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科普-全面介绍HDR图原理及CG中的应用


科普-全面介绍 HDR 图原理及 CG 中的应用

什么是 HDRI
先看两个百度百科的介绍:HDRI 拥有比普通 RGB 格式图像(仅 8bit 的亮度范围)更大的亮度范围。标准的 RGB 图像最大亮度是值是 255/255/255,如果用这样的图像结合光能传递照明一个场景的话,即使是最亮的白色也 不足以提供足够的照明来模拟真实世界中的情况,渲染结

果看上去会平淡而缺乏对比,原因是这种图像文件将现实 中的大范围的照明信息仅用一个 8bit 的 RGB 图像描述。 但是使用 HDRI 的话,相当于将太阳光的亮度值(比如 6000%)加到光能传递计算以及反射的渲染中,得到的 渲染结果也是非常真实和漂亮的。下面的两张渲染的图片可以看出使用 HDRI 后带来的巨大差异。

什么是 HDR
High-Dynamic Range (HDR) image 的缩写,就是为了解决这个问题而发明出来的,简单说,HDRI 是一种 亮度范围非常广的图像, 它比其它格式的图像有着更大亮度的数据贮存, 而且它记录亮度的方式与传统的图片不同, 不是用非线性的方式将亮度信息压缩到 8bit 或 16bit 的颜色空间内,而是用直接对应的方式记录亮度信息,它可以 说记录了图片环境中的照明信息,因此我们可以使用这种图像来“照亮”场景。有很多 HDRI 文件是以全景图的形式 提供的,我们也可以用它做环境背景来产生反射与折射。 这里强调一下 HDRI 与全景图有本质的区别,全景图指的是包含了 360 度范围场景的普通图象,可以是 JPG 格 式,BMP 格式,TGA 格式等等,属于 Low-Dynamic Range Radiance Image,它并不带有光照信息。

记住
我用最简单最直白易懂的话来总结说:HDRI 就是会发光的图片。它的每一个像素,就相当于是一个小 LED 灯 泡。最亮的部分就是太阳所在的部分。因为它是 LED 灯,所以它可以把光和色照射出来,影响到周围。而且,它 同时也是 360 全景图片, 它在用来渲染的时候, HDRI 就相当于是一个真实的自然环境, 它有天光, 有环境, 有云, 有色,有阳光(即是主光的位置),模拟了非常真实的,和谐的,符合自然的环境效果。

什么样的 HDRI,才适合用来渲染建筑效果图
网上流传有各种各样的 HDRI,从画面类形上来说,有球形的,有平展的,有方形的,有横向十字形的,有竖向 十字的。但是,什么样的形式才适合建筑室外效果图的使用呢?

从图形上来说, 用平展的 HDRI, 在三维软件里用球形贴图方式, 是最合适的。 当然, 也可以配合 VRay 的 HDRI 材质,它可以识别上述各种类形的 HDRI 形式。但是,不同渲染要求,也可以分不同的使用方法。比如上图上的球 形 HDRI,用来制作工业表现之类的金属反射,效果是最理想的。 从建筑效果图要求上来说,一般都要求玻璃反射要干净,墙面要干净,材质要清楚,天空也不要太花。那在遵 循这个要求下来说,那对平展的类形的 HDRI 的选择肯定的,同时还要求:天空要干净,不要太花,环境要开敞。 这是三个基本要求。

A:天空要干净
因为 HDRI 是 360 全景图,它除了用来做光照外,同时也是反射和背景图,天空干净,反射玻璃才干净。但是, 天空也不要太干净,也必须要有一些光色变化,比如,从上到下的变化,从左到右的变化,如果都是平平的一个色 的话,那渲染出来的结果也肯定是平平的,没有转折,没有立体的光色变化了。

B:不要太花
如果 HDRI 太过于花,太乱的话,渲染结果也是比较花的,而且因为它的光色丰富,有时候,它有可能因为光 色太过于丰富而并不一定适合于鸟瞰使用。因为有可能丰富的光色投到场地上都花掉了,显得脏。

C:环境要开敞,环境越是开敞
环境越是开敞开阔的,越适合用于大型的建筑表现,特别是远景的话,开阔的环境才更符合自然所处的位置感 觉,而不能使用非常小场景的 HDRI,会使大型建筑挤在小环境里一样。包括它在玻璃上的反射比例也会失调。总 之,要做什么样场景的建筑主体,就找到相近的环境的 HDRI 来进行渲染,是最合适的。

但是
并不是说其它类型的 HDRI 就没有用了,天空多云的,花的,也同样是大自然的自像景像,在适当情况下,它 更能体现真实的环境效果。 同时, 它的图像尺寸还要满足出图需要, 如果图像太小, 就会出现背景图像模糊不清楚, 以及反射图像有锯齿等等。

HDRI 的选择

不同的 HDRI,有不同的用法,如上左图夜景的,天空有适当变化,建筑灯光色彩也较丰富,适合用于建筑夜景 渲染表现。 上右图适合较大型场景建筑渲染使用,但是,这张的天空色彩变化较平,从左到右,从上到下,都是比较纯平 的颜色,太阳耀斑过于剧烈,太大了,渲染的时候有可能会在建筑玻璃上出现夸张的太阳耀斑,云彩位置稍高稍多 了些许,下部分地下光色效果也较平。

如上左图场景大小一般,可以用来做小型建筑,阴雨天,或者晨昏效果使用。 上右图适合较大与上面介绍的夜景相似。

如上左图场景空间太过于狭小,这类不适合大型建筑室外表现使用,但是很适合用于工业汽车类渲染使用。 上右图属于室内类型,只适合用于室内物体的材质表现,包括工业产品,汽车,家具等表现,它有众多的条状 高亮部分,这类用来做金属表现是比较理想的。

如上图示,这类大型开敞,天高地阔的 HDRI,就非常适合用于大型场景建筑表现使用。对于天空的选择在前面 已经讲过了,可以按自己喜好和要求来选就可以了,补充一点就是,太阳的耀斑应当尽可能的小,避免过大面积的 光斑,同时远处的树木能有高低错落有致,效果更佳。

什么样的 HDRI 才是高质量,优秀的 DHRI 文件呢
a.鉴别工具
除了上述的三个基本条件外,什么样的 HDRI 才是高质量优秀的 HDRI 文件呢?我们可以使用一个最简单的方 式来检测,首先可以找到两个小工具,当然,使用 PS CS4 以上也可以:

可以使用 HDRI SHOP 工具或 HDRI VIEW 察看器或 PS CS4 以上版本打开 HDRI 文件, HDRI Shop 或 HDRI 在 View 里面,直接按键盘上的“+”和“-”加减号,可以看到图像会有加亮或减暗的变化,在 PS CS4 以上版本,打开图 像--调整--HDRI 色调,使用曝光度调整:

b.鉴别方法

拿这张 HDRI 为例,这是正常打开时的图像

这张是在加亮度之后的 HDRI 图像,当然这张现在并不是加到最亮,只是加了两三档,最曝光的地方就是太阳 的位置,这是附合自然摄影曝光规律的。

这张是在减弱曝光之后的图像,当然同样还可以继续往下降曝光,这张也是同样附合自然摄影曝光规律的,因 为在摄影时间非常短,进光量极少的时候,最亮的部分,肯定还是太阳。

技巧
如果我们要鉴别一张 HDRI 图像是否高质量,直接使用加曝光和减曝光就可以看出来,但是,加曝光的时候, 不管是优质或劣质 HDRI,它同样都会加曝,它的关键识别就在于减档是,逐步减暗到几乎全黑的时间,注意查看 太阳的位置,或者是光源的位置,是否仍然保持高亮不发灰。注意,是不发灰,如果有发灰的情况,越灰,说明光 照质量越差。

如何使用 HDRI

好,接着上面,我们已经有了优质的 HDRI 文件,那该如何使用呢?在大部分情况下,一张大尺寸(排除小尺 寸)高质量的 HDIR 文件,可以直接用来: 1.做环境背景 2.做光照贴图 3.做反射贴图

1.做环境背景:
在 3 维软件里面,都有背景贴图选项,比如在 MAX 里面,默认快捷键 8,打开就是环境背景设置,可以把 HDRI 图像放在这里,用来做背景渲染显示。

2.做光照贴图:
这个部分,必须配合有 GI 全局光照的渲染软件来使用。不然无法进行发光计算。比如在 VRay 渲染器里,可以 将 HDRI 贴在渲染设置的天光里面,它将起到光天的光照作用。

3.做反射贴图:

当然,除了把 HDRI 贴在环境反射里可以用来做反射贴图,也可以把它贴在球天物体里使用。 对于文件的调用,可以使用 BITMAP 调入,也可以使用 VRHDRI 调入。

但是:
我们把这三个部分都分开来做的话,工作很繁琐,而且,调整、修改不方便,更而且:每个部分都分开的话, 环境效果可能不协调,有可能会使反射与背景显示的内容不相同,不和谐。

那么,有没有更方便的方法呢
答案是肯定的!那就是使用 VRay Light 的 DOME 半球灯:如下图

以直接将 HDRI 贴在它在 Texture 纹理贴图里面,当然,你即使不使用 HDRI,使用普通的 360 全景 JPG 图像 贴在这里,也可以取得良好的渲染效果,只是,HDRI,要更良好一些。

使用 VRay Light 的 DOME 半球灯的优点
A:它直接解决了上述的三个步骤,化零为整,一部到位,同是既有背景功能,也有天光光照功能,也同样具有反射 作用 B:易调整,包括光亮明暗,HDRI 贴图方向等 C:光线更逼真,光影更细腻 D:操作挺方便的 E:.......

使用 VRay Light 的 DOME 半球灯的缺点
A:不能直观的看到它的显示效果,要渲染才知道 B:渲染稍为有点慢 C:主光位置有可能不能非常准确的与 HDRI 图像的太阳位置对齐匹配 D:在投影采样细分参数较低时,渲染结果杂点较多 E:.......

那么,有没有更方便的方法呢?
答案是肯定的! 那就是使用 VRay Light 的 DOME 半球灯与 HDRI 图像,以及太阳主光进行绑定,匹配对齐, 制作灯光文件。

VRay Light 的 DOME 半球灯与 HDRI 图像,以及太阳主光进行绑 定
使用 MAX 驱动器,比如: 1.用一个 BOX 的 X 轴向移动,去带动另一个球体的 X 轴向移动 2.用一个 BOX 的 Z 轴向移动,去驱动另一个球体的 Z 轴向移动 3.用某一个物体的某一属性或行为动作,去驱动另一物体的某一属性或行为动作或者进行联动

那结果就是:
使用 DOME 半球灯光的 Z 轴方向旋转,来联动 HDRI 贴图的水平方向(或者 U 轴向)进行位移。

关键技巧就在于:
DOME 半球灯光的 Z 轴方向每旋转 1 度,HDRI 贴图的水平方向(或者 U 轴向)就要进行 360/1 的位置,也就 是要把 HDRI 的宽度,分成 360 分,DOME 每转一度,HDRI 就位移一份。必须定义了这个关键点,它才能够匹配 同时联动,如果没有定义 360/1 的话,转动 DOME 的时候,HDRI 也是会转动的,但是转度多少是个未定量。 同时,还别忘了,要把太阳主灯,在对齐位置之后,也使用 LINK 工具直接与 DOME 灯绑定在一起。然后将这 个文件存起来,就成了灯光库文件,方便以后直接调用。可以配合 HCG 之类的素材管理工具,进行非常高效的使 用方式。

但是绑定 DOME 半球灯与 HDRI 以及太阳主灯,有什么缺点吗

相对于前面的几种方法来说,HDRI 绑定 DOME 灯光的方式配合 HCG 工具使用是很高效也很方便的,也解决 了很多繁琐的问题,渲染结果也是比较理想的,但是它仍然不够直观,HDRI 渲染效果的可调节性依然较弱,因为 配合了 DOME 灯光,它在保留细腻光影的同时,也仍然存在一定的杂点颗粒和渲染较慢的情况。当然,这个技术 同样可以大批量用于生产制作,并不会被淘汰掉。


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