前言
Render是3D软件最后输出结果时必经的一道手续，也是最后一个相当重要的关卡，如果掌控好的话，可以让您在短时间内达到最佳的结果，但是万一没有好好地去拿捏参数，可能是赔了夫人又折兵，不但平白损失了时间又获得不满意的结果。有当过兵的读者，一定曾背颂过用枪时机，同样地在Render里我们也有算图时机，因为不同的设定会符合不同的需求，这也为何Maya后来整合了Mental Ray以弥补在需求上的不足。至于这两种算图引擎，到底适用在什么样的场合上，就让我们来探讨一下。
Shadow
Light和Shadow一直是相互作用的环境因素，并且对于整个气氛的营造有相当大的影响力，因此我们在设定不同的场景时，会搭配不同的灯光与阴影的效果。例如在室外景，强烈阳光所产生的阴影效果是较为锐利的，但是相对于室内景中的柔和灯光，所产生的阴影却是呈现另一种风貌，当此阴影离物体越远时会产生越模糊的效果。有关Shadow在Maya的产生方式，我们利用下图来做解释
在产生阴影之前，会在灯光处建立一张Depth Map，此Depth Map会记录下不同物体和灯光之间的距离，越白的颜色代表靠近灯光，越黑的颜色代表远离灯光。之后测量值(白色箭头)会和存贮深度的数值(黑色箭头)做比较，当测量值的距离大于存贮深度的数值时，那么这一个点就是产生阴影的位置。
Maya Software Shadow
当Maya在计算这些深度信息，如果产生了不正确的数值时，就有可能会出现Self-Shadow的问题。以下图来解释
当取样值在物体表面上存贮一个Dmap深度资料，但是因为一个pixel所含盖的范围大于此深度资料，因此会造成深度资料不正确的情况发生。如果以深度资料当作基准点来说，当资料比基准点还近时，则会出现白色，但是如果比基准点还远的话，就会出现黑色；因此即使在一个平面上，也会因为Self-Shadow的原因而造成类似波纹或条状的情况发生。一般解决Self-Shadow有两个重要的参数，一个是Dmap Bias，另一个是Use Mid Dist Damp。当我们提高Dmap Bias参数时，最主要是让远于Dmap深度的点往前提前，如此便能确保黑白点都比Dmap深度数值更接近灯光，因此便能校正Self-Shadow的问题(图4)；但是在使用上不可将Dmap Bias的值设的过大，不然会造成阴影脱离物体表面，让物体产生飘浮在空中的错误情况发生。另一个方法Use Mid Dist Damp，是直接取两片表面的中心点来当做Dmap深度的基准点，因此不管黑点或白点，一定会比基准点还接近灯光，因此也就不会有Self-Shadow的问题了。
当一个物体能产生出立体感，那是因为物体有深度的关系，也因为有这个深度因素，才能表现出物体的阴暗面。在Maya Software Render中使用两种方式来制定阴影，一种是Depth Map Shadow，另一种是Raytrace Shadow；这两种阴影最大的不同点是，Depth Map Shadow是在算图之前就已经产生了，但是Raytrace Shadow是在算图的过程中才产生的。因此在速度上Depth Map Shadow是比Raytrace Shadow快很多，但是在品质上则是以Raytrace Shadow较好。对于这两种阴影的限制，我们以下就分别来做说明：
Depth Map Shadow最常使用到的参数就是Dmap Resolution，其实这就是Depth Map的图档大小；当Dmap Resolution数值很小时，就代表将一张小图档贴在一片大的表面上，因此所产生出来的阴影会造成严重的锯齿化；解决方法之一就是提高Dmap Resolution的数值。但是如果场景过大，迫使必须一直提高Dmap Resolution数值，才能获得较佳的阴影品质，此举势必会影响到算图的速度，其实最快的解决方法就是点选地板，将属性编辑器Render Stats栏位中的Casts Shadows关闭即可，在此并不需要调整任何Dmap Resolution数值。另外如果要产生柔边的阴影，当Dmap Filter Size数值使用过高时，也会影响到算图的效能，最好的方式是降低Dmap Resolution数值，再搭配低的Dmap Filter Size数值。以下图为例
最后阴影柔边的结果并没有什么差异性，但是较高数值的Dmap Resolution和Dmap Filter Size，却是在算图上足足慢上四倍的时间
Depth Map Shadow所产生的阴影柔边效果是全面性，并无法产生出渐渐柔化的效果，并且对于有透空贴图的物体，也无法计算出有透空的阴影，因此这些有特殊需求的阴影，就得靠Raytrace Shadow来达成。由于Raytrace Shadow的算图时间较长，除非有这四大需求才会动用到它：1.要产生出有透空贴图物体的阴影；2.要产生出有彩色透明的阴影；3.要产生出渐渐衰减的阴影；4.希望Ambient Light能产生出阴影
有关产生彩色阴影的部份，必须在材质的Transparency贴上一张彩色贴图才可以呈现。至于如何控制衰减的阴影，可以藉由Light Radius和Shadow Rays这两个参数。Light Radius主要控制衰减的程度，数值越大会越明显；Shadow Rays主要控制阴影的品质，数值越大品质越好，但是相对地算图时间也会提高
Mental Ray Shadow
在Mental Ray中同样提供了Depth Map Shadow和Raytrace Shadow，至于Mental Ray所提供的这两种Shadow到底好处在哪里？又有那些功能是Maya Software Render所达不到的呢？接下来我们就分别来做探讨。Mental Ray的Depth Map Shadow基本上的演算法和Maya是类似的，只不过它在产生阴影的准确度较高，最明显的一个部份就是Self-Shadow的问题，在Mental Ray中已经解决了Self-Shadow的问题，因此并没有Self-Shadow的参数提供使用。在Motion Blur方面，Maya Software render无法计算出有Motion Blur的影子，这方面唯有使用Mental Ray才可以做到。以下图来看不同演算法的结果
Raytrace Shadow不但在动态模糊的表现上比Depth Map Shadow还来的正确，它也可以表现出有透明度物体的阴影 ( 此物体有设透明度，在Raytrace Shadow的颜色比Depth Map Shadow的颜色还淡 )。有关在Volume质量光部份，也唯有Mental Ray的Raytrace Shadow，才能算出穿通过透明贴图的结果，这部份在Maya和Mental Ray的Depth Map Shadow是无法办到的
Light
有关在灯光方面，我们可以将Maya所提供的render定义为『直接照明』，将Mental Ray所提供的render定义为『间接照明』。( 所谓的『直接照明』就是光线直接在物体或是场景上所产生的亮度；至于『间接照明』是光线经由物体或是场景之间的反射和传递所产生的亮度 )。Global Illumination就是使用到『间接照明』的技术，而Caustics也就是『间接照明』的所呈现的效果之一。那什么是Caustics呢？简单的说，Caustics可以定义为一种聚光的效果，例如光线穿通过折射的玻璃杯，所呈现的聚光效果
或是金属反光在其他表面所产生的光影效果；或是在泳池中的水波反射到磁砖的光影效果，这些都可以称为Caustics。有一点注意的是，Directional Light并不支援Caustics的演算法
Global Illumination
Global Illumination和Caustics并无法经由一般的Raytrace来计算出结果，Mental Ray为了解决此问题，使用了一种叫Photon Map的方式来计算。同样灯光是光的来源，但不是使用灯光的强度(Intensity)来照明，而是以光子(Photon)来当做传播的能量，我们可以想像这些光子如同上油漆的弹力球一样，会在环境中一直反弹着，直到能量被吸引掉或消失在无限的距离时才会终止。而这些光子在反弹过程中，会将能量记录在Photon Map里，以做为运算场景时所需的照明。以图为例，此两张图的灯光摆设完全相同由上往下打，但是在结果上却有明显的差异。以间接照明来说明，因为光子打在地板反射的原因，才会造成球体的下半部较为明亮，另一方面在环境中并没有设定顶盖，因此球体并没有来自顶盖的反射，这也是造成上半部黑暗的原因
由于Global Illumination是属于间接照明，因此在呈现上并没有像直接照明那么直接，通常必须经由反覆地测试才可以得到满意的结果。以下就简单地来介绍一下，某些重要的参数设定及步骤，至于数值只是提供参考，因为整个结果会依不同的场景大小而改变。一开始将Spot Light的Intensity设为0，并勾选Emit Photons；至Render Globals 的mental ray，将Quality 改为PreviewGloballlum
接下来我们分四个步骤来调整：1.调整Energy和Exponent数值；Energy三个栏位代表RGB数值，如果数值提高代表能量加强，会让反弹次数变多使整个画面变更亮。Exponent代表衰减值，数值增加代表衰减越快。2.调整光子颗粒大小，以上图来看，最左边那张图可以很清楚地看到一颗颗的光子的形状，经由调整光子的Global Illum Radius数值可以解决此问题，当数值增加到没有任何改变时，我们就可以往下一个步骤前进3.调整Global Illum Accuracy：此参数最主要是提供光子之间的混合程度，当数值越大溶合的程度就越好，当画面已经生现较柔和的结果时，我们就可以进行最后的一个步骤4.增加Global Illum Photons的数量。有关调整四个步骤的参数值，都是等一个参数调整到没什么改变时，才会接下去另一个参数来调整
Final Gather
Final Gather同样也是属于间接照明的一种，它可以和Global Illumination一起共用或是单独来做运算。有关Final Gather的演算法，它会认定于场景中的每一个物体，都可以当做是一个灯光的来源，因此在场景中不需要任何灯光，就可以达到照明的效果。但是Final Gather和Global Illumination有一个最大的不同点，Global Illumination会藉由光子在环境中重覆地反射，但是Final Gather只会藉由光线(Ray)做一次投射。因此Final Gather Ray可以将物体颜色或灯光的漫射，传递到另一个物体上，但是这只允许针对第一个表面，对于从第二个表面就不会有反射的效果了
Final Gather通常会使用一个半球体来当做照明的来源，在半球体表面上的每个点，都可以想像为直接照明的每盏灯光，但是如果Final Gather都对每个点来做运算时，就会如同场景中布满了灯光一样，肯定会造成相当大的算图负担。因此为了增加算图的效能，Final Gather会以一个区域的点来做为取样的平均值，至于定义这个区域的范围大小，就是使用Min Radius 和Max Radius这两个参数来决定；一般Max Radius的数值可以取场景的10%来做为大小，Min Radius的数值则是取Max Radius的10%来做为大小。有关Final Gather的使用时机有下列几种状况：1.适合使用在灯光没有做大幅度改变的环境下，及在一个灯光漫射的环境里。2.解决因为Global Illumination所造成影片闪烁的问题，和较低光子数目的环境中。3.为了求得更好更细腻的画质。4.与Global Illumination结合使用，以获得更拟真的画面。5.为了获得令人信服的阴影效果。6.为了排除阴暗角落的问题
接下来我们用一个简单的场景来介绍Final Gather，在场景中除了圆球、地板和Directional Light外，另外有一个半球体来做为环境的灯光来源。在材质的设定上都以Lambert为主，颜色部份将半球体设为蓝色，圆球设为红色，地板设为白色。首先至Render Globals 将Render Using 改为mental ray，并勾选Final Gather启动其算图设定。首先我们先测试一个没有灯光的环境，将Directional Light的Illuminates By Default选项取消，提高半球体材质的Incandescence数值，让整个场景的光源来自于半球体。有关Final Gather rays的数值会取决于最后的影像画质，当数值越高所获得的画质越佳。在一般做测试时我们可以将Final Gather rays降低为100以加快算图的速度，等最后确定后再调高其数值。有关要让物体颜色渗色(Bleed)到其他表面时，可以调整其材质的Ambient Color或是Incandescence。以图为例，如果我们希望红色圆球的颜色投射到地板上，有两种作法；一个是提高Ambient Color的明暗度(V)数值，另一个是调整Incandescence的颜色为红色，并调整其明暗度数值，这两种方式最后所计算出来的结果是相同的
接下来测试开启灯光后的环境，先勾选Directional Light的Illuminates By Default选项，将半球体材质的Incandescence数值设为0，让整个场景以灯光来影响照明。此时灯光所照射的角度，会因为所照射到的物体而影响到最后的算图结果。以下图来解释，当灯光往上打时，半球体会接受到大部份的灯光，因此地板会因为半球体颜色投射而呈成现蓝色；在圆球部份，因为灯光打在下半部，因此会造成红色很强烈地投射到地板上。右边那张图显示灯光往下打，现在大部份的灯光都打在地板上，因此圆球下半部会因为地板投射，在边缘上会呈现较为明亮的颜色；在半球体部份因为获得较少的光源，因此地板只有在边缘部份才看得到泛蓝的颜色
在每个材质内的mental ray栏位有一个Irradiance Color参数，此参数最主要是用来控制渗色的程度；以下图来做解释，当降低地板的Irradiance Color时，地板会因为无法接受到其他物体所投射来的颜色而变成黑色；但是当Irradiance Color设为100%红色时，地板只会接受红色圆球所投射出来的颜色，其余部份会以黑色来显示同样的当Irradiance Color设为和半球体相同的蓝色时，地板只会显示出蓝色的部份，至于红色圆球所投射出来的颜色，则以黑色来取代
至于红色圆球所投射出颜色的多寡，则是由本身材质的Ambient Color来决定
HDRI
HDRI为高能量范围影像(High Dynamic Range Image)的缩写，它虽然看起来和一般图档一样，但是里面却大有文章，其实HDRI是由不同曝光值影像所组成的影像
因此它在定义颜色范围上会比传统的影像(称为LDRI低能量范围影像)还来的大很多。HDRI和LDRI的最大的不同点，就是它的RGB Channel数值可以是浮点值，不像一般影像是以0~255整数值来定义颜色，因此HDRI影像可以包含比24位或是32位更高的信息。关于颜色定义方面，由于HDRI并不局限于(0,0,0)黑色，(255,255,255)白色的限制，对于每个Channel的数值就算是超过255还是属于合法值，也因此在表现物体的高反光亮点方面，会比一般LDRI所产生的反光点还来的真实；另一方面在一般看起来全黑的影像中，如果以HDRI来表现，依旧可以在黑暗中看到一些明亮的部份
有人说HDRI是可以＂发光＂的，其实这种说法并不正确，正确的说法应该它是张照明贴图(Lighting Texture)，当它搭配Final Gather的演算法之后，图档上的明暗及色彩资料就如同是每盏灯光一样，因此Final Gather会以这此信息来当做灯光的依据，由于这些灯光是来自四面八方的，也因此所投射出来的光线会更趋近于自然光
我们用一个简单的场景来介绍HDRI与Final Gather的应用，在场景中有一个地板，一个戒指和一个做为照明的球体。首先产生一个Lambert，在Ambient Color内使用File Texture方式贴上一张HDR的图档，将Diffuse值设为0，将Color设为全白，最后将此材质指定给球体来当做照明。在地板部份产生一个Lambert，将Color及Bump Mapping上贴上一张木纹贴图，将Diffuse值设为0.15，在这里不能设为0，因为如果设为0时就不会反应出本体色而造成全黑的结果。对于戒指部份，产生一个Blinn材质，将Color设为全白，Ambient Color 的V值为0.15，Diffuse值设为0，至于戒指上的反光亮点可以藉由HDR图档来呈现，因此我们可以将产生亮点的参数Eccentricity设为0，将Specular Roll Off设为1，Specular Color设为全白，将Reflectivity设为1。至Render Globals 将Final Gather开启，将Final Gather rays设为100，再执行Render后得到如下图左边的结果。如果要模拟出金属反光在木头上的Caustics效果，则必须加一盏Spot Light将Intensity设为0，并勾选Emit Photons，至Render Globals将Caustics开启，最后算图的结果如图右边，在戒指内圈的地方可以很明显地看到Caustics的效果

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