VRay渲染引擎的光影仿真技術(shù)應用研究

彭雙

摘 要：以vray渲染來替代3dsma軟件的線性渲染引擎更具有較強場景渲染實用性，基于對渲染引擎原理的分析研究，解決了三維場景中真實光影效果仿真。通過Vray 渲染引擎的布光系統(tǒng)研究對室內(nèi)自然光、人造光源等照明方式的模擬實例對比;對自然界天光、太陽光的照射光影模擬實例對比，研究出一套完整的布光系統(tǒng)，得出Vray 渲染引擎的光源系統(tǒng)用于模擬現(xiàn)實物理世界中真實的光源照射的情況，光影效果能夠達到仿真效果。vray渲染引擎比3dsMax線性渲染引擎計算時間根快，仿真效果更真實。

關(guān)鍵詞：VRay;渲染;引擎;光影仿真;三維場景

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2096-0905（2020）08-0-02

在對Vray渲染引擎中的燈光系統(tǒng)的仿真技術(shù)分析研究，以vray渲染來替代3dsma軟件的線性渲染引擎，模擬真實光影達到仿真效果。三維場景中光影仿真程度取決于渲染引擎的模擬技術(shù)。跟渲染引擎緊仿真度密相連的是相應的燈光模擬技術(shù)，不同的渲染引擎有相應的燈光系統(tǒng)。Vray渲染引擎結(jié)合了光線跟蹤和光能傳遞的渲染器，使用專業(yè)的全局照明系統(tǒng)、精確的光影跟蹤、渲染速度快以及易用性和兼容性成為主流渲染引擎。Vray渲染引擎模擬真實世界場景，使用全局光照引擎模擬光線傳播進行分析，得出其真實的光線仿真計算，內(nèi)核采用了Quasi-Monte Carlo算法加快運算速度，在同樣的光影場景下，Vray渲染引擎的渲染速度是線性渲染引擎2倍以上。

一、基于VRay渲染的自然光影認知

（一）自然光源產(chǎn)生的光線認知

在物理世界中主要的自然光就是太陽，也是最大的自然光源，通過太陽的照射給大自然帶來了豐富而又美麗的變化。太陽照射角度和位置的不同，就出現(xiàn)了日出、日落使自然界有了冷暖的變化。上午太陽光在大氣層中穿越的距離最遠，大氣的混濁度也比較高，上午天空的顏色色調(diào)偏冷，隨著時間遞增太陽照射強度加強，天空呈現(xiàn)出由冷轉(zhuǎn)暖的色調(diào)過度，顏色層次較弱;陰影顏色模糊，有明顯衰減。正午時間太陽照射的角度呈90度，光源離地面最近，太陽光直射最強，對比強烈。陰影濃重，陰影的層次變化不明顯。下午隨著角度得改變，太陽離地面更遠，“照射的對比度也慢慢地降低，同時飽和度慢慢地增加，天光產(chǎn)生的陰影也隨著太陽高度的下降而變得更加豐富?！盵1]日落的時候，陽光照射得光線和對比度再次變?nèi)?，太陽光的顏色變成橙紅暖色調(diào)，陽光和天光得映射使天空得色彩變得更為豐富，陰影的色彩和天空的暖色調(diào)形成極大的反差，顏色更深色調(diào)更冷，陰影根據(jù)太陽位置的變化被拉長，陰影柔和。

（二）人造光源產(chǎn)生的光線認知

人造光源彌補了自然光照射的缺失，光線幽暗的環(huán)境和夜晚需要人造光源照明。室內(nèi)光照也因環(huán)境的功能、照明的需求、營造的氣氛形成了一套照明系統(tǒng)?！霸O(shè)計師在進行室內(nèi)設(shè)計時，更多地思考如何去處理光與造型、光與空間、光與色彩、光與材質(zhì)等所產(chǎn)生的“光”環(huán)境藝術(shù)效果。”[2]人造光源可分為集中照明、裝飾照明和基礎(chǔ)照明三種形式相互結(jié)合，形成豐富的光影變化。

二、VRay渲染引擎的光照系統(tǒng)

“建筑設(shè)計方面的要求，局限性要大很多，不僅要求渲染技術(shù)和燈光效果，還要求能模擬出更真實的場景效果?！惫庥靶Ч臉?gòu)成要素包括室內(nèi)自然光，室內(nèi)人造光源的照明方式和室內(nèi)燈光的款式以及天光、太陽光的照明亮度和陰影。VRay渲染引擎的光照系統(tǒng)能夠很好的完成光影效果的仿真。

VRLitght主要原理是從一個設(shè)置的形狀區(qū)域開始發(fā)布能量光源，在區(qū)域內(nèi)的光源能量是均勻模擬，超出參數(shù)設(shè)置區(qū)域的能量逐步衰減。VR光源按照形狀有三種分布形式：平面、球體以及圓形。光源能量均是按照設(shè)置的形狀發(fā)布光能。平面光源會按照創(chuàng)建平面大小以及箭頭方向一側(cè)平均發(fā)布光源，超出區(qū)域光能按照距離逐步開始衰減。球體光源所呈現(xiàn)的形狀是圓球狀，光源在球體內(nèi)部按照光能參數(shù)進行點式照射。圓形光源會按照創(chuàng)建圓形大小以及箭頭方向一側(cè)平均發(fā)布光源，同樣超出區(qū)域的光能按照距離逐步開始衰減。

三、基于真實光線渲染引擎的工作原理

（一）VRay渲染引擎類型

VRay渲染引擎中最核心的技術(shù)是采用了全局光照原理。“全局光照（Global Illumination）簡稱GI，傳統(tǒng)的線性渲染引擎只考慮直接光照，不考慮反射光，但全局光照包括了直接光照和間接光照，正因為如此，全局光照系統(tǒng)能夠真實地表現(xiàn)場景燈光?！敝苯庸庹帐菍⒐庠窗l(fā)出的光能直接照射到場景上的物體所形成的光影效果，間接照明是光源發(fā)射的光能經(jīng)由場景中其他物體表面反彈后照射在某些物體表面所形成的光影現(xiàn)象。

（二）VRay渲染技術(shù)分析

VRay渲染面板中圖像采樣抗鋸齒、顏色映射、GI引擎是三個關(guān)鍵數(shù)值，直接影響渲染質(zhì)量和仿真效果。

圖像采樣抗鋸齒中有三種類型，固定是默認模式，測試時使用提升渲染速度。自適應DMC模式會產(chǎn)生大量模糊反射，顯現(xiàn)微小細節(jié)，渲染速度慢。自適應細分模式細節(jié)程度不理想，主要運用于大量鏡面反射。

四、VRay渲染引擎光影仿真布光系統(tǒng)構(gòu)建

“燈光的角度、數(shù)值的大小、面片的選擇都會影響到材質(zhì)質(zhì)感的效果;從物理方面考慮如何體現(xiàn)燈光、材質(zhì)效果的表現(xiàn)，也就要求要加強對生活的認識和物理知識;”通過Vray渲染引擎的布光系統(tǒng)研究對室內(nèi)自然光、人造光源等照明方式的模擬實例對比;對自然界天光、太陽光的照射光影模擬實例對比，研究出一套完整的布光系統(tǒng)。

通過表1中兩種日光模擬方法的對比，第一種利用環(huán)境光、天光結(jié)合太陽光的模擬方式使用了3DMAX自帶的TargetDirectionalLight目標平行光結(jié)合環(huán)境光，雖節(jié)省了時間但是光影效果差，達不到仿真模擬的效果。第二種光源是利用VR面片光結(jié)合VR太陽光的模擬方式使用了VRay渲染引擎中的VRLitght、VRaySun兩種燈光，這種方式模擬光影效果真實，能夠達到仿真的效果，但同樣達到仿真的同時，VRLitght的陰影出現(xiàn)雜點，需要調(diào)高渲染的參數(shù)，使電腦計算時間慢，渲染時間加長。需要在后期渲染時對光子貼圖進行保存來節(jié)省計算時間。

五、結(jié)束語

通過大量實踐研究，提出布光技術(shù)，使用Vray渲染引擎算法來模擬現(xiàn)實中的光影光照效果，使其渲染效果能夠逼真的反映出物理世界中的光源照射情況。最后得出真實光線物理特性的VRay渲染引擎比線性渲染引擎燈光仿真技術(shù)從效果和速度上都具有明顯優(yōu)勢。Vray 渲染引擎帶有自己的光源系統(tǒng)，Vray Light、Vray Sun、VRay IES。通過Vray 渲染引擎的布光系統(tǒng)研究對室內(nèi)自然光，室內(nèi)人造光源等照明方式的模擬實例對比;對自然界天光，太陽光的照射光影模擬實例對比，研究出一套完整的布光系統(tǒng)，得出Vray 渲染引擎的光源系統(tǒng)用于模擬現(xiàn)實物理世界中真實的光源照射的情況，光影效果能夠達到仿真效果。vray渲染引擎比常規(guī)的線性渲染引擎要節(jié)省更多時間，效果更真實。

參考文獻：

[1]趙揚.光影在3Dsmax和Vary渲染藝術(shù)中的影響和表現(xiàn)[D].景德鎮(zhèn)陶瓷學院，2012.

[2]孫德明.談室內(nèi)藝術(shù)照明設(shè)計[J].華僑大學學報（哲學社會科學版），2006（02）：128-132.