掌握 CGI 中 3D 光照的技巧与技术

了解 3D 光照、如何创建不同的光照条件来彻底改变由计算机生成的场景,以及对象在这些光照环境下的呈现方式

我们通过感官来感知周围的世界:我们可以聆听、感知、闻到、看到。我们能够看到周围的事物,是因为我们的眼睛在接收名为“光子”的基本粒子带给我们的信息。我们的大脑会处理这些信息,进而产生图像。我们所认为的对象的颜色、光泽度、半透明度或金属质感,都是光子与对象表面之间相互作用的产物。

计算机生成的 3D 场景中的光照机制,经过了一个被称作光线追踪的过程,该过程遵循与光子散射相同的自然原理。与对象材质相互作用并从各种形状表面反射回来的光线,有效地定义了对象如何显示在最终图像当中。光线使 3D 场景中存在的所有物体得以展现自己的维度。

相较于其他材质,某些材质对光照条件更为敏感。以金属为例:铬制对象基本上可以反射周围的一切。如果移动光线,使其变得更亮或更大,则所有这些信息都可以直接在镀铬表面上看见,其细节程度几乎与镜面一样,因此,它可以在不同的光照条件下呈现完全不同的效果。

停车场里一辆汽车的 3D CGI 场景,墙上还有霓虹灯牌。光照从日光转变为由 LED 灯牌发出的霓虹灯光
停车场里一辆汽车的 3D CGI 场景,墙上还有霓虹灯牌。光照从日光转变为由 LED 灯牌发出的霓虹灯光

如何使用 3D 光照创建有效的 3D 渲染

创建 3D 渲染的过程不可能完全相同,但以下是最常见的步骤:

  1. 创建或获取对象
  2. 场景组合
  3. 场景构图
  4. 处理光照 
  5. 创建或指定材质
  6. 渲染

进入光照阶段时,最好在处理材质之前先设置光线。为此,可以将整个场景设定为中性的灰色哑光材质。这样,您将能够更清楚地看到和了解光线如何影响场景中对象的明暗轮廓。材质准备完成后,可能还需要对光照做进一步完善。

CGI 客厅渲染效果对比:相比于右侧的成品材质,左侧则是中性的灰色哑光材质
CGI 客厅渲染效果对比:相比于右侧的成品材质,左侧则是中性的灰色哑光材质

最好每次只开一处光线。处理中的光线应该是场景中唯一可见的光线,而所有其他光线都应暂时关闭。这样,您就可以看到特定的光线是如何对场景产生影响的,以及如何通过操控各种属性(如位置、方向、强度等)来做改变。

分别用 3 种光线照亮 3D 汽车模型且 3 种光线共同作用的示例
分别用 3 种光线照亮 3D 汽车模型且 3 种光线共同作用的示例

另一个有用的技巧是使用亮面的金属材质(铬或镜子)创建一个球体。这个“镜面球”将有效地反射它周围的全部场景,使您可以轻松确定光线的位置、方向或大小。就环境光而言,您将能够在镜面球中看到其反射情况,这将有助于设置其在空间中的方向。

使用镜面球(具有金属质感的球体)查看和定向 3D 场景中的环境光
使用镜面球(具有金属质感的球体)查看和定向 3D 场景中的环境光

Adobe Dimension 中的光线类型

环境光

环境光是一种等距柱状投影(球形)图像,环绕在整个场景周围。顾名思义,这种光线是用来模拟整体环境的,包括隐含在其中的光源。

照片、3D 摄影棚场景和抽象 3D 场景的环境光示例。
照片、3D 摄影棚场景和抽象 3D 场景的环境光示例。

Dimension 中创建新场景时,将为您创建默认环境光。这就是您能够立即看到场景中所有东西的原因。Adobe Dimension“初始资源”包括多种环境光,可供您立即着手使用。此外,Adobe Stock 还提供了大量精选的环境光。

环境光可以产生极为逼真的效果,并为您节省大量时间。如果要手动实现类似的效果,您必须自己动手创建出整个 3D 环境(包括各种光源),这是一项大工程。

为实现类似摄影棚的效果,整套设置(包括光线)都以 3D 进行搭建的场景示例。
为实现类似摄影棚的效果,整套设置(包括光线)都以 3D 进行搭建的场景示例。

创建环境光的方法有很多,包括从 3D 场景中捕获、从照片中拍摄以及使用参数系统。如果环境光是从 3D 场景制作而成,则过程很简单。输出图像需要为 32 位,它将捕获场景中所有光线的光照信息。3D 相机需要使用等距柱状投影(以输出球形图像)。

使用 3D 摄影棚环境光进行照明的场景示例。
使用 3D 摄影棚环境光进行照明的场景示例。

通过将摄影棚的 3D 场景渲染为等距柱状的 32 位图像,来创建 3D 摄影棚的环境光
通过将摄影棚的 3D 场景渲染为等距柱状的 32 位图像,来创建 3D 摄影棚的环境光

您还可以通过拍摄现实世界的照片来创建环境光。这种方法需要 360 度相机(例如,Ricoh Theta Z1)。使用这类相机进行包围曝光,或者采用一系列不同的曝光值(从曝光不足到曝光过度),对同一环境进行多次拍摄。接着,将拍摄得到的照片用于构建 32 位图像,通常也称为 HDR 图像(“高动态范围图像”的简称)。合成此类图像的一种方法是,使用 Photoshop 中的“合并到 HDR”功能。嵌入到图像中的曝光范围将成为一种强度属性。

使用摄影环境光进行照明的 3D 场景示例。
使用摄影环境光进行照明的 3D 场景示例。

使用包围曝光和 Photoshop 中的“合并到 HDR Pro”功能,创建摄影环境光。
使用包围曝光和 Photoshop 中的“合并到 HDR Pro”功能,创建摄影环境光。

在上述两种情况下,光源(及其强度)都会“晒制”到这些图像中,并且一旦在 Dimension 中使用,它们便会发光。

虽然通过这些方法,您已经获得了需要的所有光照、反射和细节,但 3D 应用程序仍允许您继续在 3D 空间中对它们进行编辑,使您可以调整光照的旋转,以及更改整体强度和颜色。

在 3D 场景中操控环境光的强度和方向
在 3D 场景中操控环境光的强度和方向

定向光

除了可以 360 度发光的环境光之外,还有只能从一个方向发光的定向光。这种光可用来模拟手电筒和轮廓明确的发射器发出的其他类型的光,这些光的形状可以是圆形或方形。

使用定向光可以全面控制光照设置。使用这些光线照亮场景的方式与传统摄影时的方式相同,您可以分别控制每种光线,从而构建自己的虚拟摄影光照。最常用的光照设置之一是“三点光”系统。

在 Dimension 中,有一个叫作“将光线对准一个点”的便捷操作,通过这一操作,您只需单击和拖动 3D 对象,就可以控制旋转和高度。这样,您就可以动态地定向光线。这些参数也可以手动进行调整。

您可以更改定向光的颜色和强度,以及调整光源的形状 - 使光源呈圆形或矩形、拉伸光源或扩大光源。最后,您可以柔化光源的边缘。

在 Adobe Dimension 中修改定向光的形状
在 Adobe Dimension 中修改定向光的形状

如果光源小于对象,则阴影将变得更加锐利,且轮廓更加清晰,这是因为光线无法穿过被照亮的对象。而较大的光源则会产生较为柔和的阴影,因为在这种情况下,光线从对象的四周射入(在下图中用红色箭头标记),从而形成多组阴影。来自对面方向的光线柔化了这些阴影。

该示意图说明了光照强度、方向和大小对 3D 对象的照明方式及其投射阴影的影响。
该示意图说明了光照强度、方向和大小对 3D 对象的照明方式及其投射阴影的影响。

3D 光线的大小如何影响 CGI 汽车模型投射出的阴影柔和度的示例
3D 光线的大小如何影响 CGI 汽车模型投射出的阴影柔和度的示例

太阳和天空

日光是一种特殊类型的定向光。设置日光的过程与设置常规定向光的过程非常相似,然而日光会随着高度的变化自动改变颜色;当它接近地平线时(高度的角度值变低),它将逐渐变暖以模拟日落。颜色也可以通过使用预设进行更改。同时,混浊度也会影响阴影的柔和度。

在 Adobe Dimension 中,操控照射在 3D 汽车模型上的日光的光照属性。
在 Adobe Dimension 中,操控照射在 3D 汽车模型上的日光的光照属性。

在现实生活中,日光与天空往往如影随形,而天空是一个巨大的散射光源。唯一的例外可能会出现在没有大气层的地方,例如月球。

月球的 3D 场景,日光是月球上的唯一光源
月球的 3D 场景,日光是月球上的唯一光源

我们能够使用环境光来模拟天空,并且可以使用任何具有天空特征的环境光。现在,我们必须将 Dimension 中构造的日光与在环境光中拍摄的太阳进行对齐。一种快速的方法是创建一个球体,并为其指定一种金属材质;这将为我们提供环境的实时反射情况,使我们可以用“将光线对准一个点”来对齐日光与太阳。

如果环境光呈现出阴天的天空特征,则可以使用混浊度属性,更紧密地贴合这样的环境。

在 Adobe Dimension 中,操控照射在 3D 汽车模型上的天空环境光的混浊度属性。
在 Adobe Dimension 中,操控照射在 3D 汽车模型上的天空环境光的混浊度属性。

将日光和天空环境光配对之后,您可以使用“全局旋转”属性让它们一起旋转。

基于对象的光线

开启对象材质的“发光度”属性,可以将对象转变成光源。通过这种方式,即可创建灯泡、霓虹灯、柔光箱以及各种屏幕和显示器之类的对象。

使用此类照明的主要好处是强度会衰减,从而产生非常自然的效果。这对于产品照片或其他基于摄影棚的场景非常有用。

衰减光源(发光板)与平行光源(定向光)
衰减光源(发光板)与平行光源(定向光)

您可以使用变换工具,通过上下缩放发光对象来控制阴影的柔和度。使其变大也会增加光线强度。

改变对象光线的大小以增加光量并柔化阴影
改变对象光线的大小以增加光量并柔化阴影

不同于我们之前介绍的光线类型,这些光线除了纯色之外,还可以利用纹理。可以将纹理附加到其材质的基色上,并通过“发光度”滑块控制光线强度。

将纹理应用于照亮 3D 汽车模型的对象光线上
将纹理应用于照亮 3D 汽车模型的对象光线上

有效的 3D 光照示例

产品光照

分别用 3 种光线(主光、辅光和轮廓光)照亮 3D 耳机模型且 3 种光线共同作用的示例
分别用 3 种光线(主光、辅光和轮廓光)照亮 3D 耳机模型且 3 种光线共同作用的示例

拍摄产品照片时,设置光线的摄影技术有很多。我们将使用最常用的设置之一,即“三点光”系统。

该设置包含以下三种光线:

1. 主光:作为主要光源,大致从相机的方向发光。

主光照亮 3D 耳机模型的示例
主光照亮 3D 耳机模型的示例

2.轮廓光:方向与主光相反,用于暴露对象的暗色轮廓。

轮廓光照亮 3D 耳机模型的示例
轮廓光照亮 3D 耳机模型的示例

3.辅光:强度较低,可填充较暗的区域,用在前两种光线无法到达的区域。

辅光照亮 3D 耳机模型的示例
辅光照亮 3D 耳机模型的示例

在 Dimension 中,有两种方法可用来创建“三点光”- 使用定向光(将三种光分别添加到场景中或使用“三点光”预设),或通过发光体对象。

3D 场景中的“三点光”设置示例
3D 场景中的“三点光”设置示例

来自 3D 光照设置的柔光箱被分解为外框、灯具和屏幕。
来自 3D 光照设置的柔光箱被分解为外框、灯具和屏幕。

创意光照

Vladimir Petkovic 创作的题为“Pipe Dreams”的 3D 艺术品。
Vladimir Petkovic 创作的题为“Pipe Dreams”的 3D 艺术品。

创意光照用于不以物理准确度为主要目标的场景,例如各种抽象超现实场景,因此我们的想像力可以自由翱翔而不受现实边界的限制。

在上例中,作者的构想是要描绘一个梦幻般的环境:糖果、粉彩和丝滑的表面。光照系统由三块发光板组成(其中两块在侧面发光,另外最主要的一块在底部发光)。所有发光板都不可思议的大,由此产生了非常平滑的阴影和高光。光源都加上了颜色,而这样的颜色又转移到为场景中的对象指定的材质中。

墙壁的几何结构将场景的主体(管道)完全包围。这使光线来回反射,并以有趣的方式混合在一起。冷、暖色调的结合使用通常会产生很不错的对比效果(这种技术有时用于人像摄影)。

Vladimir Petkovic 作品“Pipe Dreams”3D 光照设置的示意图。
Vladimir Petkovic 作品“Pipe Dreams”3D 光照设置的示意图。

内部视图

客厅的 3D 室内场景。
客厅的 3D 室内场景。

只要遵循一定的规则来创建 3D 内部视图,基本上都能保证良好的效果。在本例中,我们只考虑自然光线(不考虑人工光源,如灯光)。

首先,此类场景需要放置在一个封闭的环境中。就像在现实生活中一样,室内要有墙壁、地板、天花板和窗户。这样就能确保光线穿过窗户,然后四处反射(通过一个叫作“光线追踪”的过程)。这种行为可以产生非常自然的光照(例如,角落这种被遮挡的区域会变暗)。

由于建筑几何体几乎将场景完全包围,因此我们能看到的照明微乎其微,并且几乎看不到来自环境光的反射。但在这种情况下,我们实际上是在构建自己的环境,即场景自身的内部空间。因此,光线将通过在场景中的对象和周围的墙壁上来回反射,与这些对象发生反应。这些对象只会在相互之间、以及与周围的墙壁之间进行反射。尽管如此,最好能增加一个带有天空特征的环境光。这将会增加一些散射的蓝色辅光。

设置这种光线最简单的方法是使用带有发光材质的平面。本例中,我们使用三个平面,它们覆盖了这个房间的所有开口:

演示如何在 3D 客厅内部放置主光和辅光以照亮场景的示意图
演示如何在 3D 客厅内部放置主光和辅光以照亮场景的示意图

光线的强度由平面材质的“发光度”属性控制。您可以添加颜色甚至纹理,用来投射有趣的阴影。使用发光材质还可以使光线强度衰减,这对于室内光照非常重要。

环境光,环境光和主光,以及环境光、主光和辅光照亮 3D 客厅场景的示例。
环境光,环境光和主光,以及环境光、主光和辅光照亮 3D 客厅场景的示例。

户外光照

CGI 电线和锻带缠绕在森林地面的树桩上,并用户外 3D 光照照明的场景。
CGI 电线和锻带缠绕在森林地面的树桩上,并用户外 3D 光照照明的场景。

创建户外光照非常简单,可以归纳为使用“太阳和天空”光照系统(请参见上文)。正确匹配日光与基于天空的环境光至关重要 - 需要注意方向和混浊度的值。

场景本身在其中起着重要作用。为了产生引人注目的效果,您可以使用场景中的对象作为催化剂,与光线相互作用。在上图所呈现的森林中,对象(各种植物、木头和树)放置的位置相互靠近。

3D 森林场景中的对象指出光线将如何与环境交互。
3D 森林场景中的对象指出光线将如何与环境交互。

这意味着当光线在对象之间反射时,将会有许多复杂的光线追踪交互。阴影点会显得很暗(如预期的那样),而暴露的区域则保持明亮。

CGI 电线和锻带缠绕在森林地面的树桩上,并用户外 3D 光照照明的场景。
使用 Adobe Dimension 中的“全局旋转”,在 3D 场景中重新定位“太阳和天空”光照系统

希望这篇概述文章阐明了在各种情况下掌握 3D 光照的重要性。到此,您应该已经做好准备,可以开始创作更加引人入胜的作品了。

祝您有一段愉快的“光照”之旅!立即下载最新版本的 Dimension

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