目錄

第1章  電影級超寫實場景與燈光     1

1.1  場景燈光設置原則        2

1.2  燈光類型        4

1.2.1 
標準燈光    4

1.2.2 
光度控制燈光    6

1.3  標準燈光設計        8

1.4  全局光照繫統        36

1.4.1 
光線跟蹤與光能傳遞         37

1.4.2 
Light Tracer全局光照繫統         37

1.4.3 
Radiosity全局光照繫統     38

1.5  小型案例實訓：超寫實綠色植物

三葉草的制作         40

本章小結         67

習題         67

第2章  虛擬攝影機與實景匹配          69

2.1  攝影機類型   70

2.2  攝影機參數   72

2.2.1 
Parameters卷展欄    72

2.2.2 
Depth of Field Parameters

卷展欄     74

2.2.3 
Motion Blur Parameters

卷展欄     75

2.3  鏡頭動作        76

2.4  攝影機跟蹤與匹配        79

2.4.1 
攝影機匹配幫助對像         79

2.4.2 
攝影機匹配程序         80

2.4.3 
攝影機追蹤程序         81

2.5  小型案例實訓：快艇模型與攝影機的

匹配技術         84

本章小結         103

習題         103

第3章
 電影級超寫實海面風暴環境的

營造         105

3.1  環境和效果編輯器        106

3.1.1 
環境編輯選項卡         106

3.1.2 
效果編輯選項卡         107

3.2  大氣效果        111

3.3  小型案例實訓：中世紀帆船在海浪

與風暴中航行         113

本章小結         147

習題         147

第4章  超寫實自然環境與粒子特效          149

4.1  粒子繫統        150

4.1.1 
概述    150

4.1.2 
粒子繫統功能    152

4.1.3 
粒子視圖    153

4.2  空間扭曲        154

4.2.1 
動力空間扭曲    154

4.2.2 
導向空間扭曲    156

4.2.3 
幾何/變形空間扭曲   156

4.2.4 
基本編輯空間扭曲    156

4.3  小型案例實訓：電影級超寫實岩漿的

制作         156

本章小結         207

習題         207

第5章  電影級超寫實夜景環境的

營造         209

5.1  視頻合成編輯器   210

5.1.1 
概述    210

5.1.2 
視頻合成工具欄         211

5.2  創建與執行事件   213

5.2.1 
輸入場景動畫事件    213

5.2.2 
增加圖像輸入事件    213

5.2.3 
增加圖像濾鏡事件    213

5.2.4 
增加圖像層事件         214

5.2.5 
增加圖像輸出事件    214

5.2.6 
增加外部程序事件    214

5.2.7 
增加循環事件    214

5.2.8 
執行視頻合成    215

5.3  視頻合成特效        215

5.3.1 
Adobe Photoshop外掛濾鏡        215

5.3.2 
Adobe Premiere視頻濾鏡 215

5.3.3 
對比度濾鏡         215

5.3.4 
淡入淡出濾鏡    215

5.3.5 
圖像透明通道濾鏡    216

5.3.6 
負片濾鏡    216

5.3.7 
準透明通道濾鏡         216

5.3.8 
普通穿插濾鏡    216

5.3.9 
星空濾鏡    216

5.3.10 
鏡頭特效濾鏡  216

5.4  小型案例實訓：夜景下迷幻霓虹燈的

制作         217

本章小結         235

習題         235

第6章  電影級超寫實Mental Ray

渲染器     237

6.1  渲染輸出設置        238

6.2  渲染器   241

6.3  小型案例實訓：超寫實機槍金屬彈殼

掉落效果制作         248

本章小結         282

習題         282

參考文獻         283

前    言

如今虛擬仿真互動技術的發展日新月異，已經可以實現多種自然界中的動植物和大自然場景的虛擬仿真模擬。然而不論是沉浸式的遊戲開發與制作還是虛擬仿真模擬的視覺效果，都離不開三維動畫技術中的建模與渲染環節，因此高等院校動畫專業中的三維動畫技術課程對未來動畫遊戲與虛擬仿真互動技術人纔的培養有著重要意義，新技術、新意識形態、新藝術表現形式等都給動畫教育提出了新的課題。

本書是在動畫教育的辦學理念、人纔培養目標、教學模式、學科建設、課程體繫、教學內容等方面不斷進行改革創新的研究，並結合了教學積累與實踐經驗的總結，吸收了國內外動畫創作、教育的前沿成果。在教材的編寫過程中，注重理論與實踐相結合、動畫藝術與技術相結合，並結合動畫創作的具體實例進行深入分析，強調可操作性和理論的繫統性。在突出實用性的同時，力求文字淺顯易懂、活潑生動。

3ds Max 2016是Autodesk公司推出的著名三維動畫制作軟件，在用戶界面、建模特性、材質特性、動畫特性、高級燈光、渲染特性等幾個方面性能卓越。3ds Max 2016是三維動畫特效制作的利器，利用高級燈光、視頻合成、粒子流、高級渲染器等工具，可以極大地提升三維動畫特效制作的質量。

本書通過一繫列精心設計的三維動畫設計案例，繫統、詳細地講述了在3ds Max 2016中如何制作日常生活中常見的物品及超寫實的自然景觀；如何制作科幻電影中連綿的超寫實山脈、逼真的深海環境、視頻合成效果等；還介紹了如何利用Mental Ray、V-Ray等高級渲染器對編輯完成的三維動畫進行電影級的超寫實渲染輸出。

本書由天津工業大學李文傑、李鐵及湖南應用技術學院張莉主編。李文傑的主要研究方向為三維動畫技法、VR虛擬現實，2013年主編《三維動畫特效》與《三維動畫技法》兩部“十二五”省部級規劃教材，在業界深受好評；2014年，李文傑作為指導教師指導*大學生創新創業訓練計劃項目，同時該創業項目在第五屆全國大學生三創賽中榮獲創業獎；2015年，其藝術創作作品成功入選由文化部與科技部聯合主辦的全國文化產業人纔創意創業扶持計劃，同時該作品在我國展會——義烏國際博覽會展出，得到中外業界的高度評價。此外，作者曾指導學生獲得與省部級一等獎和二等獎共計15項。

衷心希望這本教材能夠為早日培養出動畫、遊戲、虛擬現實仿真人纔，實現動畫、遊戲、虛擬現實仿真王國中“中國學派”的復興盡一點綿薄之力。

由於編者水平有限，書中難免存在疏漏和不足之處，希望廣大讀者和同行批評指正。

編  者

第1章  電影級超寫實場景與燈光

本章要點

在三維動畫場景中創建環境光源對像的原則，以及點光源、目標聚光燈、天光等不同類型燈光的創建方法和調節技巧。

在三維動畫場景中利用全局光照繫統裡的光線追蹤技術與光能傳遞技術來模擬真實世界中不同光源照射效果的方法與理論依據。

學習目標

識記3ds Max 2016軟件中標準燈光區域照明功能的特性與真實玻璃材質參數的設置方法與技巧。

掌握在三維動畫場景中通過光能傳遞技術與場景氛圍的營造技巧相結合來完成真實的三葉草微縮夢幻場景效果的制作方法。

掌握在3ds Max 2016軟件中材質編輯器面板設置光線追蹤材質參數的方法以及半透明通道參數的設置技巧。

1.1  場景燈光設置原則

光源對像是3ds Max 2016中的一種特殊類型對像，用於形成場景的光環境(室內、室外或影棚中的光照環境)。光源對像既可以隱藏在場景之外，照亮場景中的對像，也可以直接顯示在場景中，模擬真實世界中的光源對像，如圖1-1所示。

圖1-1  美國三維動畫電影《瘋狂原始人》中的場景設計

燈光是創建真實世界視覺感受和空間感受的有效手段之一，正確的燈光設置為終的動畫場景增添重要的信息與情感。例如低明度、冷色調、低反差的燈光可以表現悲哀、低沉或神秘莫測的場景效果；而明艷、暖色調、陰影清晰的燈光適於表現熱烈的場面，場景中對像的材質效果往往也依賴於適當的環境布光。對電影領域燈光技術懂得越多，就越能獨創性且有效地使用3ds Max 2016中的燈光。

在自然世界中，太陽的白色光是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫多種單色光混合而成的復色光。為了創建三維動畫場景的特殊氣氛，盡量避免隻使用白色燈光照明場景，可以根據環境氣氛的需要為每盞燈加入淡淡的基調色彩。

在調節燈光的色彩時，應當注意光色混合的規律與物質性的色彩顏料不同，光的三原色是朱紅、翠綠、藍紫，所謂三原色光是指這三種色光可以混合產生自然界中的所有其他色光，而這三種色光本身不能被其他色光混合產生。三原色光的混色規律依據加光混合原理，朱紅色光與藍紫色光混合形成品紅色光；朱紅色光與翠綠色光混合形成黃色光；藍紫色光與翠綠色光混合形成天藍色光；三原色光等量的混合便形成白色的復色光。朱紅與天藍、翠綠與品紅、藍紫與黃色互為補色光，所謂互補色光是指如果兩種色光混合之後形成白色的復色光，這兩種色光就互為補色光，它們的混色規律如圖1-2所示。

在場景中創建環境燈光的原則如下。

(1)    除非特殊的環境氣氛需要，盡量少設置具有高飽和度色彩的燈光。

(2)    場景中的燈光數目盡可能少。過多的燈光會使場景中的對像看上去過於平板，減少了空間的層次。另外設置過多的燈光既不利於燈光的管理，也會大大增加場景渲染的時間。

(3)    在場景中設置聚光燈的時候，應當注意聚光燈的位置與投射角度，不正確的投光角度往往會破壞場景中對像的個性特征。

(4)    燈光和對像投射的陰影要綜合進行考慮。

在設計三維動畫場景的過程中，應當首先對場景中的燈光效果進行設計規劃，再繪制燈光效果的設計圖。如圖1-3所示，是美國三維動畫電影《瘋狂原始人》中的場景燈光設計圖；如圖1-4所示，是美國三維動畫電影《冰雪奇緣》中的場景燈光設計圖。

圖1-3  美國三維動畫電影《瘋狂原始人》中的場景燈光設計圖

圖1-4  美國三維動畫電影《冰雪奇緣》中的場景燈光設計圖

1.2  燈 光 類 型

3ds Max 2016中共包含三種類型的燈光對像：Standard(標準)燈光、日光和Photometric(光度控制)燈光。不同類型的標準燈光和Photometric燈光對像可以共享一繫列相同的參數設置項目。

日光由Daylight和Sunlight共同構成，其創建工具要通過繫統創建命令面板訪問，如圖1-5所示，可以精確指定日期、時間和方位，以確定日光照射的自然屬性。另外，Photometric燈光也提供了IES Sun和IES Sky兩種類型的光度控制日光。

1.2.1 
標準燈光

如圖1-6所示，在燈光創建命令面板中一共提供了8種類型的標準燈光：Omni(泛光燈)、Target Spot(目標聚光燈)、Free Spot(自由聚光燈)、Target Direct(目標平行光燈)、Free Direct(自由平行光燈)、Skylight(天光)、mr Area Omni Light(區域泛光燈)、mr Area Spotlight(區域聚光燈)。

不同類型的標準燈光對像以不同的投射方式照射場景，以模擬真實世界中不同類型光源的效果。與Photometric 燈光對像不同，標準燈光對像采用的光強度參數與真實世界中光源強度的實際物理參數無關。

1)     Omni(泛光燈)

泛光燈提供給場景均勻的照明，這種光源沒有方向性，由一個發射點向各個方向均勻地發射出燈光。

泛光燈照射的區域比較大，參數也易於調整，而且改進後的泛光燈也可以投射陰影和控制衰減範圍。泛光燈投射的陰影呈中心放射狀，等同於六盞聚光燈從一個中心向外照射所投射的陰影效果。由於這種燈是針對全部場景的均勻照射光源，所以如果在場景中建立太多的泛光燈，就會使整個場景平淡而沒有層次。

 注意：  由於泛光燈在六個方位上都產生放射狀的投影，所以泛光燈光線跟蹤陰影的計算量比聚光燈光線跟蹤陰影的計算量大得多，因此除非在特殊的情況下，一般不為場景中的泛光燈指定光線跟蹤陰影。

2)     Target Spot(目標聚光燈)

目標聚光燈發射類似於光錐的方向燈光，其發射的光束有點類似於手電筒的光束，隻在特定的方向上照射對像並產生投射陰影，在照射範圍之外的對像不受該聚光燈的影響。在場景中創建目標聚光燈之後，可以手動調整投射點和目標點的位置與方向，在參數面板中可以調整聚光燈光錐的衰減特性，還可以為聚光燈設置投影貼圖。

當創建了一個目標聚光燈後，激活運動命令面板，可以發現該目標聚光燈被自動指定了Look At (注視)燈光控制器，目標聚光燈的目標對像作為默認的注視目標點，如圖1-7所示。在運動命令面板中單擊Pick Target(拾取目標)按鈕後，在場景中可以單擊選擇任意一個對像作為目標聚光燈的新注視目標點。

圖1-7  Look At(注視)燈光制器

3)     Free Spot(自由聚光燈)

自由聚光燈與目標聚光燈類似，也是發射同樣的方向光錐，但不包含目標點，自由聚光燈可以整體任意調整光錐的投射方向，所以在動畫過程中投射範圍能夠保持固定不變。

4)     Target Direct(目標平行光燈)

目標平行光燈與目標聚光燈基本類似，區別是目標平行光燈發射類似於柱狀的平行燈光，可以模擬極遠處太陽的平行光線，同樣可以手動調整投射點和目標點的位置與方向。

5)     Free Direct(自由平行光燈)

自由平行光燈與自由聚光燈基本類似，區別是自由平行光燈發射類似於柱狀的平行燈光，這種聚光燈隻能整體調整光柱與投射點，不能對目標點進行調整。

 注意：  在Sunlight System(陽光繫統)中的照明光源就是自由平行光燈。

6)     Skylight(天光)

天光對像常用於創建場景均勻的頂光照明效果，還可以為Skylight對像設置天空色彩或指定貼圖。

 注意：  標準的Skylight對像與Photometric Daylight 對像不同，Skylight 對像要與Light Tracing(光線追蹤)高級燈光設置配合使用，可以模擬Daylight的作用效果。

如果使用Mental Ray渲染器進行渲染，由Skylight照射的對像會十分灰暗，除非在Render Scene(渲染場景)對話框的Indirect Illumination(間接照明)卷展欄中勾選Final Gathering(終聚集)選項。

7)     mr Area Omni Light(區域泛光燈)

在使用Mental Ray渲染器渲染場景時，mr Area Omni Light可以模擬從一個球體或圓柱體區域發射燈光的效果；如果使用默認的掃描線渲染器，Area Omni Light與標準的泛光燈一樣都是創建點光源的效果。

8)     mr Area Spotlight(區域聚光燈)

在使用Mental Ray渲染器渲染場景時，mr Area Spotlight可以模擬從一個矩形或圓形區域發射燈光的效果；如果使用默認的掃描線渲染器，Area Spotlight與標準的聚光燈一樣都是創建點光源的效果。

1.2.2 
光度控制燈光

光度控制燈(Photometric)光源對像包括：Target Light (目標點光源)、Free Light(自由點光源)、mr Sky Portal(Mental Ray天光)，如圖1-8所示。

其中的點光源、線光源、面光源的參數設置項目與普通光源的參數基本相同，區別僅在於亮度和光色的設置，任何時候都可以把燈的類型改為點狀、線狀和面狀。

Photometric燈光繫統的照射範圍和衰減程度是基於真實物理世界的，可以直接按照真實世界的光源屬性在全局光繫統中進行布光，而且天光和陽光繫統則是模擬自然陽光的多種狀態而設計的。

光度控制燈始終使用平方倒數衰減方式，其亮度可以在特定距離處用Candles(燭光)單位、Lumens (流明)單位或Lux(勒克斯)單位表示。光度控制燈在與光線跟蹤功能結合使用的時候非常有用，二者的結合可以模擬真實世界的現像，並適用於進行光照的精確分析。

使用光度控制燈時，建模中使用真實世界物體的單位尺度非常關鍵，燈泡屬性為100 瓦的光度控制燈無法照亮城市這樣大的範圍，因此確保單位和物體的尺寸符合真實的世界，如圖1-9所示。

圖1-9  美國三維動畫電影《冰雪奇緣》中的場景燈光氣氛

 提示：  每一種Photometric 燈光都支持2～3種不同的光線分布方式，點光源支持Isotropic(等方向)分布、Spotlight(聚光)分布和Web(網狀)分布；線光源和面光源支持Diffuse(漫射)分布和Web分布。關於不同的光線分布方式將在後面進行詳細講述。

1)     Target Light(目標點光源)

目標點光源如圖1-10所示，分別為Isotropic、Spotlight和Web光線分布方式。

圖1-10  目標點光源

目標點光源使用一個目標對像決定照射的方位，目標點光源包含三種不同類型的光線分布方式，每種分布方式都對應特定的圖標。

 知識鏈接：  可以通過燈光視圖調整目標點光源的投射方向與投射角度；還可以使用Place Highlight(放置高光點)命令改變目標點光源的位置。單擊目標點光源和其目標點之間的連接線，可以同時選擇目標點光源和其目標點。

2)     Free Light(自由點光源)

自由點光源與目標點光源基本類似，隻是不能對目標點進行調整，有Isotropic、Spotlight和Web三種光線分布方式。

3)     mr Sky Portal(Mental Ray天光)

Mental Ray天光照射效果如圖1-11所示。

圖1-11  天光照射效果

mr Sky Portal(Mental Ray天光)是一種依據實際自然法則的燈光對像，用於模擬真實的天光大氣效果；mr Sky Portal(Mental Ray天光)的光照屬性將依據場景地理位置、時間和日期自動設定。

 注意：  隻有在Advanced Lighting對話框中指定一種高級燈光類型(Radiosity或Light Tracing)後，IES Sky的作用效果纔能被渲染輸出。