1、析虚拟现实用光蒋绍萍随着计算机越来越普及，计算机辅助设计因其易上手、易操作而得到人们的喜爱，成为设计者们的重要的手段，当人们纷纷涉足三维虚拟现实，一展身手时，可能很难猜测现实世界中光源是怎样起作用的，于是每当在计算机世界创建灯光时，通常会花费很大气力来尝试实现所需要的效果。光在虚拟现实设计中扮演着举足轻重的角色，处理得当会使我们的设计事半功倍。一、虚拟现实设计以绘画中的光色知识为理论基础光的设置在三维设计中是最重要的环节之一，环境的烘托、材质的显现、色彩的显示都离不开光的作用。希腊哲学家亚里士多德(公元前 384前 332)曾经提出： “光照在物体上，物体的颜色随着光而变化。 ”说明他当时已经
2、觉察到光和色的关系。意大利文艺复兴对美术的发展产生了巨大影响，达芬奇(14521519) 在绘画中采用了几何学的远近法，开始使用明暗表现立体空间。并且在他的理论著作绘画论提出：“为光所照耀的对象的颜色为发光体的颜色所影响。 ”科学地道出了光与色存在着密切的联系。16 世纪的威尼斯，由于当地潮湿的自然环境，空气中经常弥漫着水气，画家提香正是在这种环境下，实现光的感悟，将它运用到油画中，画面是由冷暖、明暗、鲜灰的色彩变化而来的。他对欧洲油画艺术的发展产生了深远的影响。17 世纪荷兰的伦勃朗利用明暗对比的方法，将背景处理成深灰色，所有的光线都集中到人物的面部，通过面部表情着重刻画人物的内心世界。与佛
3、兰德斯的鲁本斯、西班牙的委拉斯开兹成为当时的三大油画家。同时代的风俗画家维米尔善于利用从窗口射入室内的自然光突出中心人物。 倒牛奶的妇女 、 读信的女郎说明了光线在他的笔下不是单纯、透明的，而是富有细微变化的银灰色，充分体现出空间的距离感，好像时间就在那一刹戛然停止，形成一个静谧的空间。19 世纪法国印象主义画派倡导回归自然，利用色彩反映自然光，他们认为：“一切自然现象都应该从光的角度去观察，一切色彩皆发源于光。 ”“光线是瞬息变化着的，捕捉这瞬息间光的照耀，才能揭示客观自然的奥妙。 ”因此“光”和“色”就成了他们研究的中心课题，支配着他们的创作活动，并充分表现画家的对光的直观感受。光是艺术家
4、们的创作源泉，如果没有光，我们将什么都看不见。人们所见的光大致可分为自然光（如日光、月光、火光等） 、人工光（如灯光、烛光、激光等）和二者结合三种类型。阳光一般呈单一的白色，而大千世界中的物体都具有五彩缤纷、万紫千红的颜色。牛顿在 1676 年运用三棱镜将太阳光分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光，并发现各种颜色实际上是各种不同波长的光作用于人眼而产生的不同色知觉。光波与无线电波类似，不过无线电波的波长比较长。光波是波长极为短小的电磁波，光波的波长以毫微米计算。人眼可见的光介于波长 380 毫微米到 760 毫微米之间。短于 380 毫微米的电磁波依次为紫外线、X 射线、 射线、宇宙线；长于
5、 760 毫微米的电磁波依次为红外线、雷达波、电视波、无线电波、交流电波等。由此看来，可见光在光线中占极少的一部分。物体的颜色是由物体表面反射和吸收光波的多少决定的，完全反射，一点儿不吸收，物体呈现为白色；反之，则呈现为黑色。其他类型的光自身所具有光波因其强度不同，发散出各自不同的光色，这就是物体的固有色。环境中我们所看到的物体的颜色不单是物体的固有色，还包括了光源直接或间接地照射的颜色和环境反射颜色。因而，物体的颜色不是孤立的，而是由这三种颜色照射下的一个整体。它们各自的强弱、明暗、冷暖都会影响物体的颜色。虽然它们各具情态，绘画画面中需要统一为同一色调。色调是指画面总的色彩倾向，是色彩整体的
6、多样统一关系的重要体现。色调是形成画面色彩和谐的基本因素。王国维说：“以我观物，故物皆着我之色。 ”各人对事物的不同感受，也可导致色调的变化。综合起来看，在虚拟现实中必须考虑光源、环境、物体色的影响以及色调的统一性。二、虚拟现实设计以摄影中的用光为借鉴19 世纪，随着光学原理的发现，以及透镜的发明，将光线通过透镜投射于感光的胶片上来记录影像，便产生了摄影。充分选择、合理利用光效是摄影的最重要的方法和手段。自然光是摄影师取之不尽、用之不竭的宝库。日出和日落那万道霞光的特殊效果往往是摄影师用来烘托戏剧气氛的光线效果。它可以形成独特的造型剪影、半剪影、满天霞光、暖色调的影调结构等等，对观众心理带来某
7、种特殊情感。它不但可以使人产生一种色彩美、光效美、造型美的直观感受，而且直接影响到观众对作品艺术美的感受，从而形成一种美的享受。乌云密布、山雨欲来、天空阴沉、影调沉重而凝固，使人产生一种压抑的气氛和情调。对于这种情况，虚拟现实中一般采用一盏或几盏目标聚光灯摆放在对象的背后，将光线投向前方，增大光的强度，加上灯光雾效果，适当改变灯光的颜色，就可轻而易举地模拟出这些气氛效果。光线造型处理的真实性是摄影用光的生命力和它的美的原则。外景自然光中，许多光线效果都是摄影的表现对象之一，除朝霞、晚霞、日出、日落以外，阴、雨、雾、顺光、侧光、逆光等等，每种光线都有它的造型效果和审美价值。设计师要根据创作要求，
8、借助摄影师对纷杂多样的自然光进行选择的有效方式，使画面上的光线造型富有较完美的、有意义的造型效果和审美情趣。利用室内光线创作，同样是摄影师永恒不变的主题。室内光照不外乎两种情况，即：室内单一光源和室内多光源。室内单一光源是指从门窗外投射入室内的自然光线或室内受到一盏人工光照亮。距光源近的景物，亮度就高，距光源远的景物，其亮度就暗。由于在单光源的情况下，相对地说环境的反射光就弱些，所以在距光源近的景物受光面亮度(主要散射光或直射光照明的亮度)和背光面亮度(由室内环境的反射光照明的亮度)之间亮度间距就很大，往往形成很大的反差。但随着景物距光源的距离不断增大，景物的明暗反差就会逐渐减弱。也就是说，室
9、内主要光照明景物的亮度和环境反射光照明景物的亮度之间的距离缩小了。利用单一的室内漫射光，如果在明亮的背景如白色背景下，可以得到明暗反差不大的高调效果，在较暗的背景下，又能得到主体明亮，造型突出效果。根据这样的特点，设计师可按不同的情况，选择不同的光线投射效果，形成不同造型。室内多光源，是指物体受到来自多个门、窗的自然光和室内其他人工光源的照射，就必须弄清楚哪些是为主，哪些为辅。为主的光源加上与摄影机的位置关系形成了顺光、侧光和逆光。顺光是指摄影机顺着光线的投射方向拍摄，主体物大部分被主光源照亮，物体的轮廓和形象非常清晰，但缺乏立体层次感，适合表现娇嫩柔美效果。侧光，是指摄影机与主光源形成一定的
10、角度。侧光的照明，造成被摄体受光面和背光面的明暗反差，这是构成景物立体感的重要条件。适合表现对象表面粗糙的质感。逆光，是指摄影机的拍摄方向与光线投射方向相反，对象的轮廓与对象本身和环境产生强烈的反差，主要用来刻画物体的剪影效果。一般是室外光线强，室内光线弱，这样才能形成强烈的反差。虚拟现实在布光上更应沿用摄影技术中的原则，将光源分成主光、辅助光和背光三类。利用这三类光可以模拟出现实生活中的各种光效。主光用于照亮整个场景，使场景中的物体产生阴影，把主体物体从背景中分离出来，以展现场景的深度，让观察者了解光源的投射方向。在室外场景中，主光源模拟的主要是日光，在室内场景中则是从窗户、门外射入的光线或
11、室内主要照明的光源。辅助光用于填补主光的不足的效果，用来照亮局部，突出主体物的外形尺寸。它可以照亮主光源所产生的阴影以及主光源无法照射到的阴暗区域。背光通常称之为“边沿光” ，帮助物体从背景中脱颖出来，往往表现为物体的轮廓非常清晰，一般是将聚光灯或泛光灯放置在与主光源相对位置。三、虚拟现实中的光效有自身的特点目前三维设计软件比较流行的有 3ds max、Maya、Sofimnage、Cinema 4D、Lightwave等，在这些系统中提供的光源的类型主要有；聚光灯、泛光灯、太阳光、物体自发光等，虽然它们可以尽情地模仿出现实中的绘画和摄影效果，它与现实毕竟尚有一定的距离，具有自身的特点。（一）
12、恒定性虚拟现实中的光不像现实场景中复杂多变，光线趋于简单，具有一定的概括性，不受外界因素的影响。（二）自由可调性三维软件可以随意创建任何类型灯光，颜色和强度可任意调节，例如：主光源的区域过亮时，它可以通过将辅助光源的倍增值设置成负数，吸收主光源产生的多余的亮光，增加画面的真实感，这样的情况在现实中是很难办到的。（三）不真实性一些三维软件自带的渲染器还不具备优良的光线跟踪计算之全局照明或间接照明(Global-Illumniation)功能，因而模拟不出光在空气中能量递减特性和在不同介质中传播规律。如：物体之间，物体与环境之间光的反射；光在透明物体中的焦散、反射和折射现象等等。三维软件中的这些不
13、足常常借助第三方软件或插件(fmalRender、Brazil、 VRay、 Mental ray、Ligterscape)来进行弥补，使模拟现实中的光在渲染图像中更加完美。在它们中可以很方便地将物体指定为灯光；前三种渲染器支持一种叫 hdr 图片，应用于环境贴图，它们的光亮水平得到真实世界的光亮，通常超出传统照片和图像的动态范围数。用它可以照亮整个场景，模拟出真实自然的现实世界。参考文献：高志清：3DSMAX 灯光与材质高级处理技巧 ，北京，人民邮电出版社，2000。邵大箴，奚静之：欧洲绘画简史 ，天津，天津人民美术出版社，1987。黄今声：色彩画 ，北京，高等教育出版社，1996。http：/wwwchina_fpaorg/摄影用光htm(作者单位：罗定职业技术学院)
