Методическое пособие для слушателей курса

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет
информационных технологий, механики и оптики
И.Б.Петров
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
(КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ)
по изучению образовательного модуля
Архитектурная визуализация с использованием
Autodesk 3ds Max Design и mental ray
1
Санкт-Петербург
2012
2
Автор пособия: Петров Иван Борисович – старший преподаватель кафедры
Компьютерного проектирования и дизайна Академии методов и техники
управления
(«ЛИМТУ»)
Санкт-Петербургского
государственного
университета информационных технологий, механики и оптики, член Союза
дизайнеров России, дипломант Биеннале дизайна «Золотой Модулор 2003»,
лауреат премии Правительства Санкт-Петербурга в области литературы,
искусства и архитектуры.
2 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
по изучению образовательного модуля
Архитектурная визуализация с использованием Autodesk 3ds Max Design и
mental ray
СПб: СПбГУ ИТМО, 2012. – 26 С.
Учебно-методическое пособие предназначено для изучения технологий
программы Autodesk 3ds Max Design и mental ray при создании
архитектурных визуализаций. Пособие используется во время лекционных и
практических занятий, а также для самостоятельной работы. Материал
включает в себя краткий конспект лекций, иллюстрации интерфейса, меню,
панелей инструментов и диалоговых окон программы.
Рекомендовано к печати на заседании Ученого совета ЛИМТУ
«____»______________2012 г. протокол №____
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
1
Введение
4
2
Базовые концепции mental ray
7
2.1 Шейдеры
7
2.2 Глобальное освещение сцены
10
2.3 Финальная сборка
18
2.4 Фотонная карта
20
2.5 Окружающее
22
3
Общие рекомендации по использованию mental ray
23
3.1 Рекомендованные типы материалов
23
3.2 Источники света и расчет падающих теней
24
3.3 Управление экспозицией кадра
25
4
ВВЕДЕНИЕ
mental ray® является одним из модулей визуализации программы Autodesk
3ds Max Design. Возможно, что это лучший модуль визуализации,
обладающий невероятным потенциалом для дальнейшего развития.
Будучи более чем просто модулем визуализации, mental ray предлагает к
использованию специальные типы материалов, фотометрические источники
освещения, развитые инструменты управления итоговой визуализацией. Вы
должны, начиная работу над новым проектом, заранее определиться с тем,
какой модуль визуализации будет использоваться - Default Scanline Renderer
или mental ray renderer. От этого выбора зависит то, какими типами
материалов и источников освещения можно будет пользоваться в работе:
если будут использоваться стандартные типы материалов/источников света,
то mental ray сможет с ними взаимодействовать (с определенными очень
незначительными ограничениями); если предполагается использовать
материалы/источники света, специфичные для mental ray, то стандартный
модуль визуализации (Default Scanline Renderer) не сможет с ними работать.
Заметим, что не только mental ray может в своей работе создавать физически
корректные модели освещения сцены, но он также может визуализировать
все возможные визуальные феномены за счет использования полностью
программируемых библиотек и шейдеров.
mental ray обладает потрясающе развитым параллелизмом в обработке
информации. Множественные потоки данных обрабатываются параллельно
(в одно и то же время) на одно- и многопроцессорных компьютерах или на
нескольких компьютерах в рамках сетевой визуализации.
Важно, что только инкрементальные изменения в базе данных описания
сцены обрабатываются от кадра к кадру при визуализации анимации. Это
позволяет сохранить большое количество компьютерного времени по
сравнению с другими алгоритмами расчета освещения сцены.
При использовании mental ray Вы сразу обратите внимание на несколько
заметных отличий в окне визуализируемого кадра - Rendered Frame Window
(RFW). В отличие от стандартного визуализатора, который выводит в это
окно результат работы строками пикселов сверху вниз, mental ray
визуализирует кадр сегментами (buckets) – небольшими прямоугольными
блоками пикселов. Как только очередной сегмент кадра обработан, в окне
визуализируемого кадра черный фон в этом месте сменяется на новый
фрагмент изображения (Рисунок 1). Это позволяет получить наглядное
представление о ходе визуализации сцены.
Порядок обработки (визуализации) сегментов итогового изображения может
быть различным. По умолчанию, mental ray выбирает такой порядок
обработки, который позволяет минимизировать затраты оперативной памяти
при переходе к следующему сегменту. При сетевой визуализации порядок
5
обработки сегментов выбирается таким, чтобы минимизировать сетевой
трафик и сбалансировать нагрузку на процессоры используемых в работе
компьютеров.
Рисунок 1
Дополнительная панель Reveal предоставляет доступ к глобальным
настройкам управления сглаживанием, качества расчета
отражений/преломлений в материалах и мягких теней, точностью работы
алгоритма Final Gather (Рисунок 2).
6
Рисунок 2
Вы можете быстро менять настройки визуализации, добиваясь либо
улучшения качества финального изображения, либо повышения скорости его
визуализации.
7
БАЗОВЫЕ КОНЦЕПЦИИ MENTAL RAY
Работая с mental ray, Вам необходимо хорошо понимать его базовые
концепции.
Шейдеры (Shaders)
Шейдеры – это маленькие программы, решающие специфические задачи в
процессе визуализации изображения трёхмерной сцены. В основном, каждый
шейдер получает на входе определенные параметры и после их обработки
возвращает результат основной программе. Для примера, если Вы
используете шейдер, моделирующий дисторсии объектива съёмочной
камеры, результатом будет искривленное изображение, визуализированное с
учетом сделанных Вами настроек шейдера (Рисунок 3а и Рисунок 3б).
Рисунок 3а
8
Рисунок 3б
mental ray экстремально гибок в управлении шейдерами. Все шейдеры
работают совместно при обработке (транслировании) данных сцены и
визуализации итогового изображения.
Шейдеры могут быть применены к различным типам объектов сцены, таким
как геометрические модели, источники освещения, съёмочные камеры. В
зависимости от того, к чему Вы хотите применить шейдер, будет зависеть
список возможных (доступных) шейдеров в окне Material/Map Browser.
Использование шейдеров можно сравнить с традиционной техникой
картирования материалов, известной Вам по работе в программе Autodesk
3ds Max. Фактически, mental ray может работать с большинством типов карт,
доступных в программе Autodesk 3ds Max. Например, если Вам необходимо
использовать какое-то изображение для текстурирования поверхности
объекта, то совершенно не требуется применять для этого специфический
шейдер mental ray. Просто используйте стандартную карту типа Bitmap для
достижения необходимого результата.
На следующих рисунках контурный шейдер используется для придания
финальной визуализации «мультяшного» вида (Рисунок 4а и Рисунок 4б).
9
Рисунок 4а
Рисунок 4б
Помните, что шейдеры не ограничиваются только управлением свойствами
материалов, они также могут контролировать источники освещения,
съёмочные камеры и многое другое. Шейдеры могут быть использованы при
расчете отражений лучей света, вычислении падающих теней, визуализации
специальных эффектов глобального освещения сцены или вторичных
зеркальных отражений/преломлений, а также многого другого.
10
Глобальное освещение сцены (Global Illumination)
Глобальное освещение – это универсальный термин, описывающий сцену, в
которой учтены все аспекты наблюдаемого освещения: падающего на
объекты сцены света, а также отраженного и преломленного ими света.
Алгоритмы визуализации, которые могут вычислять траекторию движения
световых лучей между поверхностями объектов сцены, называются
алгоритмами Global Illumination. Двумя важнейшими алгоритмами расчета
глобального освещения сцены являются алгоритм трассировки лучей
(Raytracing) и метод излучательности (Radiosity). Метод расчета
излучательности поверхностей объектов используется модулем визуализации
Default Scanline Renderer, mental ray использует алгоритмы трассировки
лучей.
Трассировка лучей работает так: вообразите комнату, освещенную
единственным источником света. Этим источником излучаются маленькие
частицы света, называемые фотонами (Photons). Эти фотоны попадают в
поверхности различных объектов сцены, таких как потолок или стены.
В зависимости от материалов этих поверхностей, фотоны либо отражаются,
либо поглощаются. Фотоны, «путешествующие» в пространстве сцены
имеют определенные длины волн (т.е. цвета). Эти длины волн могут
меняться в зависимости от того, с поверхностями какого цвета фотоны
взаимодействуют.
Если поверхность объекта очень гладкая, то свет отражается от них под
таким же углом, под которым падал. Такие поверхности – зеркала –
генерируют так называемые зеркальные отражения (Specular Reflections).
Если поверхность объекта шероховатая, то падающие на неё фотоны
отражаются под разными углами. Такой тип поверхностей генерирует
диффузные отражения (Diffuse Reflections).
Результирующее освещение нашей воображаемой комнаты образуется
комбинацией этих двух типов световых отражений, порождаемых
миллионами фотонов, излученных источником освещения, и зависящих от
свойств материалов и поверхностей внутри комнаты. Таким образом, на
поверхности любого объекта мы имеем как прямое освещение (Direct
Illumination) от фотонов, которые «прилетели» напрямую от источника
освещения, так и непрямое освещение (Indirect Illumination) от фотонов,
которые предварительно отразились от других объектов (поверхностей)
внутри комнаты.
Используя описанную выше технологию, называемую методом фотонных
карт (Photon Map), можно рассчитать глобальное освещение сцены.
Очевидно, что mental ray должен иметь информацию обо всех источниках,
которые порождают глобальное освещение сцены, а также о тех объектах,
которые генерируют или получают такого рода освещение.
11
Ещё одной техникой, которую использует mental ray для расчета глобального
освещения сцены, является метод финальной сборки (Final Gather). Так же
как и метод фотонных карт, он является физически корректным и
представляется хорошей альтернативой первому. Метод Final Gather
использует в своей работе выпущенные в пространство сцены лучи (так же
как и метод фотонных карт), но с одним принципиальным отличием. Лучи,
используемые для алгоритма Final Gather, не испускаются от источников
света или съемочной камеры; они испускаются от самой геометрии объектов.
Давайте подробнее рассмотрим все отдельные компоненты глобального
освещения сцены, которые при совместном использовании придают
визуализируемой сцене фотографическую реалистичность.
Прямой свет (Direct Light)
Прямой свет – это наиболее общий термин в трёхмерной компьютерной
графике. В общем случае, это свет, присутствующий в сцене, где все лучи
света прослеживаются только до первого столкновения с какой-либо
поверхностью – т.е. световые отражения не принимаются в расчет. Типичный
пример такого освещения можно увидеть на Рисунке 5, где показана сцена с
единственным источником прямого света (в данном случае, Солнцем).
Рисунок 5
Никаких специальных дополнительных вычислений не требуется для расчета
прямого освещения и визуализация в данном случае происходит очень
быстро. При визуализации прямого освещения сцены mental ray может
работать как со стандартными источниками света программы Autodesk 3ds
Max Design, так и со своими специальными источниками освещения.
12
Тени (Shadows)
Различные типы теней используются при работе модуля визуализации mental
ray. Большинство обычных типов теней программы Autodesk 3ds Max Design
поддерживаются; для неподдерживаемых типов mental ray автоматически
переключится на трассируемый тип теней и выдаст пользователю
соответствующее сообщение.
Трассируемые тени (Ray-Traced Shadows) являются наиболее аккуратным
методом расчета падающих теней. При использовании этого типа теней
mental ray может визуализировать мягкие тени от объектов (Soft Shadows).
Для вычисления трассируемых теней из визуализируемой точки сцены в
сторону всех источников света прослеживаются лучи – нет ли пересечений с
какими-либо объектами. Если такое пересечение обнаружено, то в
визуализируемой точке генерируется падающая тень. Непрозрачные
препятствия (объекты) генерируют плотные падающие тени; прозрачные
объекты порождают менее плотные и цветные тени, зависящие от свойств
материала встреченного препятствия.
Если используются на сцене ареальные источники освещения (Area Lights),
то возможно, что часть такого источника света не видна из визуализируемой
точки сцены. Это порождает различия в интенсивности освещения соседних
точек сцены, что придает визуализации дополнительный реализм за счет
мягких теней с размытыми краями (Soft-Edged Shadows). Если за
освещаемыми объектами не будет каких-либо дополнительных источников
освещения, то порождаемые ими падающие тени будут плотными и черными
Рисунок 6).
13
Рисунок 6
Альтернативой трассируемым теням могут служить карты теней (Shadows
Maps). Карты теней дают гораздо менее аккуратный результат визуализации
падающих теней, но требуют и гораздо меньше времени на вычисление. При
использовании этого алгоритма прозрачные объекты не дают по умолчанию
прозрачных теней, но в mental ray есть возможность добиться такого
результата.
Отраженный свет (Bounced Light)
Отраженный свет или диффузная подсветка (Diffuse Light) появляются на
сцене, если в рассмотрение начинаю приниматься отражения световых лучей.
Т.е. если световые лучи не «поглощаются» первой же вставшей на их пути
поверхностью, а повторно используются на сцене после отражения или
преломления от препятствия. На Рисунке 7 добавление отраженного света
высветлило собственные и падающие тени.
Рисунок 7
Окружающее освещение (Environment Light)
Еще одним компонентом глобального освещения сцены является метод
расчета окружающего освещения. На Рисунке 8 окружающее освещение
порождается свечением неба (Skylight).
14
Рисунок 8
Материалы (Materials)
Материалы добавляют при итоговой визуализации дополнительный реализм
объектам сцены. Материалы могут быть цветными или обладать текстурной
поверхностью, быть прозрачными или просвечивающими (Рисунок 9).
Материалы взаимодействуют с источниками освещения. В реальной жизни
мы можем наблюдать такие световые феномены, как цветовые рефлексы
(Color Bleeding), отражения (Reflections), преломления (Refractions) и
вторичные зеркальные отражения/преломления (Caustics).
В терминах mental ray материалы – это группы шейдеров, которые совместно
описывают свойства данной поверхности. Различные определения
материалов требуют различных шейдеров, но всегда обязательно
используются поверхностные шейдеры. В более сложных материалах
шейдеры могут использоваться для таких компонент, как падающие тени или
самосвечение. mental ray работает с большинством стандартных типов
материалов программы Autodesk 3ds Max Design, но также имеются и
специальные типы материалов.
15
Рисунок 9
Вторичные зеркальные отражения/преломления (Caustics)
Эффект вторичных зеркальных отражений или преломлений порождается
отражением света от зеркальных поверхностей (например, полированного
металла) или прохождением световых лучей через прозрачные материалы
(например, стекло или воду).
На Рисунках 10а и 10б показаны хорошие примеры этого светового эффекта:
зеркальное отражение лучей света от поверхности воды и преломление лучей
света через поверхность бутылки с вином.
16
Рисунок 10а
Рисунок 10б
Для визуализации этого светового эффекта используется специальный метод
расчета, базирующийся на технике фотонных карт. Для работы с вторичными
зеркальными отражениями/преломлениями Вы должны сообщить модулю
mental ray какие источники освещения и объекты будут учитываться в
процессе вычислений данного эффекта.
17
Волюметрический эффекты (Volumetric Effect)
Еще одним специальным световым эффектом является волюметрический
эффект. Этот эффект придает итоговой визуализации дополнительный
реализм. Волюметрический эффект возникает тогда, когда световые лучи
проходят через некую среду, например, воздух, содержащую какие-то
примеси (туман, пыль, дым и т.п.). На Рисунке 11 показана сцена, где свет от
источника пробивается сквозь дымку.
Рисунок 11
18
Финальная сборка (Final Gather)
Ранее мы уже в первом приближении обозначили два основных метода
расчета непрямого освещения сцены – метод финальной сборки и техника
фотонной карты. Оба метода физически корректно вычисляют результат, но
первый из них (Final Gather) выглядит предпочтительнее с точки зрения
производительности и качества получаемого результата.
Как упоминалось ранее, фундаментальным отличием алгоритма финальной
сборки является то, что он использует в своей работе трассировку лучей,
начинающихся на поверхностях наблюдаемых объектов, а не лучей,
исходящих из источников света или съёмочной камеры. При использовании
метода Final Gather лучи с поверхностей объектов направляются в
окружающее пространство сцены для сбора информации об этом окружении.
Метод собирает эту информацию и на её основе вычисляет, как много света
может попасть в определенную точку поверхности объекта. При этом также
учитывается (интерполируется) информация из соседних точек, для которых
также проводился сбор информации.
Метод Final gather может быть применен для вычисления непрямого
освещения сцены без использования дополнительных алгоритмов расчета
глобального освещения (например, техники фотонной карты). Несмотря на
то, что итоговые визуализации, выполненные с применением метода
финальной сборки и техники фотонной карты, могут иметь отличия, они обе
будут на 100% физически корректны.
Метод Final Gather по умолчанию настроен так, что не использует
дополнительные отражения лучей. Это приводит к тому, что визуализации,
выполненные с использованием финальной сборки, обычно выглядят
несколько темнее, чем выполненные с использованием техники фотонной
карты, в которой множественные дополнительные отражения фотонов
разрешены по умолчанию. Важно заметить, что алгоритм Final Gather может
быть настроен на вычисление этих дополнительных световых отражений.
Конечно же, обе эти техники можно комбинировать. В идеале, это может
улучшить итоговое изображение: техника фотонных карт гарантирует
достаточную «глубину» проникновения световых лучей в труднодоступные
участки сцены, а метод финальной сборки обеспечит необходимую
детализацию светотеневых переходов и смягчит цвета в изображении
(Рисунок 12).
19
Рисунок 12
20
Фотонная карта (Photon Map)
Модуль визуализации mental ray может использовать для расчета непрямого
освещения сцены технику фотонной карты. Источники освещения испускают
лучи света, которые могут быть представлены как маленькие частички,
называемые фотонами.
Эти фотоны могут быть прослежены (трассированы) на всем протяжении их
«путешествия» между объектами сцены. Фотоны в mental ray моделируют
феномен фотонов света в реальном мире. Эти фотоны отражаются зеркалами,
преломляются стеклами, рассеиваются диффузными поверхностями.
Каждый источник света обладает определенной энергией светового потока,
которая делится между всеми испущенными фотонами. Когда фотон
начинает своё движение внутри сцены он обладает определенной энергией и
цветом, соответствующим цвету источника освещения. Эти цвет и энергия
изменяются при каждом столкновении с поверхностями объектов сцены.
Когда процесс трассировки столкновений прекращается фотон остается с
такими количеством энергии и цветом, которые полностью отличаются от
изначальных.
Фотоны используются только для вычисления непрямого освещения, т.е.
первое столкновение фотона с препятствием не учитывается. Начиная со
второго столкновения с поверхностью, mental ray начинает анализировать
материал препятствия и решать, что должен фотон делать дальше. Если
материал препятствия зеркальный, то фотон без изменения отражается
обратно на сцены. Если препятствие блестящее и жёлтое, то часть энергии
фотона поглощается, его цвет меняется на жёлтый и он продолжает своё
движение до следующего препятствия.
Такая трассировка движения фотона продолжается до тех пор, пока фотон не
достигнет диффузной поверхности, на которой оставит свой итоговый
«отпечаток», т.е. сформирует очередной элемент фотонной карты.
Таким образом, сформированная фотонная карта будет представлять из себя
трёхмерный массив записей «отпечатков» фотонов на диффузных
поверхностях. Процесс создания фотонной карты зависит от количества
фотонов, используемых для её построения.
Как только процесс генерации фотонной карты будет закончен, эта
информация может быть использована при итоговой визуализации сцены:
значения конечной энергии фотонов и их цвета усредняются для области
определенного радиуса, что позволяет получить гладкий результат расчета
непрямого освещения для каждой конкретной точки трёхмерного
пространства сцены.
Главными недостатками техники фотонной карты являются большое время
вычисления её и существенные требования к количеству свободной памяти
компьютера.
21
Фотонные карты, необходимые для расчета эффектов глобального освещения
и вторичных зеркальных отражений/преломлений вычисляются и
сохраняются отдельно. Это предоставляет возможность визуализировать эти
два эффекта независимо друг от друга с применением различных настроек
радиуса области, в которой происходит усреднение значений.
22
Окружающее затенение (Ambient Occlusion)
Третья техника mental ray, которая может быть использована для создания
эффекта непрямого освещения, не является физически корректной. Её
название – окружающее затенение. Эта техника не использует сложные
настройки освещения сцены, но при этом позволяет получать реалистичные
итоговые визуализации. Окружающее затенение создает полутоновую
монохромную карту, основанную на информации о том, какая часть
окружающего пространства может быть видна из каждой точка геометрии
объекта. Другими словами, карта окружающего затенения показывает
количество окружающего (рассеянного) освещения, которое получает
поверхность объекта.
На Рисунке 13 показана сцена, где нет ни одного источника прямого
освещения – затенение объектов проводилось с учетом только лишь
взаимного блокирования ими света от фона сцены.
Рисунок 13
23
ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ MENTAL RAY
Рекомендованные типы материалов
Полная интеграция модуля визуализации mental ray и программы Autodesk
3ds Max Design позволяет использовать при подготовке архитектурных
визуализаций любые типы материалов. Однако рекомендуется использовать
так часто, как это возможно материалы типов A&D и ProMaterials (Рисунок
14) (ProMaterials – это версия материала A&D с упрощенным интерфейсом
настроек).
Рисунок 14
Материал типа A&D (Arch & Design) спроектирован с учетом специальной
оптимизации, гарантирующей лучшее качество визуализации поверхностей и
высокую скорость обработки.
24
Источники света и расчет падающих теней
Единицы измерения и масштаб объектов
Физически корректное моделирование освещения сцены подразумевает,
среди всего прочего, что сила света затухает пропорционально квадрату
расстояния между источником света и освещаемой поверхностью. Таким
образом, критически важным становится безусловное соблюдение реальных
размеров объектов и выбор адекватных поставленной задаче единиц
измерения.
Рекомендованные типы источников освещения
При подготовке архитектурных визуализаций рекомендуется использовать
источники освещения фотометрического типа (Photometric Lights) при
моделировании искусственного освещения, а также специальные источники
mrSun и mrSky для моделирования прямого солнечного и рассеянного
дневного света (Рисунок 15а и Рисунок 15б).
Рисунок 15а
Рисунок 15б
25
Настройки расчета теней
Для успешного проведения архитектурных визуализаций рекомендуется
использовать в настройках расчета падающих теней алгоритм трассировки
теней (Ray Traced Shadow), гарантирующий быстрые вычисления при малых
затратах оперативной памяти и корректной работе с прозрачными
материалами (Рисунок 16).
Рисунок 16
Управление экспозицией кадра
Рекомендуется в работе с плагином Exposure Control использовать режим «mr
Photographic Exposure Control». Этот режим точно воспроизводит настройки
реальных съёмочных камер, но требует, чтобы сцена была корректно
смоделирована (Рисунок 17).
26
Рисунок 17