Lighting Basics and Good Practices

Digital lighting and rendering Chapter 2 notes

场景打光是一个反复迭代的过程。

• 什么时候开始打光取决于工作的公司和流程。通常来说，越小的公司这个过程越简单
• 如果想更好的达到导演需求的效果，尽可能的准备实物图片（或 concept arts）来描述自己的目标。
• 如果是 live-action shots，所有的灯光设置需要匹配 background plates（通常是 sequences，并带有 lighting matching 的参考球）
• 如果是 animation 项目，art 部门通常会提前提供原画，灯光师的会根据原画来自主打光。

• animation 测试的过程中需要灯光来检测动画是否存在物理接触的错误（比如是否动画接触地面）
• 真正的打光过程始于 layout 已经完成的情况下，包括：
  • 已知晓摄像机的位置
  • 已知晓 shot 是如何组成的
  • 动画已经完成
  • 材质与贴图已经完成

在打光的过程中，初始的渲染应该是 rough draft，而更多的时间会花在改进灯光（revising of lighting）上，直到获取自己满意的效果。这个过程被称为 feedback loop：

• 某些改动可以通过实时的反馈观察到（比如灯光的位置）
• 在需要渲染才能观测到改动的情况下
  • 只渲染需要观测变化的物体
  • 使用较为简单的物体替代比较复杂的物体
  • 对指定灯光修改时，关闭其他灯光
  • 只渲染改动最多的一部分区域
  • 从较低的分辨率开始渲染（测试），直到通过后再进行高分辨率渲染。
  • 关闭任何与目前修改无关的选项（比如测试角色灯光时可以关闭其毛发，毛发可以单独用额外的鸡胗测试）
  • test rendering 中可以关闭某些耗时的选项（raytracing, global illumination, 抗锯齿等等）
• Compositing （rendering passes）也非常重要

在多人合作中，灯光的命名是需要表意的：包括类型，motivation 和其照亮的对象等等。比如如下的例子：

#Specular highlight
#Motivited by a match
#illuminates the character's eyes
Spec_fromMatch_onEyes

#lights bouncing off the red carpet onto the rest of the set
Bounce_fromRedCarpet_onSet

如果同时存在多个为相同对象服务的灯光，将其打组。

• 每个版本的灯光设置与渲染结果都应该保存下来
• 将对应版本的文件与渲染结果搁在同一个文件夹中
• 将不同版本放置于同一个窗口中进行对比，更容易发现差别

Point Lights，又被称为 omni 或者 omnidirectional light。该光源的特点是：

• 所有的光线都来源于一个点
• 向所有的方向均匀的发射光线

Spotlights 与 Point lights 的不同之处在于其光线的发射方向被限制在指定的区域中（通常是一个圆锥体）。我们可以通过旋转 Spotlights 来控制光线发射的方向。该特性允许我们使用 Spotlights 来跟踪或是与指定物体绑定来达到某些特殊的艺术效果。

• cone angle：控制光束的宽度。
• penumbra angle / falloff / spread angle：控制光束边缘的 softness

• 边缘较硬的 Spotlights 非常引人注目，可以用于模拟探照灯等光源。
• 多个边缘较软的 Spotlights 会在其交界处混合，产生一种连续性的，无缝的组合效果：

现实中的 spotlight 通常附带额外的四片活动的金属叶片来达到“切割”光束区域的效果：



经过 barn door 剪裁的光束通常呈现为矩形的光束。

Driectional Lights，也被称为 distant, direct, infinite，或者是 sun light，主要用于模从非常远的地方射过来的光源（比如直射的阳光）。该类光源有如下特点：

• 调整该光线只需旋转而无需移动，光源的位置不会影响照明。
• 所有的光线都会按指定的方向平行的照明目标；也就是说光线的角度是统一的

Sky Dome 又被称为 environment sphere，是一种模拟环境光的手段。Sky dome 产生的光线通常非常柔和（也包括引用）。其主要用于：

• 可模拟来自于天空的光
• 可以做为 fill light
• 通常与 directional light 一起使用对室外环境进行模拟

当 Sky Domes 使用图片进行照明的时候，渲染器会使用图片的颜色来决定光线的 Brightness 和颜色。这种技术被称为 Image-based Lighting(IBL)。

Area LIghts （也称为 rect light）模拟的是面板类型的光源。这种类型的灯光会产生柔和的光线和阴影。常见的应用有：

• 天花板灯的照明
• 模拟来自窗户外部的柔和填充光
• 任何需要柔和阴影的应用

与点光源不同，Area Lights 的尺寸影响其明亮度与软硬度。通常，越大的 Area lights 越亮越柔和。需要注意的是，尺寸越大的 Area Lights，会产生更多的阴影。如果不希望阴影呈现出颗粒状的样子，需要提高阴影的 sample。

Area Lights 有一种很典型的应用：模拟来自窗户的室外填充光。这种灯光在某些软件中被特殊归类，称为 portal light。这种灯光会从 sky dome 的环境贴图中读取数据，可以更好的模拟来自于外部的填充光。

Physically Based Light （也被称为 IES LIghts & photomertic Lights），是基于现实中的真实灯光的数据来创建的光源。其数据来自 IES(Illuminating Engineering Society)，不同类型/品牌的灯泡会有不同的表现。此类型的光源通常使用色温（color temperatures）与 Lumens 进行调整。

要保证渲染结果的真实性，光有 Physically Based Light 是不够的，其配套的其他设置也需要保证物理正确，比如：

• 场景的缩放
• 材质 / Shader
• 摄像机的曝光参数

常见的 3D 软件中都支持自定义的几何体作为光源。此类光源主要通过两种方式来实现：

• 使用超过白光（通常是 RGB{1,1,1}）的颜色来作为几何体的材质颜色。
• 使用渲染器自带的发光材质（比如 VRay 的 Light Material）

需要注意的是，即便几何体自身可以作为光源，但软件自带的光源是进行过渲染器优化的，并拥有更多的选项。因此，几何体自发光尽量用于特定的场合，而可以用默认光源替代的场合尽量使用默认光源。

Ambient LIght 指环绕在我们周围的光源。这种光源来源于各种地方，在不同的角度呈现出不同的照明强度与颜色。真实环境中，Ambient Lights 并不是“平” 且 “均匀” 的。

Soloing light 指将其他光源隐藏，只测试当前光源的调整手段。其要点在于：

• 一次只测试一个光源，这样可以清楚的认识到每个光源的照明区域
• 添加多个类似的光源时，也应该优先测试单个光源，调整设置得到满意结果后在进行复制

Decay 指光线的强度在传输的过程中会衰减的现象。3D 软件中通常提供了各种不同的 Decay 设置供我们使用。Decay 通常会带一个数值参数（通常被称为 decay 或是 exponent），指光的衰减程度。常用的有三种：

• No decay, 0
• Linear, 1
• Quadratic,2
• Cubic, 3

当 Decay 值等于 2 时，Decay 被称为 Inverse Square Decay（也称 Quadratic decay）。这种 Decay 是最接近物理正确的 Decay。在这种情况下，光源与目标物体的距离每增加一倍，光线的强度就会衰减四倍。

Decay 通常用于可见的光源，以及应用全局光照的场景中。Inverse Square Decay 作为间接光反射的一部分，可以很好的模拟 indirect light 在场景中反射的现象。

• 由于 Inverse Square Decay 的衰减程度较高，通常设置光源的时候都会提供一个很高的初始光照强度，尤其是在光线需要进行长距离传送的时候。
• 如果出现光源足够亮，但在远距离的物体依然非常暗淡，这种情况需要考虑是否使用了 Linear Workflow

在两种情况下光线不需要 Decay：

• 模拟来自非常远的光源
• 模拟 directional light

• Cubic Decay 可以用于模拟光穿过浓厚的雾，或是光穿过阴暗的水下
• 高衰减的 Decay 光源可以用于只有光源旁边的物体需要照明的情况
• Linear Decay 某些时候可以作为 No Decay 和 Inverse square decay 的中间值使用
• 某些 3D 程序允许我们指定 Decay 的最小 / 最大距离，也就是超出范围外的光线就不再显示。这种设定并不是物理正确的，但某些场景中使用起来非常方便。

真实世界中，反射分为两种：

• 漫反射（Diffuse refection）：这种反射下，光线的反射方向是全方位的
• 高光反射（Specular refection）：这种反射下，光线的反射是平行的，反射会呈现出类似镜面的效果

光线在场景中会综合上述两种方式进行反射。Diffuse 主要呈现的是物体表面的着色；而 Specular 主要呈现的是模拟光源反射的高光。

有两个因素决定了反射的最终效果：

• 物体的材质
• 某些灯光设置允许设定只对 Diffuse 或是 Specular 照明起作用

• sun: 1.0-1.2
• fill lights repersenting the sky specular: 0.3-0.5
• 地面的反射光: 0-0.25

点光源在 3D 中表现为一个点（一个点的像素）。如果是真实的高光，那么高光表现上也只应该有一个点（无限小）。但这样带来的问题是，过于小的高光点是无法进行渲染的。为了修正这个问题，shader 中提供了选项允许我们设置高光反射的尺寸和 softness，使得高光渲染的结果看起来像是高光一样；但这样的结果并不是真实的。

Light Linking 指可以将指定的灯光与指定的物体绑定，使场景中未链接的物体不受该灯光的技术。该技术的好处有：

• 保证链接物体上始终存在需要的照明（比如专门链接一个高光灯作为人眼的高光）
• 可以对链接的物体做更加精细的修改
• 对场景中某些照明不佳的部分进行增强