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第3章 建筑动画常用灯光技术

第3章建筑动画常用灯光技术

第3章  建筑动画常用灯光技术

本章学习重点:

●建筑动画中灯光的重要性

●各种灯光参数的学习

●掌握各种灯光的调节方法

3.1 灯光在动画中的重要性

不管是制作效果图还是建筑动画,除了要有好的设计、好的材质、构图等因素外,还要有好的灯光表现,灯光在每一幅作品、每一个动画中的重要性绝不亚于材质、摄像机等在作品中的重要性。再好的模型、再好的一幅绘画作品,没有光就什末也不是,可以毫不夸张的说,任何一幅效果图、任何一个动画作品,在拥有了丰富的材质、华丽的色彩、甚至是设计师绝妙的创意之后,还需要用光去赋予这些作品以生命,我们的很多制作者在软件方面的技术并不亚于任何人,他们的作品拥有逼真的模型、华丽的外表(材质),但是给物体打上灯光渲染出结果时却令人“大惊失色”,他们的灯光运用能力太差了!因此作者认为,作为绘画艺术的效果图和作为影像艺术的建筑动画,制作者们在研究其作品中的模型、材质、色彩、构图以及各种效果的表现方法的同时,首先要深入的研究灯光的表现方法,灯光对于一幅作品的好坏、价值具有重要的作用。好了,先欣赏一下好的作品。

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图3-1

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图3-2

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图3-3

以上的几张图片都是作者在以前的动画制作中留下的一些比较好的作品中的单帧渲染效果,当然也是在灯光方面运用得较好的实例,读者可参考一下其中的灯光运用方法。

另外,在介绍三维软件中的灯光知识之前,作者想先介绍一下灯光在摄影中的基本知

识。

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关系,对建筑动画的制作或者是效果图的制作来说又重要的作用。

3.2 建筑动画用光知识

3.2.1 灯光的分类

在建筑动画场景中,光的作用是不言而喻的,其使用的工具---照像机的设计原理与成像原理无一不在围绕光在进行,光圈大小、快门速度直接影响着每一幅作品的最终效果及它的存在价值。没有光,我们的摄影师就不能成为其摄影师。通过此节的介绍,作者并不期望每一位读者在读后都能排除以及棒的摄影作品,只希望都者能够了解它,在我们制作动画的过程中能最大化的发挥光的作用,提过我们作品在灯光方面上的造型能力。

根据灯光对物体的透射结果可将光分为顺光、前侧光、侧光、侧逆光、逆光和顶光。顺光:光线透射方向与摄像机光轴方向一值的光称为顺光。如图3-4所示。

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图3-4

由于光线与摄像机方向一致,因此对象的正面全部被照亮,对象的暗面被对象亮面遮挡而无法看到,所以画面很少或几乎没有阴影,画面上的层次主要靠对象自身的明度差异和色调关系来表现。

因对象表面没有明显的反差,所以对象整体会显得很平,缺乏起伏变化,在动画的表现中很少甚至几乎不使用。但不是说这种光就不好。因没有强烈的对比,所以顺光的画面影调比较柔和,能较好的传达建筑物本身的色彩属性:色相、饱和度和明度。

前侧光:光线投射方向与摄像机光轴方向成水平45度左右的光线称为前侧光.见图3-5所示。

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图3-5

受前侧光的影响,对象会形成受光面和背光面以及阴影。能较好的表现物体的立体感、轮廓与质感。在建筑动画的制作中会经常用到。如图3-6就是一幅运用接近于侧光的前侧光制作。

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图3-6

侧光:光线方向与摄像机光轴方向成90度左右的光线称为侧光。如图3-7。也会在物体表面上形成受光面、背光面和影子。对比十分强烈,是一种很好的造型光,图3-8所示就是一幅运用侧光制作的实例。

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图3-7

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图3-8

和前侧光相比,侧光对物体的立体感表现能力上更加强大,会形成比前侧光更加明显的阴影。

侧逆光:光线投射方向与摄像机光轴方向成水平135度左右是的光线称为侧逆光。如图3-9所示。

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图3-9

在对动画中的画面进行灯光设置时,如果觉得逆光不能更好的表现建筑物的自身细节有想做出逆光的那种特殊效果时,采用侧逆光是最好的解决方法。

在侧逆光的投射下,对象大面积表面不被照亮,受光面小于背光面,画面的阴影面积较大,侧逆光也是表现空气透视的理想光线。因为在侧逆光的照明下,能很好的反映出空气透视的规律。也是创作剪影、半剪影作品的理想光线。被摄影家经常采用。当然在建筑动画中也被经常采用。通过下图3-10让我们欣赏一下北京无限影像制作的另类侧逆光的效果。

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图3-10

逆光:光线的投射方向与摄像机光轴的方向相对并来自被摄体后方的光线称为逆光。如图3-11所示。

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图3-11

如图3-12所示的图片就是一张逆光效果,这是某海港动画项目中的一帧。

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图3-12

在逆光照射下,物体的自身不被照亮,只有边缘被照亮。形成一种非常唯美的画面效果。是创作剪影的常用光线。经逆光照射的物体有明显的明暗面和投影。物体受光面的大小会受到光源高低和视点高低的影响。在视点不变的情况下,光源位置值越高,受光面积越大。光源为值越低,受光面积越小。阴影的长短也决定于光源的高低状况。

因为逆光光源与摄像机相对,因此灯光会形成光束。这在不管是建筑动画还是影视动画中大家会经常看到。形成光束的决定性因素是摄像机必须与灯光成大于90度的盾角。图3-13是图3-12的动画中另一个镜头的效果。

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图3-13

黄昏日落和黎明日出是创作者在时间选择上的重要时刻。也是在建筑动画制作中所要表现的重要时刻。此时在灯光上会大量的使用逆光或者侧逆光来表现。

逆光还有一个很重要的特点对我们的创作非常有利。它可以形成一种“虚”与“实”、“藏”与“露”的艺术效果。背光面特别是深色的背光面,往往把暗不得惊无“隐藏”似有似无,若隐若现,这是虚的处理。也能达到一种唯美的感觉。

顶光:光线投射方向和摄像机光轴方向大致形成垂直关系的光线称为顶光。在顶光照明下,景物水平面的亮度高于垂直面的亮度,景物的亮度间距非常大,影调非常“硬”在摄影上有时能收到一种特殊的效果,但在建筑动画得制作中一般不使用。

3.2.2 建筑动画中灯光的基本布光原则

在建筑动画中中,如果是在制作室外场景,无法对光线进行控制(总不能把太阳随便移动吧),但在室内拍摄却完全有自己来设置灯光,在灯光的设置时,虽然可以自主调节灯光的方向、强度、颜色等,但也必须要遵守一定的得光运用原则。一般的摄影灯光主要有主光和辅光,有时摄影师为了是背景能更好的体现主体也会设置背景光。还有一种光就是效果光,为了达到某种特殊的、一般日光灯所不能达到的效果而设置的光。常见的就是在进行舞台表演时所设的光。效果光有强烈的色彩倾向。

主光:主光照明后形成的影调是构成整个画面影调的主要因素之一,对画面的影调起决定作用。例如顺光作为主光,会在画面中形成明亮的色调,而以侧逆光或逆光为主光时,画面整个影调往往偏暗、凝重。主光与辅光的亮度差距毕业时决定画面影调的因素之一。

主光的方位对表现画面物体的立体感、画面的纵深干等具有决定性的作用。顺光对画面的立体感、纵深感的表现就比除顶光之外的其它灯光要弱的多。

主光有时在画面中表现时间的重要因素,主光的高度、光谱成分、色温等时表现时间

的重要依据。

作为三维软件中的灯光系统,实际上是模拟现实的灯光,在运用方法上用摄影中对灯光的运用是相同的。在我们进行灯光设置时必须要考虑到如下因素:

1,选择光线的投射方向。不能盲目的、毫无目的设置灯光。

2,选择光线的投射高度。

3,选择主光与辅光的光比,

辅助光:辅助光主要的作用就是用来减弱由于主光照亮物体后带来的生硬的阴影,减弱亮部与暗部之间的明暗反差。通过对辅助光进行好的设置,可以更好地传达物体的层次、质感以及立体感。

在辅助光的布光中,要根据情况,可以只有一盏辅助光,也可以有二盏、三盏辅助光。如图3-14所示。图中的第二辅助光也成为过渡辅助光,目的是更加完善主光和辅助光对物体的造型效果,但它的亮度要低于主光的亮度。不能破坏主光和辅助光的效果。

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图3-14

在辅助光的布光过程中要注意以下事项:

辅助光的照明效果以不破坏主光的照明效果为原则,并能与主光共同完成画面的整体统一。

辅助光的光源以选择散射光为主。生活中辅助光大多是天空的散射光或环境的反射光。原因是散射光的照明面积大,照明均匀。

如果主光是顺光、正侧光时,辅助光的作用相对小一点;但如果主光是侧光、侧逆光或逆光时,这是被摄物体的阴影强烈,当逆光时,画面大面积的暗面。这是辅助光对画面的造型作用甚至超过主光对画面的造型作用,一定要处理好辅光的作用以及与主光的各种关系。

一般来说辅助光是照亮主光照明时产生的阴影和画面暗部。辅助光的亮度将会影响到阴影的亮度。一幅画面中,必须要有足够的阴影,哪怕是非常少的阴影,否则画面必将因显得非常单一而发闷。所以在设置辅助光时要处理好辅助光与画面阴影的关系。

在所有灯光中,主要是运用主光和辅光。我们见到的很多的优秀摄影作品中,常使人感觉到灯光的运用高深莫测,作者在和很多的摄影师交流之后发现其实不是这样,非常多

的作品中灯光只有主光和辅光,有时加上背景光。只不过是在运用主光或者背景光时并不是一个主光或者一个辅光。对各个灯光在强度、方向和位置上的把握是一个重要的因素

3.3 灯光基础知识

灯光用来模拟真实灯光的照明效果,如家用或办公室灯、舞台或电影工作时使用的灯光设备及太阳光本身。不同种类的灯光对象用不同的方法投射灯光,模拟真实世界中不同种类的光源。如图3-15所示,在3ds max中模拟现实中真实的灯光。

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图3-15 模拟现实中真实的灯光

当场景中没有灯光时,使用默认的照明着色或渲染场景。你可以添加灯光使场景的外观更逼真。照明增强了场景的清晰度和三维效果。除了获得常规的照明效果之外,灯光还可以用做投射图像。

用灯光对象替换默认的照明。一旦你创建了一个灯光,那么默认的照明就会被禁用。如果你在场景中删除所有的灯光,则重新启用默认照明。默认照明包含两个不可见的灯光:一个灯光位于场景的左上方,而另一个灯光位于场景的右下方。

3.3.1 使用灯光

在通常情况下,使用Lights Objects(灯光对象)的原因有下列几种:

要改进场景的照明。视图中的默认照明可能不够亮,或没有照到复杂对象的所有面上。

要通过逼真的照明效果增强场景的真实感。

要通过灯光投射阴影增强场景的真实感。各种类型的灯光都可以投射阴影。另外,可以选择性地控制对象投射或接收阴影。

要在场景中投射投影。各种类型的灯光都可以投射静态或动画的贴图。

要在场景中建模如闪光灯的照明源。因为灯光对象本身不能被渲染,所以需要创建与光源相对应的几何体。使用Self-Illumination(自发光)材质使几何体像发射灯光一样出现。

要使用制造商的IES、CIBSE或LTLI文件创建照明场景。

3.3.2 灯光属性

本小节介绍真实世界中的灯光。当照明场景时,真实世界中的灯光有助于了解灯光的自然行为方式。当光线到达曲面时,曲面反射这些光线,或至少反射其中的一部分,因此我们才看到曲面。曲面的外观取决于到达它的光及曲面材质的属性,如颜色、平滑度和不透明度。

1.Intensity(强度)

初始点的灯光强度影响灯光照亮对象的亮度。投射在明亮颜色对象上的暗光只显示暗的颜色。如图3-16所示。

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图3-16 强度

左:由低强度的蜡烛光照亮的房间;

右:由高强度的灯泡光照亮的同一个房间。

2.Angle of Incidence(入射角)

曲面与光源倾斜得越多,曲面接收到的光越少并且看上去越暗。曲面法线相对于光源的角度称为入射角。

当入射角为0°(也就是说,光源与曲面垂直)时,照亮曲面的光源的强度为100%。随着入射角的增加,照明的强度逐渐减小,如图3-17所示。

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图3-17 入射角影响强度

3.Attenuation(衰减)

在现实世界中,灯光的强度将随着距离的增长而减弱。远离光源的对象看起来更暗,距离光源较近的对象看起来更亮。这种效果称为衰减。

实际上,灯光以平方反比速率衰减。即其强度的大小与到光源距离的平方成反比。当光线由大气驱散时,通常衰减幅度更大,特别是当大气中有灰尘粒子,如雾或云时。衰减

效果如图3-18所示。

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图3-18 衰减

A:反向衰减;

B:平方反比衰减。

其中的图形显示了衰减曲线。

4.Reflected Light and Ambient Light(反射光和环境光)

对象反射光可以照亮其他对象。曲面反射光越多,用于照亮其环境中其他对象的光也越多。

反射光创建环境光。环境光具有均匀的强度,并且属于均质漫反射。它不具有可辨别的光源和方向。反射光与环境光如图3-19所示。

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图3-19 反射光和环境光

A:平行光;

B:反射光;

C:导致环境光。

5.Color and Light(颜色和灯光)

灯光的颜色部分依赖于生成该灯光的过程。例如,钨丝灯投射橘黄色的灯光,水银蒸

汽灯投射冷色调的浅蓝色灯光,太阳光为浅黄色。灯光颜色也依赖于灯光通过的介质。例如,大气中的云将阳光染为天蓝色,脏玻璃可以将灯光染为浓烈的饱和色彩。

灯光颜色为加性色;灯光的主要颜色为红色、绿色和蓝色(RGB)。当与多种颜色混合在一起时,场景中总的灯光将变得更亮并且逐渐变为白色。图3-20所示的是彩色灯光的加性混合。

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图3-20 彩色灯光的加性混合

6.Color Temperature(颜色温度)

颜色温度使用开尔文(K)表示。对于描述光源的颜色和与白色相近的其他颜色值,该属性非常有用。图3-21显示了某些类型灯光的颜色温度,其中使用了等值的色调编号(由HSV颜色描述)。

如果对场景中的灯光使用这些色调编号,则将该值设置为全部(255),然后调整饱和度以满足场景的需要。心理上我们倾向于纠正灯光的颜色,以便对象看起来像由白色的灯光照亮。通常场景中颜色温度的效果很小。图3-21所示的是颜色温度表。

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图3-21 颜色温度表

3.3.3 照明指南

摄影师、电影摄制者和舞台设计者使用的照明指南也可以帮你设置3ds max中场景的照明。

照明的选择取决于场景模拟的是自然照明还是人工照明。自然照明场景,如日光或月光,从一个光源获取最重要的照明。而人工照明场景通常有多个相似强度的光源。

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提示:如果使用标准而不是光度学灯光,那么这两种场景都要求有多个次级光源

以获得有效照明。

1.Natural Light(自然光)

为了更实用,在地平面上阳光具有来自一个方向的平行光线。方向和角度因时间、纬度和季节而异。

在晴朗的天气里,阳光的颜色为淡黄色,例如,RGB值为250、255、175(HSV值为45、80、255)。多云的天气里阳光为蓝色,暴风雨的天气里阳光为深灰色。空气中的粒子可以将阳光染为橙色或褐色。天空越晴朗,阴影越清晰,对于使自然照明的场景呈现三维效果的情况,阴影非常必要。

平行光也可以模拟月光。月光为白色但比阳光暗淡。图3-22所示的是拥有自然阳光的室外场景。

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图3-22 拥有自然阳光的室外场景

2.Artificial Light(人工光)

人工光无论用于室内还是夜间的室外都使用多个灯光。以下指南用于创建正常照明,清晰的场景。当然,也可不必遵循该指南,但是之后应关注照明本身而不是关注场景的主题。人工光如图3-23所示。

场景的主题应该由单个亮光照亮,该亮光称为主灯光。将主灯光定位于主题前并稍微靠上的部分。

除了主灯光之外,还需要定位一个或多个其他灯光,用于照亮主题的背景和侧面。这些灯光称为辅助灯光。辅助灯光比主灯光暗。

当只使用一个辅助灯光时,该灯光与主题和主灯光之间地平面处的角度应该为90°左右。

主灯光和辅助灯光突出场景的主题,也突出场景的三维效果。

在3ds max中,聚光灯最适合主灯光。聚光灯或泛光灯适合创建辅助灯光。环境光可以是辅助灯光的另一个元素。

可以添加灯光以突出场景中的次主题。在舞台术语中,这些灯光称为特殊灯光。特殊灯光通常比辅助灯光更亮,但比主灯光暗。

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图3-23 人工光

3.Ambient Light(环境光)

3ds max中的环境光模拟从灯光反射远离漫反射曲面的常规照明。环境光设置决定阴影曲面的照明级别,或决定不接收光源直接照明曲面的照明级别。在Environment(环境)面板上的环境光级别部分设定场景的基本照明级别,之后才考虑光源。该级别设置的是场景的最暗部分。

Ambient Light(环境光)通常用于外部场景。当天空的主要照明在背向太阳的曲面上产生均匀分布的反射灯光时,用于加深阴影的常用技术是对环境光颜色进行染色,以补充场景主灯光。

与外部场景不同,内部场景通常拥有很多灯光,并且常规环境光级别对于模拟局部光源的漫反射并不理想。对于外部场景来说,通常将场景的环境光级别设置为黑色,并且使用仅影响环境光的灯光来模拟漫反射的区域。环境光如图3-24所示。

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图3-24 环境光

3.4 Standard Lights(标准灯光)

标准灯光是基于计算机的对象,用以模拟灯光,如家用或办公室灯,舞台或电影工作时使用的灯光设备,以及太阳光本身。不同种类的灯光对象可用不同的方式投射灯光,用于模拟真实世界中不同种类的光源。与Photometric Lights(光度学灯光)不同,标准灯光不具有基于物理的强度值。

以下是6种类型的标准灯光对象(如图3-25所示):

Target Spotlight(目标聚光灯)

Free Spotlight(自由聚光灯)

Target Direct Light(目标平行光)

Free Direct Light(自由平行光)

Omni Light(泛光灯)

Skylight(天光)

目标聚光灯目标平行光

泛光灯

自由聚光灯

自由平行光

天光

图3-25 标准灯光

3.4.1 Target Spotlight(目标聚光灯)

聚光灯像闪光灯一样投射聚焦的光束。这常见为剧院中或桅灯下的聚光区。Target Spotlight(目标聚光灯)使用目标对象指向摄影机,如图3-26所示。

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图3-26 目标聚光灯

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提示:当添加目标聚光灯时,软件将为该灯光自动指定Look At Controller(注视控制器),灯光目标对象指定为“注视”目标。可以使用Motion(运动)面板上的控制器设臵将场景中的任何其他对象指定为“注视”目标。

3.4.2 Free Spotlight(自由聚光灯)

与Target Spotlight(目标聚光灯)不同的是,Free Spotlight(自由聚光灯)没有目标对象。可以移动和旋转自由聚光灯以使其指向任何方向,如图3-27所示。

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图3-27 自由聚光灯

上:Free Spotlight(自由聚光灯)的透视视图;下:相同灯光的顶视图。

3.4.3 Target Direct Light(目标平行光)

当太阳向地球表面上投射光线(适用于所有实践)时,所有的平行光以一个方向投射平行光线。平行光主要用于模拟太阳光。可以调整灯光的颜色和位置并在3D空间中旋转灯光。

Target Direct Light(目标平行光)使用目标对象指向灯光,如图3-28所示。

由于平行光线是平行的,所以平行光线呈圆形或矩形棱柱而不是“圆锥体”。

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图3-28 目标平行光

3.4.4 Free Direct Light(自由平行光)

与Target Direct Light(目标平行光)不同的是,Free Direct Light(自由平行光)没有目标对象,如图3-29所示。移动和旋转灯光对象以在任何方向指向它。

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图3-29 自由平行光

上:自由平行光的透视视图;下:相同灯光的顶视图。

3.4.5 Omni Light(泛光灯)

Omni Light(泛光灯)从单个光源向各个方向投射光线。泛光灯用于将“辅助照明”添加到场景中,或模拟点光源,如图3-30所示。

Omni Light(泛光灯)可以投射阴影和投影。单个投射阴影的泛光灯等同于6个投射阴影的聚光灯,从中心指向外侧。

当设置由Omni Light(泛光灯)投射的贴图时(该Omni Light(泛光灯)要使用Spherical (球形)、Cylindrical(圆柱形)、Shrink Wrap Environment(收缩包裹环境)坐标进行投射),投射贴图的方法与映射到环境中的方法相同。当使用Screen Environment(屏幕环境)坐标或Explicit Map Channel Texture(显式贴图通道纹理)坐标时,将以放射状投射贴图的6个副本。

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提示:Omni Light(泛光灯)最多可以生成6个Quadtree(四元树),因此它们生成光线跟踪阴影的速度比聚光灯要慢。要避免将光线跟踪阴影与泛光灯一起使用,除非场景中有这样的要求。

Quadtree(四元树)是一种用于计算光线跟踪阴影的数据结构。它从灯光的角度表现场景。Quadtree(四元树)的根节点列出了在视图中可见的所有对象。如果可视对象过多,

节点会生成另外4个节点,均代表视图的1/4,并分别列出所在部分的对象。该过程以自适应方式持续进行,直到每个节点都只有少量对象,或者Quadtree(四元树)达到其深度限制(可以为每个灯光分别设置)。

每条阴影投射光线都需要测试与对象的相交性,这只在Quadtree(四元树)的一个叶节点上进行。这样有助于加速光线追踪过程。通常来说,增加Quadtree(四元树)的最大深度可以在占用一定内存空间的情况下加速光线追踪。

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图3-30 泛光灯

上:泛光灯的顶部视图;下:相同灯光的透视视图。

Quadtree(四元树)的最大值是2的Quadtree(四元树)最大深度次幂的平方。深度为7时,Quadtree(四元树)最多拥有128×128个叶节点;深度为10时,Quadtree(四元树)最多拥有1 028×1 028个叶节点,依此类推。(另一方面,因为每个后续节点都含有更少的对象,所以节点记录的数目随着树的加深而减少。)

3.4.6 Skylight(天光)

Skylight(天光)用于建立日光的模型,意味着与Light Tracer(光跟踪器)一起使用,可以设置天空的颜色或将其指定为贴图。对天空建模作为场景上方的圆屋顶。使用单个天光和光跟踪器渲染的模型如图3-31所示。

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图3-31 使用单个天光和光跟踪器渲染的模型