如何渲染才能獲得逼真金屬效果（ 上）

先來看看最終效果圖吧！

要渲染出真實可信的金屬可能需要大量的時間，因為光線追蹤會對渲染時間造成負面影響，所以我們應該了解GP著色器的高光屬性，讓我們可以在保證渲染盡可能高效的同時實現(xiàn)想要的外觀。

金屬可以添加各種各樣的圖層。因為這是在未來，所以我們可以在藝術風格上有更大的自由度。從下面的金屬參考可以看出，真正的金屬鉻可以形成區(qū)別很大的外觀，比如我們可以在《蘭戈》和《拜見羅賓遜一家》這樣的電影看到這些效果。每一種外觀都是由技術總監(jiān)根據(jù)現(xiàn)有的技術來指定的。我們在選擇金屬著色器的時候需要考慮一些限制。

我們想在飛行汽車上實現(xiàn)一種處于兩者之間的效果，不會太真實，也不會太卡通，但肯定會更加明亮，比較接近高導電性的鉻或者鍺的外觀。

請觀看GP著色器中的一些關鍵屬性，它們能夠幫助我們實現(xiàn)想要的外觀。

粗糙度（Roughness）

要描繪出真實可信的金屬，其中一個最重要的屬性高光的不規(guī)則性。粗糙度屬性能夠讓我們控制金屬的拋光或粗糙程度，不規(guī)則的粗糙樣式可以大幅提升渲染的真實感。很重要的一點是不要做出過高的粗糙度，因為高度漫反射的表面和非常粗糙的表面在某種程度上來看是一致的，導致出現(xiàn)過多的高成本高光光線。

高光增加（Specular Gain）

在控制高光不規(guī)則性時，其中一個最重要的設置是高光增加。這個數(shù)值能夠接受亮度輸入，定義表面高光的強度。在這個數(shù)值上使用粗糙貼圖（grunge map）添加磨損和劃痕總是有用的，因為這樣可以改變表面的高光強度。我們在鉻金屬的著色上使用繪制貼圖，即使是最輕微的不規(guī)則性都能將鉻金屬的著色的可信度大幅提升。

另外一個重要屬性是模式（Mode），它能夠決定使用光線追蹤還是反射遮蔽來計算出反射。完全（Full）光線追蹤是可以達到很高的成本的，不過它會利用到整個場景來計算出著色的最準確反射。另一方面，直接（Direct）光線追蹤只會采樣燈光，但同時也會使用反射遮蔽，它能夠通過估計多邊形的情況（不是著色）來模擬物體的反射。反射遮蔽能夠提供超高的渲染效率，同時保持可信的反射外觀。

各向異性（Anisotropy）

各向異性控制的是高光部分的形狀。這個屬性能夠?qū)χ�色的外觀產(chǎn)生明顯的影響，因為反射會彎折并跟隨這個拓撲結(jié)構(gòu)，幫助我們實現(xiàn)這種金屬拉絲的外觀。還有幾個屬性是需要與各向異性配合使用才能在著色中準確呈現(xiàn)：

粗糙度必須大于0，通常0.2的取值就開始出現(xiàn)明顯的各向異性特性。

各向異性的方向取決于多種幾何因素，包括UV、幾何圖形類型（多邊形、NURBS、SubD等）、以及GP著色器的切線光源（Tangent Source）屬性。

切線光源（Tangent Source）

在高級高光（Advanced Specular）標簽中可以找到切線光源屬性。這個屬性對于各向異性高光的方向來說十分重要。

Default選項會使用表面的dPdu來計算出切線，用于各向異性和切線空間的編碼。這是一個由著色系統(tǒng)提供的內(nèi)置向量，因此無需額外的計算。如果拓撲結(jié)構(gòu)有問題時就會看到過高的反射。

S選項會從ST（UV）坐標上計算出一個漸變。如果網(wǎng)格沒有UV，那么它可能就會渲染出黑色或者dPdu的默認顏色。它不能很好地處理自動映射的UV，因為方向在接口處會發(fā)生改變，但是能夠處理好帶有不當拓撲結(jié)構(gòu)的準確UV。

Mesh選項會從多邊形網(wǎng)格中生成切線。為了生成所需的切線，請選擇多邊形形狀節(jié)點，并添加一個叫做“Output Tangents”的RenderMan屬性。這樣會引入額外的計算。

Input選項會使用一個材質(zhì)貼圖來生成并計算網(wǎng)格的切線。簡單的漸變會有最好的效果，不過可以使用任意圖像來生成自定義和創(chuàng)意的效果。材質(zhì)貼圖必須連接到切線漸變（Tangent Gradient）屬性上，它對帶有相似方向的UV有最好的效果。

最大高光值（Max Specular Value）

這是一個很有用的屬性，它能夠利用高光值進行更加高效和可靠的采樣和圖像過濾，真正避免了物理渲染所帶來的斑點和假象。如果將這個數(shù)值設成1，那么渲染數(shù)值就不會超過1，即使選擇了浮點圖像格式也一樣。常用的設置值為2-10，這個區(qū)間可以將光圈值保持在合理高效的范圍。

我們先來看看汽車的金屬著色器。

你會注意到我已經(jīng)將最大燈光采樣（Max Light Samples）和最大反射采樣（Max Reflection Samples）從16增加到32，這樣可以確保粗糙區(qū)域有較高的采樣，不然的話會造成噪點。RMS可以智能地使用最大采樣（Max Samples）參數(shù)，它只會根據(jù)實際需要進行采樣。所以在大部分情況下，將最小采樣（Min Samples）保持在1就足夠了。

另外要注意的是我在大部分的著色器中都將最大高光值設成了2到4之間，這樣就能保證著色當中不會出現(xiàn)斑點或假象。

然后看一下路標的著色。

你會注意到我們的表面顏色（Surface Color）和高光顏色（Specular Color）是使用同一個漫射材質(zhì)貼圖的，因為跟塑料之類的絕緣材料是不一樣的，導電材料（金屬）總是會反射跟漫射一樣的顏色。例如黃金的高光是黃色的，而不是白色。我們也會用繪畫材質(zhì)貼圖來控制金屬（Metallic）屬性和高光增加屬性，將路標的粗糙部分和光澤部分分開。我們在金屬屬性加入了一些漸變，因為我們不想把路標做得像鏡子一樣光滑。

注意我們已經(jīng)將切線光源設成了S，這樣可以讓我們更好地利用布局良好的UV，并實現(xiàn)美觀的直接各向異性高光，即使我們沒有良好的拓撲結(jié)構(gòu)也能做到這些。另外一個有趣的技巧是利用程序性的噪點提升著色器的突起。這樣可以為反射增加一種特別的彎曲，讓路標看起來更加飽經(jīng)風霜。

提示：如果與Mudbox配合使用的話，請嘗試導出FBX文件來保持Maya creasing。Renderman的subD能夠很好地與Maya creasing兼容，讓你可以添加有趣的傾斜邊緣，不會增加不必要的幾何圖形。

汽車噴漆

我們的復古未來汽車需要一種獨特的汽車噴漆。GP著色器的其中一個有趣功能是可以生成金屬噴漆薄片。結(jié)合了金屬控制之后，噴漆薄片可以在汽車噴漆著色器中生成獨特有趣的樣式。

這張Finn McMissile和Mater的圖像完美地結(jié)合了我們的外觀發(fā)展。我們需要在汽車的底部實現(xiàn)一種磨損的效果，然后在飛行汽車的其他部分加上明亮的金屬噴漆和清漆涂層。

接下來看看這些GP著色器屬性如何幫助我們實現(xiàn)想要的外觀。

薄片數(shù)量

薄片數(shù)量可以自由地進行藝術指導。這些薄片是基礎標準（base normal）的隨機分散，所以請注意不要添加過多薄片，不然的話它的樣式會開始在著色上出現(xiàn)奇怪的噪點，特別是在動畫當中。我們針對車輛采用了0.15的數(shù)值，如果用更大的數(shù)值的話就會在特定的角度出現(xiàn)白色的假象。這些需要根據(jù)表面的曲率進行細致的處理。

薄片頻率（Flake Frequency）

薄片頻率是指薄片在表面上的大小。它并非處于真實世界的空間，所以我們需要根據(jù)每個物體的需要微調(diào)薄片的大小，得到想要的外觀。我們的薄片頻率被設置成了10左右，因為對于這個鏡頭距離來說能夠達到很好的外觀。如果取更大的數(shù)值的話，我們就需要大量的過濾來阻止薄片出現(xiàn)閃爍。另一方面，如果取值過低的話，薄片就可能會變得過大。

這時我們也要確保較高的IOR（Index of Refraction，折射率），或者大于0的金屬屬性，這樣才能看到金屬薄片。正如下方例子所示，薄片在高光部分添加了一個有趣的樣式。

現(xiàn)在回到我們的汽車噴漆著色器。

金屬汽車噴漆會在觀看角度中變暗，而且顏色也會產(chǎn)生變化。為了實現(xiàn)這種效果，我們會利用“samplerInfo”節(jié)點的表面比率來控制漸變的V坐標。之前的繪制材質(zhì)貼圖用來控制其他的屬性，例如表面顏色和高光增加，這樣汽車泥濘的底部就不會出現(xiàn)高光著色。

這個汽車噴漆著色器當中很重要的一點是它采用了次級高光葉片，它可以在金屬噴漆層的頂部做出一層透明漆，不需要用到副著色器。同時還會用到一個類似的漸變來控制高光顏色，不過顏色會變得更加不飽和，避免環(huán)境有過于鮮艷的著色。我已經(jīng)將粗糙度維持到最低的水平，也將高光混合（Specular Blend）設成了0.5。這樣做會保留一半的次級高光和一半的主要高光。注意不要讓其中一種高光比另一種高出很多，不然就不會出現(xiàn)分層的效果。我們也會在兩個高光葉片上使用“Full”的高光模式來反射整個環(huán)境，從而得到更加準確的映像，特別是地面的反射。

由于大小的關系，金屬薄片會比較難準確的過濾。為了克服這點，我在Car Paint Shader中添加了一個著色率（Shading Rate）的屬性，它會覆蓋掉全局的設置。我已經(jīng)將著色率設置成0.5，這樣可以確保我們的著色能夠在每個像素上細分兩次。

玻璃

玻璃的渲染通常都是非常昂貴的。這就是RMS 18擁有一個專門的GP Glass著色器的原因，它是專門優(yōu)化用于復雜的可信著色的。在這個部分我們將會詳細了解在我們的汽車上使用GP Glass的優(yōu)點和缺點。我們也會研究如何使用GP著色器來取代GP Glass著色器，做出一種有趣的磨損玻璃效果，同時盡量減少渲染的時間。

我們的視覺發(fā)展需要不會遮擋角色，同時可以跟環(huán)境良好互動的玻璃。這種玻璃還需要足夠薄，而且可以有一點折射，再加上一些來自道路的塵土。在下面的參考圖像中我們可以找到一些有用的粒子，從巴斯光年的透明塑料面罩到一塊飽經(jīng)風霜的玻璃。我們需要在這些圖像之間達到一種平衡。

我們現(xiàn)在來看看GP Glass和GP Surface著色器中的一些有用的參數(shù)和巧妙的用法，以及它們是如何幫助我們實現(xiàn)想要的外觀的。

GP Glass

雖然GP Glass著色器可以快速地做出照片級的玻璃外觀，它在渲染折射時會比GP Surface著色器要慢得多。如果我們可以為了可信的外觀而犧牲準確度，那么我們就可以用GP Surface 著色器做出非常好看的玻璃外觀。

正如我們在這里看到的，使用GP Surface著色器的“Direct”反射來對玻璃著色的效果是跟“Full”反射差不多的，但是渲染成本只有三分之一。GP Glass能夠做到美觀而且折射，但是缺乏GP著色器可以做出的特別磨損效果。它還需要更多的高光深度來生成可接受的結(jié)果，這樣會增加渲染的時間。

我們會在汽車前燈使用GP Glass著色器，我們已經(jīng)在車燈上做了一些細節(jié)來實現(xiàn)美觀的燈泡折射。

GP Surface

因為汽車上的玻璃比較輕薄，所以使用非折射著色器已經(jīng)可以有不錯的效果，如果我們能夠用上副著色器和遮罩就更好了。對于我們的鏡頭來說這是一個很好的妥協(xié)。

先來看一下我們的“低成本”玻璃著色器。

我們在主著色器和副著色器上加入了不規(guī)則的磨損和透明。副著色器帶有一個連接到遮罩（Mask）輸入的粗糙貼圖，它能夠切斷副著色器并讓它在某些區(qū)域變得更加不透明。我們也使用了一個強制執(zhí)行的透明度貼圖來調(diào)整主著色器的粗糙度（Roughness）。這樣可以確保我們的燈光可以在不同的強度下得到反射。最后我們會添加一個繪制貼圖來分離主玻璃著色器的整體高光。磨損效果會為我們的高光內(nèi)容提供一些不錯的刮痕。

最重要的是，我選擇了“Direct”的高光模式，這樣可以在設計和效率之間達到一個很好的平衡。跟“Full”高光相比，它可以做出纖薄的玻璃外觀，同時減少渲染的時間。我們也可以看到長滿毛發(fā)的角色在車中也不會被遮擋，正如我們可以透過巴斯光年的面罩看到他一樣。