大触教程 | 如何在增大采样的情况下高效渲染？

大多数的材质在微观角度上呈现出惊人的形态，即便是一个看起来非常光滑的硬表面，如唱片。

坚硬的唱片是世界上最光滑的表面之一

 

显微镜的唱片

 

1982年库克和托兰斯发现这些微小细节并命名为Microfacet（下称微面）。微面与材质的各向异性属性有关系，各向异性通过材质微小面的分布计算出合适的高光反射。

 

 

这些微面使各向异性更加真实，但是却没有考虑到当材质使用Bump和置换贴图、材质出现裂痕等现象时的细微材质效果。

 

 

事实上，贴图纹理和像素的关系是一直在变化，会影响各向异性纹理过滤。一般的，Bump和置换贴图能增加材质的真实感，但是当镜头离的比较远的时候，这些细节可能只在屏幕上有不到一个像素，渲染器会自动忽略这些贴图纹理，从而导致基于纹理获得的细节丢失，所以，需要Bump-Roughness技术来解决这个问题。

 

 

Bump-Roughness会在各向异性纹理过滤的时候产生真实的微面效果。这种技术同时也避免了单独调整采样值。

 

上图是光线追踪的采样，在镜头近处还是比较容易采样到这些划痕的，但是当镜头变远的时候，划痕被采样的概率就降低了，因此细节的部分就会很难表现出来，为了增加这些细节，就要加大采样深度，无形中增加了渲染时间。

 

凹凸产生的各向异性效果让细节更真实

 

我们再看下这个硬表面，Bump贴图会产生凹凸的效果，但是凹凸的地方不会有微小面的效果，Bump-Roughness则会还原这些凹凸的效果。

 

我们来看看实践中Bump-Roughness起到什么样的作用吧。

在Cars 3中，一些重要的英雄角色比如Louise Nash，车漆上有磨损，这使得硬表面的高光显得与众不同。Bump-Roughness在中远景中很好的体现了这些细节。

 

看这些微妙的划痕，没有细节上的损失

 

这不仅仅是技术上的进步，这也是讲故事中塑造角色的重要方式。

“在皮克斯，讲故事是一件核心的事情，所以有时候，我们需要降低特效的影响......“

-Junyi Ling, Character Co-Supervisor Cars 3

 

另一件很重要的事情是半成品测试，在测试中，透明图层的划痕相比于最终的电影效果被稍微夸张了一点，这是为了展示Bump-Roughness的效果，在早期的电影渲染中，细节在远距离的镜头会丢失掉以至于需要更高的采样才能显示出来。

 

半成品测试

 

Bump-Roughness的另外一个重要特点是基于LOD(Level of Detail)的，LOD是一种广泛用于游戏中的技术，根据镜头的远近，读取相应面数的模型，Bump-Roughness生成的LOD会自动流转到下一个环节，灯光组不再需要反复的寻找灯光的角度才能看到漂亮的油漆片，这在塑造角色的时候是至关重要的，Jackson Storm出场时一身华丽的闪闪发光的车漆，和persona形成了鲜明的对比。

 

 风暴的美在于华丽的车漆

 

Bump-Roughness的优点不仅限于油漆片和透明图层划痕，还可以大大节省渲染时间，因为面对纹理过滤，不需要增加采样深度，依然可以表现很好的质量。这项技术同样也让其他材质收益，比如碳纤维材质。

 

 很多材质都采用这种技术

 

在有机物体采用大量置换的表面，同样需要在粗糙采样的情况下，保持相当多的细节，Bump-Roughness的技术也用于此，下面是蜥蜴渲染的示例。

 

不再需要更深度的采样来表现细节

 

“增加细节已经不再受到限制，并且对于艺术家来说，制作过程更加流畅、无缝。”

-Junyi Ling, Character Co-Supervisor Cars 3

 

在每像素1采样深度的时候，我们可以注意到置换和Bump细节的大量丢失，我们则需要每像素100采样深度的才能还原这些细节，然而我们现在只需要同样的每像素1采样深度，采用Bump-Roughness就可以达到和100采样深度相似的视觉效果，RenderMan会根据你提供的Bump或者置换的贴图，自动转换成Bump-Roughness可参考的数据，生成理想的效果。

 

三种采样深度的效果对比

 

当然，这种技术对于表现人的皮肤也有巨大的贡献，之前丢失的很多高光细节比如毛孔的细节现在在Bump-Roughness的帮助下显得栩栩如生。

 

皮肤上现在有了更微妙的细节

 

可以从上图看到，Bump-Roughness保留了最准确的高光细节，即便是在远处，我们依然能看到这些细节，改善高光的细节对于表现贴图的细节是非常重要的，制作组不再需要为了注意高光的效果而采用特别的灯光的角度，在这之前，制作组必须用一些奇怪的角度来表现细节。

  

为了测试Bump-Roughness是否能够胜任照片级的表现，艺术家们做了很多灯光效果的尝试，在皮克斯很早的时候，皮克斯就希望让皮肤的效果更加真实，Bump-Roughness让这一目标更近一步，皮克斯一开始的方向是让画面看起来更加风格化，因为并不知道是否能够达到比较真实的效果，但是现在的方向是优先考虑光线跟踪。

电影级灯光的皮肤测试

 

资产组也在Bump-Roughness的帮助下，在凝固的物体和大理石的表面表现上获得了更大的进步，尤其是大理石，他们修改了所有不完美的细节让大理石表现的更加与众不同。

 

Bump-Roughness还要比Bump的渲染速度快35%，因为它不需要完全地计算空间的3个向量，而是采用新的被称为“备用向量”的构成来减少环境的复杂度，Bump-Roughness现在是获得细节的基本方案，因为超级采样真的非常浪费时间。

  

  

“在未来，技术会精妙的帮助艺术家表现更加丰富的视觉效果。”

-Junyi Ling, Character Co-Supervisor Cars 3

 

总的来说，渲染的时间被大大减少了，这是因为BXDF（材质模型）是基于采样的，它的二次光线也是基于采样的，这让团队在制作很多场景中减少了差不多30%的渲染时间，在没有增加额外的采样深度下，电影依然获得了很好的高光效果，皮克斯未来的电影会更加成功的使用Bump-Roughness这种技术。

 

原作者：Harsh Agrawal & Leif Pedersen

翻译：蓝海创意云-范导

 

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