Mentalray超级手册笔记

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Mentalray超级手册笔记


前言：这本天书是官方的手册，国内翻译的，之前为了这本书我跑过3次书店，每次翻翻总看不懂，所以一直没买，最后第4次我买了下来回家看看。

前段时候，JC就告诉我该买这本书好好看了，因为是到时候看这本天书了，有了一定基础才能看这本书，加强理论。对于很多人，觉得够用就行，不太讲究理论。 但是JC和我观点一致，有了基础和理论，就能更好使用这个工具，尽量在使用中规避它自身的缺陷或者在使用中出问题了能知道问题在哪。

现在我把我看书、HELP以及网络内容的心得加上以前自己对MR的理解以及书中一些知识点跟大家分享。





明暗器（英文：Shader，超级手册称为着色器）



在 mental ray 中，明暗器是一种用于计算灯光效果的函数。明暗器可能包括灯光明暗器、摄影机明暗器（镜头明暗器）、材质明暗器和阴影明暗器等。



传统意义上，明暗器可用也决定物体表面的颜色和光照明（所以称为着色），但在MR扩展了这个概念，并使渲染所涉及的各个方面均可以自定义并且可编程，然后用“明暗器”这一术语统称它们。



MR就是由各式各样的明暗器组合而成，对于懂编程的朋友学习MR那是太简单了，能自己编出属于自己独有的明暗器。对于想我这种不懂编程的，就当天书了，了解原理就足够了。



正如mental ray的名字中所暗示的那样，它使用光线跟踪（ray tracing）来渲染图像。光线跟踪渲染算法通过从摄像机向场景“发射光线”来计算给定像素的颜色，算法中检测每根光线碰到了哪个物体，并考察该光线通 过场景空白区域传播到该点时发生了什么。算法中计算光线所碰到物体的颜色值（更确切的说就是调用桥当的材质明暗器），若该点能产生反射或折射，则再向场景 中发射间接光线，重复上述计算。光线也可以用于计算阴影，方法是探测受光点与光源之间是否存在任何遮挡物；光线还可用与final gathering(以后简称FG)以计算间接光照效果。光线跟踪有时也称之为逆向光线跟踪，因为光线从摄像机发出在场景中遍历，而在现实世界中光线是从 光源发起的（MR也支持正向光线跟踪）。



光线跟踪可以出来反射和折射，因为它们只不过是从场景中某些位置沿某方向再发射另外一跟光线（称为间接光线），光线跟踪在光线传播路径中搜索物体将花费一定的时间代价。

鉴于此，MR还支持另外一种渲染方法，称为扫描线渲染。它首先将所有物体投影到二维观察平面上，然后对它们关于y和x坐标进行排序。于是渲染过程就变的简 单地查找这个排序后的列表的过程，在大多数情况下，扫描线算法比光线跟踪算法要快许多。如果摄像机是***，不包含可以产生鱼眼镜头或景深变形等特效 的镜头变形明暗器，且场景中不包含反射和折射，则扫描线算法就可能是正确的。
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（官方HELP）渲染算法卷展栏



默认情况下，将同时启用扫描线和光线跟踪，这样 mental ray 渲染器就可以组合使用这两种方法来渲染场景。扫描线渲染仅用作直接照明（“主光线”）；而光线跟踪则用作间接照明（焦散和全局照明），反射、折射和镜头效果也一样用作间接照明。



可以禁用其中的一个选项，但不可以同时禁用两个选项。例如，如果仅启用扫描线渲染，然后将光线跟踪禁用，则3ds max将启用扫描线渲染。



“扫描线”组



启用该选项后，渲染器可以使用扫描线渲染。禁用该选项后，渲染器只可以使用光线跟踪方法。扫描线渲染比光线跟踪速度块，但不会生成反射、折射、阴影、景深或间接照明。默认设置为启用。



光线跟踪”组



启用该选项后，mental ray 使用光线跟踪以渲染反射、折射、镜头效果（运动模糊和景深）和间接照明（焦散和全局照明）。禁用该选项后，渲染器只可以使用扫描线方法。光线跟踪比较慢但却更加的精确和真实。默认设置为启用。



要渲染反射、折射、景深和间接照明（焦散和全局照明），则必须启用光线跟踪。



MR支持一大类模拟焦散和全局照明效果的算法。



焦散：是由聚焦光形成的光学图案。当光碰到反射或折射面时，光线将反射或折射到另外一个物体上形成光学图案。焦散是全局照明模拟的一个子集，但为简化模型和提高效率起见，对焦散的处理是独立进行的。



全局照明（global illumination简称GI）：此项模拟处理任意漫反射、模糊反射、镜面反射和透射。



FG：是改善全局照明效果的一项技术，它通过在着色时聚集很多光照计算，使间接照明变得更加平滑。FG也可以不启用GI的条件下使用；这经常可以改善性能 和艺术化控制，但以损失某些光照路径为代价。FG不能代替焦散，对于影片或效果图制作物理正确性并不那么重要，单用FG仍然经常大量被运用。



缺省情况下，MR的焦散和GI渲染都以物理正确的方式计算，也就是说它们将以一种可被证实的方式精确模拟真实世界中的光照条件。



MR的GI模拟从光源到摄像机路径上的所有光的传播方式，包括光线跟踪的焦散反射，以及镜面反射、模糊反射/折射、漫反射/折射等任意序列的光与表面的交互作用。



焦散和GI中涉及到一个称为光子跟踪（photon tracing)的步骤，也称之为正向光线跟踪。它模拟从光源发射理想光子（英文photon，所以一直大家把GI成为光子或把光子称为GI是错误的）， 然后在场景中跟随这些光子的反复弹跳，直到最终它们被深色的漫反射面吸收。这一步的最终结果是生成一个光子贴图数据结构，它将在随后的扫描线渲染或光线跟 踪步骤终计算光照明时用于收集光子。
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（官方HELP）
最终聚集FG是一项技术，用于模拟指定点的全局照明，其方式如下：对该点（如名为最终聚集点的一组样本）上半球方向进行采样实现或通过对附近最终聚 集点进行平均计算实现，因为计算各个照明点的最终聚集点成本非常昂贵。在前一种情况中，半球方向由三角形（点位于其表面）的曲面法线决定（这就是有些模型 的法线错误导致渲染时出现FG错误提示：RCFG 0.4  warn   542002: angle between normal and geometry normal > 90 degrees

在法线和几何法线之间的角度>90&deg;）。



对于漫反射场景，最终聚集通常可以提高全局照明解决方案的质量。不使用最终聚集，漫反射曲面上的全局照明由该点附近的光子密度（和能量）来估算。使用最终 聚集，发送许多新的光线来对该点上的半球进行采样，以决定直接照明。一些光线撞击漫反射曲面，这些点上的全局照明由这些点上的材质明暗器利用其他材质属性 提供的可用光子贴图的照明来决定。其他射线撞击镜曲面，并不会造成最终聚集颜色（因为该种类型的光传输为二次焦散）。跟踪多数光线（每条光线都带有贴图查找）非常耗时，因此，仅在必要时进行。在大多数情况下，最新附近最终聚集的内插值和外插值已足够。



最终聚集不进行光子跟踪也非常有用；这仅考虑第一次反弹间接灯光，但是通常效果较好，不需要全面物理准确度。



最终聚集在间接照明变化缓慢的场景中非常有用，如纯漫反射场景。对于这种场景，最终聚集可以消除光子贴图人工效果，例如低频变化和阴暗角落。使用最终聚集，光子贴图所需的光子更少，因为，每个最终聚集在多数间接照明的值上求平均值，不需要较高的准确度。



在电影制片工作中，最终聚集逐渐代替光子贴图，焦散除外。只有在明暗器调整跟踪深度，并且对最终图象比默认情况下最终聚集支持的第一次反弹造成的影响低 时，才没有默认情况下由最终聚集执行的多反弹效果。尽管缺乏物理正确性，但是这足够进行影片制作，而且与距离灯光源发出的光子相比最终聚集更容易控制。但 是对于精确的室内照明模拟和其他 CAD 应用程序，光子贴图仍然是备选方法。
光子贴图(TM) 是一种技术，用于在使用 mental ray 渲染器



进行渲染时，生成焦散和全局照明的间接照明效果。当它计算间接照明时，mental ray 渲染器跟踪光线所发出的光子。光子的轨迹通过场景，由对象反射或透射，直到最后到达漫反射表面。当它们到达表面时，光子存储在光子贴图中。



生成光子贴图非常耗费时间。为了改善性能，必须明确指定：



哪些光发出的光子用于间接照明。

哪些对象可以生成焦散或全局照明。

哪些对象可以接收焦散或全局照明。

生成和接收焦散的设置位于“对象属性”对话框 > “mental ray”面板中。

光子贴图只为那些能够接收焦散、全局照明或两者的对象存储光子。



为了进一步减少生成光子贴图所需要的时间，光子由轨迹深度控件限制。这些将限制光子被反射、折射或两者影响的次数。

在动画中，节省时间的另一个方法是重复使用光子贴图文件。如果在制作动画期间照明未改变，则使用光子贴图控件。

mental ray 渲染器将光子贴图保存为 PMAP 文件。光子贴图控件位于“渲染设置”对话框 >“间接照明”面板 >“焦散和全局照明”卷展栏中。
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MR支持两种计算全局照明（GI）的方法，光子贴图（photon map）和FG。FG虽然严格来说是为了改善光子贴图，单它也可以单独使用。

焦散总要求使用光子贴图。它们与FG没有关系，因为焦散为镜面效果而FG的本质是一种漫散射的解决方案。

光子贴图  

   FG    应用

off    off    只用于直接照明

on    off    物理精确的模拟

on    on    物理精确的模拟并提高照明效果的平滑度。额外的光子贴图参数需要调整，但它们很容易控制

off

on    视觉可信的照明效果，但不是物理上的准确。因为有些多次反射的光线路径丢失。只有漫散射效果，没有焦散。速度快，需要内存少，容易控制。常用于非CAD 的数字娱乐内容的生产。更高一级的物理准确度可以通过提高光线的发射次数取得，但会明显降低渲染速度，使它比结合使用光子贴图的FG慢

MR分两个阶段计算全局照明。

第一阶段中，光线以小包裹（为了方便称为光子（photon））的形式发射到场景中，光子在场景中的弹射路径别跟踪记录。在一些点，光子不是别物体吸收， 就是没有打到其他物体而逃逸到无穷远处。当光子打在物体上，它能被反射、透射或吸收。每个光子被存储在其透射路径上的所有有散射成分的表面上（除了是直接 照明的第一次碰撞）。光子以被成为光子贴图的三维数据结构存储。光子被发射直到制定的存储数量达到，或（可选的）直到最大量的光子被发射。（在MAX的 MR选项中最常设置的是GI就是光子在每灯存储的量）

光子贴图不被几何物体的存储约束，这意味这全局照明的速度在很大程度上不被场景的复杂度约束。也就是说大场景或面数多的场景不会导致影响全局照明花更多时间。

第二阶段，在正常渲染期间，材质明暗器像平常那样计算直接局部照明，并且通过收集附近光子贴图中光子计算它们的照明，从而加入间接的全局照明。任务是明确 分开的：直接照明有局部照明控制，间接照明有全局照明控制。鉴于局部照明只处理从光源直接直线透射到照明点的光线（可能被阴影明暗器减弱）。全局照明部分 只用于相应发射的光线。

光子贴图的质量和平滑度，依赖于第二阶段是否能在附近找到足够的光子进行准确的估算。有时这项很难达到，如当一间屋子只被通过一个很小的窗户的间接光线照 明，如果没有足够的光子通过窗户，则屋子里的光子分布将非常稀疏，照明的计算就使用非常少的光子。这样就出现低频率的噪点。

为了解决这个问题,FG被加入.FG并不寻找照明点的光子,但向覆盖照明点的半球空间发出大量的光线,每条光线测量其终点的照明(调用那里的材质明暗 器)。所有的结果都被平均,所以即使很多的结果不准确或有噪点,错误也将被平均掉。FG本质上是漫散射，所以FG的计算距离间隔能足够的大，从而大量的照 明点能重复使用邻近照明点的结果。

更进一步，还可以限制FG光线的最大长度，这能通过明暗器里的光线衰减功能实现（之所以被称为衰减，是因为光线不是突然切断，而是当它们到达最大长度时逐 渐地消失，避免了边缘的锯齿）。限制光线长度非常有效，因FG光线不必穿过很长的距离，并把远处的物体调入内存许多FG光线在它们引起材质明暗器调用之前 就被终止。限制FG光线在大场景中能极大地提高速度,小心使用这项功能可以大大提高渲染性能已经改善内存的使用。显然，结果并不是物理上的准确。

限制光线衰减的FG，和另一项经常用在数字内容生产的称为环境遮挡（ambient occlusion简称AO）的技术相关。AO也发出很多短的光线，但只关心有百分之多少的光线被附近的物体阻挡。比例越高，照明点就越黑，因为附近的物 体被认为阻挡了部分环境光线。它不支持色彩渗透（色溢），因没有明暗器被调用，并且如果环境光线并不是从所有的方向而来，它将给出错



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