菲涅爾反射在vary材質(zhì)中的運(yùn)用研究

胥程飛　肖體江

摘 要：反射是材質(zhì)重要的視覺特征，能否把握好反射往往是一幅作品成敗的關(guān)鍵，菲涅爾反射是一種常見而又不為人所熟悉的反射現(xiàn)象，比較難理解并掌握，因此菲涅爾反射是CG藝術(shù)中的重要研究對(duì)象，如何在CG藝術(shù)中更好地運(yùn)用它是一個(gè)非常值得研究的課題。

關(guān)鍵詞：材質(zhì)；菲涅爾反射；反射設(shè)置

反射是vary材質(zhì)的一個(gè)重要組成部分，它關(guān)系到材質(zhì)表面的高光、反射成像、反射清晰度等重要材質(zhì)視覺特征，是設(shè)置材質(zhì)表面特性的重要參數(shù)。由于基礎(chǔ)教育對(duì)反射現(xiàn)象闡述并不詳細(xì)，并且CG藝術(shù)體系與物理體系也不盡相同。因此，反射——尤其是一些特殊的反射現(xiàn)象——是vary材質(zhì)中一個(gè)比較難掌握的知識(shí)點(diǎn)。那么在CG藝術(shù)中應(yīng)掌握那些與視覺有關(guān)的反射現(xiàn)象，并如何去運(yùn)用它們呢。

1 CG藝術(shù)中研究的反射現(xiàn)象概述

反射指光在傳播到不同物質(zhì)時(shí)，在分界面上改變傳播方向又返回原來(lái)物質(zhì)中的現(xiàn)象，在CG藝術(shù)中我們所研究的反射主要包含兩種反射現(xiàn)象，即鏡面反射與菲涅爾反射。

鏡面反射（如圖1）是指平行光線射到光滑表面上時(shí)反射光線也是平行的，這種反射叫做鏡面反射，它對(duì)物體的反射強(qiáng)度是均衡的，不會(huì)產(chǎn)生變化。如常見的鏡子、亮光不銹鋼表面的反射現(xiàn)象就是屬于典型的鏡面反射，這是一種大家都比較熟悉反射現(xiàn)象，所以本文不做過(guò)多的討論。

圖1 圖2

菲涅爾反射是一種并不為人們所熟悉的反射現(xiàn)象，什么是菲涅爾反射呢？當(dāng)人站在湖邊時(shí)，低頭看腳下的水，會(huì)發(fā)現(xiàn)水是透明的，反射不是特別強(qiáng)烈；如果看遠(yuǎn)處的湖面，你發(fā)現(xiàn)水并不是透明的，但反射非常強(qiáng)烈，這種反射現(xiàn)象就是菲涅爾反射。其根本的物理特征就是反射的強(qiáng)弱取決于視線與反射面的夾角大?。ㄈ鐖D2），視線與反射面的夾角a越大，反射強(qiáng)度越弱，當(dāng)夾角a等于90度時(shí)，反射強(qiáng)度為零；視線與反射面的夾角a越小，反射強(qiáng)度越強(qiáng)，當(dāng)夾角a趨近0度時(shí)，反射最強(qiáng)。

菲涅爾反射是一種常見的反射現(xiàn)象，CG業(yè)界內(nèi)的主流意識(shí)是除金屬外，所有的材料均有菲涅爾反射現(xiàn)象。對(duì)于這種觀點(diǎn)筆者不以為然，筆者認(rèn)為任何材料——包括大多數(shù)金屬——都具有菲涅爾反射效應(yīng)，只有非常光滑的金屬由于其相當(dāng)于一塊平面鏡，視線與反射面夾角為90度時(shí)，光滑金屬的反射度已經(jīng)很高了，因此，當(dāng)視線與反射面夾角減小時(shí)候反射強(qiáng)度不會(huì)再有增加，所以金屬里面也只有光滑金屬?zèng)]有菲涅爾反射現(xiàn)象，其他的金屬如亞光金屬、拉絲金屬、蝕刻金屬等也是具有菲涅爾反射現(xiàn)象的。

2 菲涅爾反射的設(shè)置研究

菲涅爾反射普遍存在于各種材質(zhì)中，那么在實(shí)際制作材質(zhì)中應(yīng)如何運(yùn)用呢？本文將以3ds Max加vary軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合筆者的經(jīng)驗(yàn)試分析一下菲涅爾反射的設(shè)置方法，由于大多數(shù)軟件中材質(zhì)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思想是相通的。因此，這些方法也可在使用其他軟件時(shí)借鑒運(yùn)用。

（1）使用vary自帶菲涅爾系統(tǒng)控制菲涅爾反射。Vary渲染插件中的vary材質(zhì)本身就自帶有菲涅爾設(shè)置。其設(shè)置方法如下：

首先，勾選菲涅爾反射，開啟菲涅爾模式。然后，將反射的顏色調(diào)節(jié)到適合的色彩，注意在反射的色彩參數(shù)里決定反射強(qiáng)弱的數(shù)值是反射顏色的亮度值，而該色彩的色相值與飽和度值決定是材質(zhì)反光與高光的色彩。因此，我們只需要根據(jù)不同材質(zhì)的視覺特征調(diào)節(jié)相應(yīng)的亮度值就可以得到不同強(qiáng)度的反射。例如，陶瓷反射較強(qiáng)可將亮度值設(shè)置到245左右，而反射較弱的木材亮度值為50左右。最后，設(shè)置菲涅爾折射率，此數(shù)值在默認(rèn)情況下此數(shù)值是關(guān)閉的，需要解鎖才能設(shè)置，不同材料菲涅爾折射率是不同的。菲涅爾折射率是一個(gè)CG術(shù)語(yǔ)，現(xiàn)在有關(guān)的參考資料上大多沒有闡述該參數(shù)的含義，僅告訴它的取值范圍，很多人一直不是很明白它到底是干什么用的，那么到底什么是菲涅爾折射率？筆者認(rèn)為，菲涅爾折射率這個(gè)數(shù)值描述的是材質(zhì)表面對(duì)光的反射強(qiáng)弱的變化趨勢(shì)，而反射的顏色描述的則是反射的整體強(qiáng)度，這是有本質(zhì)區(qū)別的。菲涅爾折射率的數(shù)值取值范圍是0～100，1為標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)數(shù)值為1的時(shí)候表示沒有這種強(qiáng)弱變化趨勢(shì)，即沒有反射存在，數(shù)值越遠(yuǎn)離1，這種變化趨勢(shì)越明顯，反射也就越強(qiáng)。同時(shí)，數(shù)值的取值與入射光所在區(qū)域的密度和反射面的材質(zhì)密度有很大的關(guān)系，0到1之間的數(shù)字表示入射光所在區(qū)域的密度大于反射面所在材質(zhì)的密度。例如，光源放置于透明玻璃里面的情況；1到100之間的數(shù)值表示入射光所在的區(qū)域的密度小于反射面所在材質(zhì)的密度。例如，光從空氣射向地面的情況。一般情況下菲涅爾折射率取值是可以照抄物理中的折射率的——雖然兩者含義完全不同，比如真空取值為1、水的取值為1.33、塑料的取值為1.45、玻璃的取值為1.5～1.8、鉆石的取值為2.4，金屬的取值則一般大于5。

這種設(shè)置方法一共只有三個(gè)參數(shù)，只要理解了每個(gè)參數(shù)的含義還是比較簡(jiǎn)單的，只在反射的顏色確定上對(duì)制作經(jīng)驗(yàn)與美學(xué)認(rèn)知有一定的要求。但這種方法就是因?yàn)槠浜?jiǎn)單，控制參數(shù)較少，難以控制材質(zhì)反射的局部特征，不能精細(xì)調(diào)節(jié)材質(zhì)。因此，我們一般不用這種方法制作場(chǎng)景中的重點(diǎn)材質(zhì)或一些需要藝術(shù)化處理的材質(zhì)，而只用這種方法制作一些普通的、非表現(xiàn)重點(diǎn)的材質(zhì)。

（2）使用衰減（Falloff）貼圖模擬菲涅爾反射。在反射中加一個(gè)衰減貼圖是我們?cè)谠O(shè)置材質(zhì)時(shí)常用的方法，但很多人只是根據(jù)教程機(jī)械的設(shè)置，知其然而不知其所以然，其實(shí)這就是利用衰減貼圖模擬菲涅爾反射的方法。有關(guān)衰減貼圖參數(shù)的資料比較多，在這里就不詳細(xì)講解它的每一個(gè)參數(shù)了，我們著重討論一下他在模擬菲涅爾反射時(shí)的設(shè)置。

當(dāng)我們?cè)诜瓷渲屑尤胍粋€(gè)衰減貼圖后，首先應(yīng)設(shè)置的就是衰減類型和衰減方向，它們分別決定衰減顏色漸變的趨勢(shì)的計(jì)算方法和方向，而這些會(huì)直接反映到反射上的。其次應(yīng)設(shè)置衰減的顏色，這和反射的顏色一樣，它決定了反射的強(qiáng)度以及反光與高光的色彩，在具體運(yùn)用中我們也可用不同的貼圖來(lái)代替這兩種顏色，控制材質(zhì)表面的局部情況，使得反射更逼真細(xì)膩，這在做一些有細(xì)膩紋理反射情況較復(fù)雜的材質(zhì)——如拉絲金屬、蝕刻金屬——非常有用，這一點(diǎn)是前一種方法很難做到的。最后是輸出曲線的調(diào)整，輸出曲線控制的是兩種衰減顏色或貼圖的變化趨勢(shì)，當(dāng)衰減貼圖運(yùn)用于反射時(shí)輸出曲線與菲涅爾折射率的功能接近，但菲涅爾折射率是通過(guò)數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并不直觀而且還經(jīng)常需要制作者查閱各種材質(zhì)的資料以確定數(shù)值的范圍，而輸出曲線是通過(guò)曲線的弧度來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，非常直觀，同時(shí)還可以自由調(diào)節(jié)曲線的形態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)一些較難用菲涅爾折射率表達(dá)的反射變化，如某種物體表面的反射由強(qiáng)變?nèi)踉僮儚?qiáng)再變?nèi)?，這就是用菲涅爾折射率無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而使用輸出曲線則較容易實(shí)現(xiàn)。endprint

相對(duì)于使用vary自帶菲涅爾系統(tǒng)控制菲涅爾反射，使用衰減貼圖來(lái)模擬菲涅爾反射更靈活多變，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)材質(zhì)局部反射的精細(xì)控制，但其需要掌握和調(diào)節(jié)的參數(shù)較多不易掌握，且操作也比較麻煩、耗時(shí)，因此在實(shí)際運(yùn)用中多用來(lái)調(diào)節(jié)一些需要重點(diǎn)表現(xiàn)的材質(zhì)。

3 菲涅爾反射的運(yùn)用原則

如開篇所講幾乎所有的材質(zhì)均具有菲涅爾反射現(xiàn)象，而沒有菲涅爾反射現(xiàn)象的少數(shù)幾種材質(zhì)也具有鏡面反射現(xiàn)象，也就說(shuō)我們?cè)谥谱鞑馁|(zhì)時(shí)都是需要設(shè)置反射的，但我們知道在渲染時(shí)計(jì)算反射是需要耗費(fèi)大量計(jì)算機(jī)資源的，非常耗費(fèi)時(shí)間，那么在具體運(yùn)用中應(yīng)如何運(yùn)用反射呢？

首先在實(shí)際運(yùn)用中并不是所有材質(zhì)都需要打開反射的，我們可以根據(jù)“近實(shí)遠(yuǎn)虛”的原則確定反射的取舍。即近景的材質(zhì)把反射都打開，具有菲涅爾反射現(xiàn)象且紋理豐富、反射細(xì)膩的材質(zhì)盡量使用衰減貼圖模擬反射，讓反射的細(xì)節(jié)盡量豐富；而對(duì)于中景，由于其距離相機(jī)較遠(yuǎn)，一些反射的細(xì)節(jié)并不一定需要很詳細(xì)的表現(xiàn)出來(lái)。因此，可選用vary自帶的菲涅爾系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)反射；而對(duì)于遠(yuǎn)景，由于它距離相機(jī)最遠(yuǎn)，即使設(shè)置了反射，一些低反射的材質(zhì)也不能很好地表現(xiàn)出來(lái)。因此，對(duì)這些弱反射材質(zhì)可直接關(guān)閉反射以節(jié)省資源。其次在實(shí)際運(yùn)用中需要根據(jù)表現(xiàn)的需求靈活運(yùn)用菲涅爾反射。在CG藝術(shù)中效果的表現(xiàn)是最重要的。因此，有時(shí)在調(diào)節(jié)材質(zhì)時(shí)需進(jìn)行適當(dāng)?shù)目鋸埢蚴÷?，如在制作?shí)木地板時(shí)，地板的反射往往是表現(xiàn)重點(diǎn)，我們就可以使用衰減貼圖來(lái)模擬菲涅爾反射，并使用垂直/平行這種漸變趨勢(shì)較為強(qiáng)烈的衰減類型來(lái)突出反射；而對(duì)于同樣木質(zhì)的小茶幾，其反射雖然也是菲涅爾反射，但由于其面積很小，這種菲涅爾反射現(xiàn)象不是很明顯，在實(shí)際操作中為節(jié)約時(shí)間我們也可使用弱鏡面反射來(lái)代替菲涅爾反射，這樣既能取得較好的表現(xiàn)效果也能節(jié)約一定的時(shí)間。

在實(shí)際中菲涅爾反射的運(yùn)用是非常靈活的，如何更好地運(yùn)用它其實(shí)就是在“效果”與“效率”之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，在進(jìn)行材質(zhì)設(shè)置時(shí)只有充分考慮到這兩點(diǎn)才能更好地、有效的設(shè)置好菲涅耳反射。其實(shí)不光在設(shè)置菲涅耳反射時(shí)是這樣，在作圖的其他環(huán)節(jié)中我們也是要充分考慮這兩點(diǎn)的。

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