(xì)節(jié)。