Использование 3ds Max и mental ray для архитектурной визуализации

Введение

В этом руководстве рассматриваются вопросы использования mental ray^®для архитектурной визуализации. Autodesk^® 3ds Max^® 9 включает в себя много функций и улучшений рабочего процесса, которые уменьшают сложность и делают визуализацию с mental ray гораздо более доступной для архитекторов и дизайнеров.

Этот документ суммирует важные аспекты фотореалистической визуализации, которые могут хотеть принять в внимание архитекторы, дизайнеры и профессионалы в области визуализации при создании презентационных изображений, визуализаций для оценки проета или физического анализа освещения. Он определяет основные области, связанные с физически корректной визуализацией, и предлагает руководящие указания, а также советы и трюки, по их применению в 3ds Max. Основное внимение будет уделено:

Превращение Цифрового рисования в Цифровую фотографию

В реальном мире энергия, излученная источником света, рассеивается в огружающем пространстве и поглощается поверхностями. Эти же принципы применяются при визуализации с глобальным освещением, особенно в архитектурной визуализации. Архитекторам, дизайнерам и профессиональным визуализаторам необходимо получать изображения, которые приближены к реальному миру так близко, насколько это возможно. В сочетании с конструкцией и отделкой, свет может чрезвычайно изменить внешний вид помещения.

Настройка рабочего пространства

Наборы предварительно сделанных настроек (профилей)

3ds Max поступает в продажу с инструментом, который позволяет вам задавать значения по умолчанию для окружающей среды, которые подходят для выполнения фотореалистической визуализации с использованием mental ray. Это хорошая точка для старта.

Выбирая профиль Design VIZ/mental ray вы получаете следующее:

Единицы измерения и масштаб

Вычисление физически корректного освещения предполагает, что свет затухает по обратноквадратичному закону. Это значит, что интенсивность света уменшается экспоненциально с увеличением расстояния от источника. Следовательно, и это важно, что бы масштаб вашей сцены соответствовал данным реального мира, в противном случае результаты будут неверными.

Общей ошибкой является импорт аэропорта, размером с коробку для обуви, или комнаты, размером со стадион. В первом случае вычисленное освещение будет слишком ярким, а во втором случае - слишком темным.

Для проверки вашей настройки масштаба проверьте настройки System Unit Scale в диалоговом окне Customize | Units Setup | System Unit Setup:

Вы также можете захотеть использовать инструмент Tools | Measure Distance для проверки известных размеров в сцене, а также функцию Unit Conversion во время импорта, например, при импорте файла формата DWG™ из AutoCAD^®.

Оптимизация геометрии для визуализации

Хорошие визуализации требуют хорошей геометрии. "Хорошая геометрия" не означает, что вы должны моделировать всё. (Вы можете получать эффект высокой детализации, используя такие приемы оптимизации как карты бампа или отсекающие карты.) Это только означает, что геометрия должна грубо соответствовать тому, что ожидает визуализатор. Важно начать с аккуратной модели. К счастью в этом отношении mental ray более терпим, чем radiosity. Вы не обязаны создавать безупречные модели, но более аккуратные модели делают процесс визуализации более простым и эффективным. Следующие разделы описывают полезные приемы оптимизации геометрии до ввыполнения визуализации.

Углы сглаживания

Вся 3D-геометрия, и объекты с углами, и сглаженные формы, состоят из полигонов. Для имитации сглаженной формы 3ds Max делает интерполяцию между нормалями к поверхностям, и не делает таковой для объектов с гранями. Когда импортируется файл из другой системы автоматизированного проектирования (САПР - CAD), или другого 3D-пакета, или при работе с модификатором Edit Poly, вы можете обнаружить, что информация о том какие нормали должны быть сглажены посредством интерполяции, а какие должны сохранить острые ребра, иногда может быть искажена или утеряна. Вместо того, что бы делать повторный импорт, или просить вашего клиента еще раз прислать вам модель, попробуйте использовать модификатор Smooth. Во многих случаях проблема исчезнет.

Грани куба сглажены, так как угол слишком велик. Грани сферы не сглажены - угол слишком мал.

Так должны выглядеть куб и сфера в соответствии с группами сглаживания.

Вывернутые нормали

Визуализация фейса (грани) геометрического тела требует как информации о вертексах, его определяющих, так и о его ориентации. Это может выглядеть как информация о том, какую сторону фейса считать лицевой, а какую оборотной, что указывается с помощью нормали. При импорте модели из CAD-пакета, вы можете обнаружить, что информация о направлении искажена или утеряна. Эта проблема проявляется в виде "дырок" на модели, так как оборотные стороны полигонов не отображаются (не видимы). Для решения этой проблемы попробуйте переключить флажок Backface Culling в диалоговом окне Object Properties, или присвоить объекту материал и сделать его двусторонним. Если неправильную ориентацию имеют только несколько фейсов, вы можете добавить модификатор Edit Poly и использовать Flip для "поврежденных" фейсов. Если импорт совсем неудачный, вы можете использовать двусторонний материал, такой как Arch+Design, для "исправления" фейсов, что бы не тратить излишне много времени на вычистку модели.

Эта геометрия такая же, как в предыдущем примере. Но некоторые фейсы вывернуты, поэтому они кажутся невидимыми. Информация об ориентации могла быть потеряна или искажена в процессе импорта.

Подсчет полигонов

Хорошая практика - подумать о том сколько полигонов должен содержать объект до его моделирования. Это истинно для всех геометрических объектов, в особенности для искривленных и округлых. Каждый фейс нуждается в визуализации, но использование множества полигонов на округлых объектах может быстро привести к неэффективности, особенно если объекты копируются в сцене. С другой стороны, использование слишком малого количества полигонов делает внешний вид модели сегментированным.

Выбор слишком маленького количества полигонов для вашей модели дает неудовлетворительные результаты для архитектурной визуализации.

В этом примере внешний вид вазы улучшен, так как ее форма допускала добавление дополнительных фейсов без разрушения самой вазы. Мы смогли просто добавить модификатор Turbosmooth.

Несваренные вертексы

В некоторых случаях модель может выглядеть как замкнутая, но на самом деле, каждый фейс отделен от других и вертексы соседних фейсов не "сварены" (unwelded), что значит "не соединены". Несваренные вертексы могут быть причиной многих проблем, включая большие размеры файлов (из-за тысяч ненужных вертексов), повреждение объекта при перемещении фейсов или при изменении модели, и даже проблемы с надлежащим сглаживанием и интерполяцией нормалей, так как с точки зрения 3ds Max, фейсы не соединены. Если модификатор Smooth не исправляет проблем сглаживания, проверьте несваренные вертексы. Для сваривания вертексов просто добавьте модификатор Weld Vertices и выберите подходящий радиус.

Обе сферы выглядят одинаково, но правая имеет ряд несваренных вертексов. Это впустую расходует память (к примеру, при многократном копировании) и делает затруднительным изменение геометрии.

Проблемы возникают при перемещении половины фейсов в модификаторе Edit Poly. Сваривание вертексов исправляет открытые ребра.

При некоторых условиях освещения вы даже можете видеть несваренные вертексы при изучении визуализированного изображения объекта.

Перекрывающиеся поверхности

Будьте осторожны с фейсами, которые четко перекрываются. Визуализатор не может определить который из них передний и появляются артефакты с черным рисунком. Перекрывающиеся фейсы могут появиться из-за небрежного моделирования или при импорте из файла, такого, как CAD-файл с различными версиями геометрии, точно перекрывающимися в нескольких слоях.

Протечки света

Поскольку вычисления непрямого освещения в любом случае используют интерполяцию вследствие своей сложной природы, при моделировании необходимо избегать протечек света. Их причиной является геометрия, обычно ребра, которая позволяет непрямому свету проникать сквоз преграду, даже если этого не случается в реальном мире. Эта проблема особенно заметна в сценах с высоким контрастом, например, с солнечным светом в пространстве, окружающем закрытое помещение с открытыми проёмами. Если модель сделана не должным образом, ошибочная геометрия может позволить свету проникнуть внутрь через открытые ребра.

Даже если ваша модель выглядит хорошо во вьюпорте, она может давать протечки света при визуализации. Проверьте ваши настройки визуализации на предмет возможных причин этого. Например, radiosity может позволить свету проползти под стеной, если пол не является отдельным объектом. Если радиус поиска фотонов (photon search radius) установлен слишком большим для тонких стен, то солнечный свет будет интерполироваться внутрь помещения. Обычно Final Gathering - самый надежный способ обойти потенциальные протечки света.

В отличие от несваренных вертексов, перекрывающиеся поверхности просто дают пятна.

Когда параметр photon search radius установлен слишком большим для тонких стен, солнечный свет интерполируется внутрь помещения.

Непрямое освещение

В реальном мире свет отражается от поверхности, освещая другие поверхности. Это происходит многократно, до тех пор, пока свет полностью не будет поглощен. Этот эффект называется "отраженное (или непрямое) освещение" (известное в компьютерной графике как "global illumination" или GI). Он очень сложен и требует много времени для вычисления. Вот почему вычисление этого эффекта по умолчанию выключено. Если свет будет отражаться в сцене неограниченное количество раз, то работа визуализирующего ядра становится неэффективной. Поэтому визуализатор mental ray позволяет вам указать количество отражений света, которые будут просчитываться.

mental ray предоставляет два метода для вычисления непрямого света:: "global illumination with photons" (глобальное освещение с фотонами) и "Final Gathering (FG)" (окончательное накопление), которые могут использоваться вместе или по отдельности. У каждого из методов есть свои преимущества. Наиболее важное различие между этими методами в том, что FG вычисляет отраженный свет через сэмплы из камеры. В противоположность этому, фотоны выстреливаются из источника света в сцене, сохраняются на поверхностях, а затем уже видимы камерой. Оба метода используют интерполяцию.

Final Gathering

Для сцен с хорошим освещением, такие как большинство сцен вне помещения, лучше использовать Final Gathering. Для таких целей FG работает быстро, с хорошим приближением, и дает лучшие и более гибкие варианты шейдинга, чем фотоны. Примите как правило первым пытаться использовать FG. Многие проекты могут быть сделаны исключительно с помощью FG, включая, если необходимо, множественные отражения света. FG также хорошее решения для интерьерных сцен, которые освещены напрямую, без необходимости вычисления многократных отражений света. FG может вычислять многократные отражения света, но с использованием фотонов это гораздо быстрее. С использованием предварительно сделанных настроек 3ds Max, вы можете быстро включитьили выключить Final Gathering, переключаясь из режима Fast Draft в режим Production и обратно. На этапе предварительных проходов вы можете видеть построение решения FG, которое будет давать вам грубое представление как будет выглядеть окончательная визуализация.

Глобальное освещение с фотонами

Если FG не дает вам добиться желаемого, пробуйте фотоны. Этот метод в целом более точный, чем FG в плане распространения света. Если вам нужны физически корректные, точные сцены для целей анализа, как например через Pseudo Color Exposure, используйте фотоны. Фотоны могут быстро вычислять многократные отражения света и передавать свет далеко вглубь сцены. К примеру, необходимо сделать длинный туннель с двумя открытыми отверстиями на его концах - метод фотонов обеспечит проникновение света в туннель так далеко, как это происходит в реальном мире. В общем случае, это верно и для сцен, которые освещаются извне через небольшие отверстия. Поскольку фотоны излучаются источником света, свет находит открытые отверстия более просто, чем это будет делать FG, который ищет открытые отверстия посредством случайного сэмплинга. Недостатком метода фотонов является трудности получения детализированного шейдинга, особенно на мелких объектах. Вычисление быстрое, но результат сглаженный. Для получения деталей вы должны использовать так много фотонов, что можете исчерпать всю доступную память. Вы можете использовать Ambient Occlusion (затенение фонового освещения) для быстрого добавления деталей к сглаженному фотонному решению.

Фотоны и Final Gathering

mental ray дает вам лучшее из обоих миров: используйте FG для детализированных сцен и фотоны для передачи света за короткое время так далеко, как это необходимо, с многократными отражениями света. Точно так же, если FG включен, он делает остальное, давая вам сглаженный, но детализированный результат.

Комната освещена солнцем с одним отражением света в FG. Свет не распространяется, даже если вы выбираете высокое значение для количества отражений света.

Та же комната, освещенная фотонами и с деталями, проработанными с помощью FG с одинарным отражением света.