Использование 3ds Max и mental ray для архитектурной визуализации

часть 3

Материалы, цвета и отражательная способность

Что такое отражательная способность

Материал какого типа вы бу не использовали, сила отраженного от поверхности света напрямую зависит от цвета материала. Например, белая стена отражает больше света, чем тёмно-серая. На солнечном свете тёмно-серая стена отражает больше света, чем белая стена в тёмной комнате. Такое поведение имеет рассеянное (диффузное) отражение. Не путайте с глянцевитостью (для глянцевой или матовой отделки поверхности). Всё непрямое отражение света от поверхности диффузного (или ламбертовского) типа распространяется во всех направлениях. В противоположность этому, направленный отражённый свет, такой как свет, отраженный от зеркала, называется каустическим отражением, и редко необходим для архитектурной визуализации.

Что такое диффузная отражательная способность

Общая ошибка - использование цвета, который хорошо выглядит на экране (в инструменте выбора цвета (color picker) или в окне предварительного просмотра материала). Эти цвета обычно слишком яркие для визуализатора с GI, что в результате даёт излишне насыщенные изображения, некорректные с физической точки зрения. Для получения более точного ощущения цвета в изображениях, попробуйте использовать инструмент ‘Pick Color’ на цифровой фотографии. Вы обнаружите, что почти каждый цвет на изображении менее насыщен, чем это воспринимается глазом.

Обычно белая стена не может отражать более 85% падающего на неё света. Следовательно, RGB-цвет не должен быть больше, чем 0.85, 0.85, 0.85 (плавающие значения цвета) или 217, 217, 217 (целые значения цвета).

Для выбора желательного цвета, выберите тон (Hue) материала, а затем установите яркость ("Value"), которая напрямую соответствует отражательной способности материала:

Это некорректный цвет для белой стены: движок визуализатора будет считать это 100-процентным отражением, которое невозможно в реальном мире. При вычислении визуализатором освещенности, не происходит поглощения света и сцена наводняется постоянно отражаемым отовсюду светом, сглаживая все контрасты.

Этот цвет отражает около 80% принимаемой энергии

Включение отображения информации об отражающей способности в редакторе материалов 3ds Max

Редактор материалов 3ds Max может вычислять отражающую способность и коэффициент пропускания большинства материалов.

Включите эту функцию, выбрав в главном меню Customize | Preferences | Radiosity | Display Reflectance Information in the Material Editor. Что бы увидеть эффект, закройте, а потом снова откройте окно редактора материалов.

Удостоверьтесь, что вы видите значения, отображаемые в редакторе материалов. Это ключевые значения, которые влияют на результаты решения GI. Материал, который отражает слишком много света, будет повышать цветовую насыщенность изображения и нарушать физические законы.

Типичная отражательная способность материалов

В следующей таблице перечислены типичные значения отражательной способности для распространенных материалов. Используйте эти значения как начальную точку.

Краска и отражательная способность

Производители краски обычно указывают среднюю диффузную отражательную способность для всех своих цветов. Однако не путайте отражательную способность с отделкой, такой как полуматовый глянец, матовая или полуглянцевая поверхность, которые определяют зеркальность поверхности.

Будьте осторожны с "каталогами цветов" (color books), распространяемыми с пакетами программ или в интернете. Некоторые пакеты программ предоставляют каталоги цветов, основываясь на данных производителя. Например, приложение Adobe^® Photoshop^® предоставляет каталог цветов Pantone^®, а AutoCAD предоставляет каталоги цветов RAL и DIC. Вы даже можете найти каталоги цветов производителей краски, таких как Benjamin Moore и Para.

Однако эти цвета не были определены с учётом алгоритма глобального освещения. Они являются приближенными с точностью до дисплея, условиий освещения, настройки гамма-коррекции, что делает их ненадёжными для движков GI.

Будет ошибкой полагать, что если вы выбрали цвет из каталога Pantone в AutoCAD или Photoshop, то визуализатор с GI обработает его корректно. Использование цвета из каталога Pantone, указанного заказчиком, может быть лучше, чем работа "на глазок", но осознавайте, что вы не запускаете физическое моделирование. Сверьтесь с правилами, приведёнными в этом документе, что бы удостовериться, что ваш приблизительный цвет не превышал значение отражательной способности в реальном мире. При необходимости сделайте цвет более тёмным.

Оценка цвета и диффузной отражающей способности материала

Лучший способ измерения цвета - использование спектрофотометра. Затем вы можете получить корректный RGB-эквивалент, который имеет смысл для измеренных данных. К сожалению это не простой процесс.

Однако имеется другой, относительно надёжный, способ для получения цвета материала. Этот метод заключается в

• Использование фотометра (экспонометра) для измерения отражающей способности поверхности.
• Фотографирование или сканирование материалов с использованием калиброванных устройств и сравнение цветов с известными или калиброванными источниками, такими как цветовые таблицы Macbeth (Macbeth colors charts).

Подробное описание этих методов см. в работе Rendering with Radiance by Greg Ward Larson and Rob Shakespeare.

Meeting Client Expectations

Вам не надо быть экспертом в области фотометрии для работы с mental ray в 3ds Max. Вы и ваш клиент можете корректировать важные цвета на всем протяжении работы с проектом. Не смотря на то, что вы всегда должны придерживаться физически корректного способа работы, в итоге некоторые цвета, такие как логотипы или упаковка, должны точно соответствовать спецификациям клиента. В этом случае клиенту не важно, получено это физически корректной визуализацией или постобработкой до тех пор, пока это хорошо выглядит на печати. Хороший способ подготовиться к непредвиденным правкам - визуализировать чёрную и белую маски для важнейших объектов в сцене для использования их в качестве области редактирования (selection) в пакете редактирования изображений. Регулярно и тесно общайтесь с людьми, которые печатают ваши визуализации, для получения результатов, необходимых вам для конечной презентации.

© Electric Gobo / Karcher Client: ERCO Leuchten GmbH, www.erco.com

Текстуры и отражательная способность

Допустим вы взяли картинку кирпичной стены или дерева и хотите использовать её в качестве декстуры для материала. Вы должны учитывать несколько вещей:

• Получаемые цвета - результат освещения материала. Освещен ли он вспышкой от вашего фотоаппарата или цифровым сканером. Следовательно "сырая" текстура требует некоторой калибровки для отражения правильного цвета. Обычно изображение требуется немного приглушить и слегка уменьшить насыщенность. Многие цифровые камеры усиливают красные тона.
• Условия освещения, при которых был сделан снимок, также влияют на итоговый цвет. Например, облачный день будет слегка окрашивать окружающее в синеватый цвет. Свет от лампы накаливания будет окрашивать окружающее в желтоватый цвет. Избегайте фотографий, сделанных на ярком солнечном свете, поскольку на них зафиксировано точное направление на источник света (свет от солнца), и такие текстуры будут выглядеть странно в сцене, которая освещена по-другому.
• Ваша камера или сканер в изображения обычно вставляют информацию о гамма-коррекции.
• Используйте длиннофокусный объектив для избежания искажений, которые вызывают проблемы, когда вы пытаетесь сделать бесшовное изображение в графическом редакторе. В особенности это относится к текстурам с регулярной структурой, такой как плитка или черепица.

Для решения этих проблем, вы должны сделать следующее:

• Удостоверьтесь, что на вашей камере правильно установлен баланс белого. Откалибруйте баланс белого с помощью куска белой бумаги или справочной карты (reference card).
• Отмасштабируйте значения пикселей в графическом редакторе или непосредственно в 3ds Max для уменьшения эффекта освещения, при котором была сделана картинка.
• В редакторе материалов сбросьте флажок ‘Show End Result’, что бы быть уверенным, что индикатор отражающей способности вычисляется только для текстуры, а не для материала целиком.
• Уменьшайте уровеь RGB (RGB level) до тех пор, пока отражающая способность текстуры не окажется в приемлемом диапазоне (см. таблицу, приведенную ранее в этом разделе).

Здесь пользователь настроил материалы так, что бы они выглядели правильно во вьюпорте. Насыщенность текстурной карты 100% и стены комнаты на 100% белые. В результате отражается слишком много света, создавая выцветшее изображение. Ощущение, что в сцене имеется дополнительный источник освещения, вместо единственного прожектора.         Здесь пользователь использовал грубые значения из таблицы значений отражающей способности, приведенной выше, в качестве начальных значений. Стена в редакторе материалов выглядит сероватой, но её отражательная способность 85%. Результате получилось реалистичное и правдоподобное изображение комнаты, освещенной единственным прожектором.

Установка правильного коэффициента пропускания для архитектурного стекла и окон

Поскольку в любых прозрачных материалах имеется поглощение света, избегайте создавать материалы со 100% прозрачности. Например, типичное оконное стекло (толщиной 0.125 дюйма - около 3мм) пропускает около 90% видимого света.

Стеклянные панели в системах стеновых перегородок и в домах обычно сделано из нескольких слоёв стекла. Общая доля пропускания видимого света таких панелей колеблется от 75% (двойное остекление) до 60% (три слоя стекла).

В 3ds Max это означает, что цвет прозрачности (transparency color) должен быть настроен для ослабления света так, что бы учитывать все слои стекла, через которые проходят лучи света.

Следуйте этим шагам для определения прозрачности для нескольких слоёв стекла. (Обратите внимание, что этот совет относится к области анализа. Эти вычисления не являются необходимыми для большинства презентационных изображений.)

1. Определите сколько слоёв стекла вы будете моделировать при построении модели стеклянной панели. Вы можете сделать модель более детальной или более абстрактной, как единственную поверхность, в зависимости от того, насколько близко она будет видна. Во втором случае вы увеличиваете скорость визуализации, а в первом - улучшаете точность и детальность, но замедляете визуализацию.
2. Вычисление общего коэффициента пропускания стеклянной панели. Если это двуслойное остекление, вам необходимо получить общий коэффициент пропускания около 75%.
3. Так как лучи света будут проходить четыре поверхности и будут ослабляться четыре раза, вы должны получить общий коэффициент передачи 0.75.
    
   Используйте следующую формулу для определения коэффициента пропускания в 3ds Max для каждой поверхности:
    
   mt = VT^(1/n)
    
   где:
   mt - коэффициент пропускания,
   VT - общеий коэффициент пропускания,
   n - количество поверхностей.
    
   Вы можете использовать функцию Microsoft^® Excel^® Power для выполнения вычислений:
    
   mt = Power(VT,(1/n))

Пример:

1. Вы моделируете двуслойное окно с четырьмя поверхностями
   
2. Вы хотите получить общий коэффициент пропускания 0.75 (т.е. 75%).
3. Вы применяете следующую формулу:
    
   коэффициент пропускания материала = 0.75^(1/4) = 0.93
    
4. Ваш материал стекла должен пропускать 93% света.
    
   

Этот процесс объясняется следующим: 100% света ослабляются на 7% (93% пропускания) для каждой поверхности, через которую проходит свет.

Светофильтры

Также как и стекло, светофильтры также влияют на количество проходящего через них света. Для установки правильного цвета используйте ту же методику, которую вы будете использовать для диффузной отражающей способности или коэффициента пропускания.

Преломление, стекло, вода и жидкости

Реалистическая визуализация стекла, воды и жидкостей рассматривается с использованием шейдера Arch + Design.

© Electric Gobo / Karcher Client: ERCO Leuchten GmbH, www.erco.com

Цветное стекло

Советы из предыдущего раздела хорошо работают для чистого стекла, но необязательно будут работать для цветного стекла. Многие шейдеры позволяют установить прозрачность поверхности стекла и хорошо работают, если вы просто устанавливаете какой-то цвет преломления, например, синий. Это прекрасно работает для стекла, со включенной опцией ‘Thin-Walled’. Но для объёмных объектов из стекла различной толщины результаты этого метода далеки от реальности.

Color at Max Distance установлен оранжевый.		d = Max Distance, где затухание - это Color at Max Distance материала Arch+Design.

Этот результат очевидно лучше. Толстые области на сторонах вазы приобрели более глубокий оранжевый цвет по сравнению с тонкими областями. Диаграмма иллюстрирует этот процесс.

Лучи, вошедшие внутрь объёма, постепенно затухают на всём пути через объём. Сила затухания такова, что точно на расстоянии Max Distance (на графике d) затухание соответствует Color at Max Distance (то есть на этой глубине затухание такое же, как затухание, получаемое непосредственно на поверхности, в предыдущей модели). Затухание экспоненциальное, так что при удвоении Max Distance эффект Color at Max Distance будет сильнее в четыре раза и так далее.

Есть один небольшой компромисс: для корректной визуализации теней от объекта с материалом, использующим этот метод, вы должны либо использовать каустику, либо визуализировать тени с установленным флагом режима ‘Segment Shadow’ в настройках mental ray. Естественно, использование каустики даёт более реалистичные тени (предыдущее изображение было визуализировано без каустики), но для этого надо, что бы вы, во-первых, разрешили просчёт каустических фотонов и, во-вторых, необходим физический источник света, излучающий каустические фотоны.

С другой стороны, сегментированные тени mental ray просчитываются медленне, чем более широко используемый режим Simple Shadow. В режиме Simple Shadow интенсивность тени не совсем правильно учитывается для затухания при прохождении света через объём.

Вода и жидкости

Вода, подобно стеклу, является диэлектриком с коэффициентом преломления (IOR) 1.3-1.5. Те же принципы, которые применимы к стеклу, так же применимы и объёмам из воды. Окрашенные жидкости используют те же принципы, что и окрашенное стекло, и так далее.

© 2007 Electric Gobo / Karcher, www.electricgobo.com

Для создания жидкости в контейнере важно понимать, как материал Arch+Design поддерживает преломление через несколько поверхностей в сравнении с тем, как происходит преломление в реальном мире.

Что важно для преломления - как происходит переход из одного вещества в другое, с другим показателем преломления. Такой переход называется границей сред.

Для воды в стакане, к примеру, представьте себе луч света, проходящий через воздух (коэффициент преломления = 1.0, соответствует отсутствию искажения), входящий в стекло и преломленный коэффициентом преломления стекла (1.5). После прохождения через стекло, луч покидает стекло и входит в воду - это значит, он проходит границу сред: из одной среды с коэффициентом преломления 1.5 в другую среду с коэффициентом преломления 1.33.

Один способ смоделировать это в компьютерной графике - сделать стакан отдельной замкнутой поверхностью с нормалями, направленными наружу, и коэффициентом преломления 1.5. И сделать вторую замкнутую поверхность для напитка с нормалями, направленными внутрь и коэффициентом преломлени1 1.33, оставив маленький "воздушный зазор" между контейнером и жидкостью.

Хотя этот подход работает, имеется проблема: когда свет переходит из среды с более высоким коэффициентом преломления в среду с более низким, возможно появление эффекта, который называется "полное внутреннее отражение" (Total Internal Reflection - TIR). Это тот же эффект, когда вы ныряете в плавательном бассейне и смотрите вверх. Объекты над поверхностью воды могут быть видны только в небольшом круге непосредственно сверху, всё ниже определённого угла видно как отражение бассейна и предметов ниже поверхности воды. Чем больше разница в коэффициентах преломления двух сред, тем больше возможность возникновения эффекта полного внутреннего отражения.

Поэтому в нашем примере, поскольку луч переходит из стекла (коэф. преломления = 1.5) в воздух, велика вероятность появления полного внутреннего отражения. Но в реальности луч будет двигаться из среды с коэф. преломления 1.5 в среду с коэф. преломления 1.33, и эта ступенька гораздо ниже, и меньше вероятность возникновения полного внутреннего отражения. Следующие две иллюстрации выглядят по-разному:

Правильное преломление (слева) против метода "воздушного зазора" (справа).

Результат выше - корректен. Но как он достигнут?

Решение проблемы - в переосмыслении подхода моделирования от терминов сред (объёмов) к терминам границ сред. Этот пример имеет три различных границы сред, где мы можем рассматривать коэффициент преломления как отношение между коэффициентами преломлени внешней и внутренней среды:

• Граница воздух-стекло (коэф. преломления = 1.5/1.0 = 1.5)
• Граница воздух-жидкость (коэф. преломления = 1.33/1.0 = 1.33)
• Граница стекло-жидкость (коэф. преломления = 1.33/1.5 = 0.8)

В наиболее общем случае для границы некоей среды с воздухом, в качестве коэффициента преломления берется коэффициент преломления среды (поскольку коэффициент преломления воздуха равен 1.0), тогда как на границе других сред ситуация иная.

Для корректного воплощения в модель этого сценария, вам нужны три поверхности, которым присвоены различные материалы Arch+Design:

Для жидкости в стеклянной посуде имеется три границы сред:

• Поверхность раздела воздуха и стекла (синяя), с нормалями, направленными наружу, покрывающая область, где воздух непосредственно соприкасается со стеклом. Коэффициент преломления 1.5.
• Поверхность раздела воздуха и жидкости (зелёная), с нормалями, направленными наружу, покрывающая область, где воздух непосредственно соприкасается с жидкостью. Коэффициент преломления 1.33.
• Поверхность раздела стекла и жидкости (красная), с нормалями, направленными в сторону жидкости, покрывающая область, где стекло непосредственно соприкасается с жидкостью. Коэффициент преломления 0.8.

Верхнее изображение было получено путём подбора подходящих значений параметров ‘Max Distance’ и ‘Color at Max Distance’ для двух материалов жидкости (для получения подкрашенной жидкости).

Перевод © 2011-2012 Black Sphinx. All rights reserved.