利用Maya基礎(chǔ)材質(zhì)制作玻璃效果

導(dǎo)言：大家好，我是戴巍。今天和大家分享的是如何利用Maya基本材質(zhì)和Mental ray材質(zhì)實(shí)現(xiàn)玻璃效果的教程，希望對(duì)大家有所幫助。

（本文部分圖片可右存或復(fù)制鏈接看大圖）

本文導(dǎo)讀

材質(zhì)的基本原理

使用Maya基本材質(zhì)實(shí)現(xiàn)玻璃效果

使用Mental ray材質(zhì)實(shí)現(xiàn)玻璃效果

玻璃的陰影以及焦散

材質(zhì)的基本原理

能量守恒

在光線照射到某個(gè)物體表面的時(shí)候，總體上會(huì)出現(xiàn)三種反應(yīng)：吸收，反射以及折射。其中反射又分為漫反射和鏡面反射。

而所謂的能量守恒法則說的則是，能量不可能憑空產(chǎn)生也不可能憑空消失，只可能發(fā)生轉(zhuǎn)換。

用在光線傳播過程中則可以得到這樣一個(gè)公式：入射能量=吸收能量+反射能量+折射能量。其中，吸收的能量一般轉(zhuǎn)換為熱能，是我們不需要考慮的部分，將這一部分掠去，得到公式：入射能量>=反射能量+折射能量。其中，反射能量可以分為漫反射和鏡面反射，而漫反射在我們cg制作過程中，一般為diffuse，而鏡面反射一般為specular，而折射一般為refraction。令入射能量為100%，即為1，則可以得到最終我們可以使用的公式：1>=diffuse+specular+refraction。

所有反射都具有菲涅爾效應(yīng)

這里直接引用下Mental ray官方幫助文檔的圖。菲涅爾就是你的視線和你看的面的夾角越垂直，則看到的反射越低；你的視線與你看的面的夾角越接近0度，反射越高。

另外，決定菲涅爾效應(yīng)的主要是折射率這個(gè)屬性。當(dāng)折射率越靠近1的時(shí)候，90度視角與0度視角的反射率之間的差別越大，當(dāng)折射率數(shù)值越高的時(shí)候，90度視角與0度視角的反射率越接近1。

一般透明物體的折射率在1.3-1.9之間，塑料、橡膠、烤漆也是這個(gè)范圍左右。金屬則是4-10，甚至更高。

使用maya基本材質(zhì)實(shí)現(xiàn)玻璃效果

這里使用大家最熟悉的blinn材質(zhì)，運(yùn)用前面講的基本原理來制作玻璃。

首先是設(shè)置場(chǎng)景，對(duì)于高反射的金屬或者玻璃等物體來說，基本上可以說不存在自身的固有色，這些物體之所以被看見，是因?yàn)榉瓷浠蛘哒凵渲車�的環(huán)境，這時(shí)環(huán)境對(duì)于玻璃的制作來說是萬分重要的，沒有環(huán)境就沒有效果。

這個(gè)場(chǎng)景使用HDR來進(jìn)行照明，在Mental ray中則使用IBL節(jié)點(diǎn)。

關(guān)鍵設(shè)置如下：

開啟IBL節(jié)點(diǎn)，如果FG沒有自動(dòng)開啟，請(qǐng)手動(dòng)開啟。

關(guān)閉場(chǎng)景的默認(rèn)燈光，在common標(biāo)簽的最后。

啟用色彩管理，如下設(shè)置，開啟線性工作流。

渲染得到的結(jié)果如下。

給模型一個(gè)blinn材質(zhì)，調(diào)節(jié)transparency到全透明。在raytracing option標(biāo)簽下開啟折射refraction，將折射率調(diào)節(jié)到1.7或者類似的一個(gè)數(shù)值，得到下圖這樣的結(jié)果。

這是因?yàn)榉瓷湔凵浯螖?shù)在默認(rèn)情況下都設(shè)置得非常小。為了講解反射和折射次數(shù)，我做了一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景來說明。

兩面相對(duì)的鏡子，中間有個(gè)小球。鏡子給的是高反射的材質(zhì)。

按照我們的生活經(jīng)驗(yàn)，兩面相向而立的鏡子應(yīng)該是無限次反射才對(duì)。但是在軟件渲染出來的圖中卻看到，從一面鏡子里面只能看到對(duì)面的鏡子和小球，對(duì)面鏡子里的反射是沒有的，反觀另一面鏡子也不會(huì)有反射。其實(shí)這兩面鏡子我給了同樣的材質(zhì)，那問題在哪里呢，就在反射與折射次數(shù)的限制。

當(dāng)我們?cè)阡秩镜臅r(shí)候，如果遇到像我現(xiàn)在使用的這個(gè)案例，計(jì)算機(jī)要是按照生活里的經(jīng)驗(yàn)去計(jì)算，那么就要無限地計(jì)算兩面鏡子之間的反射，渲染便永遠(yuǎn)不會(huì)終止。為了避免這種情況的產(chǎn)生，軟件中引入了反射與折射次數(shù)限制來提高性能。這個(gè)限制是由兩部分構(gòu)成的：全局設(shè)置以及單個(gè)材質(zhì)的設(shè)置。當(dāng)你打開Mental ray的quality標(biāo)簽，下面有個(gè)raytracing、reflection和refraction的值則分別對(duì)應(yīng)會(huì)計(jì)算的反射和折射次數(shù)，而max trace depth則是這兩個(gè)值相加的最大限制。比如兩個(gè)值都設(shè)為10，但是max trace depth也設(shè)為10，那么折射和反射次數(shù)則不會(huì)達(dá)到20，而是不會(huì)超過10。

在高反射的場(chǎng)景里，一般會(huì)設(shè)置為10,10,20。但是渲染了以后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果沒有變化，那是因?yàn)殡m然你把全局設(shè)置改變了，但單個(gè)材質(zhì)下面也是有限制的。

找到這個(gè)blinn球的raytrace option，下面有一個(gè)reflection limit，這個(gè)也是反射次數(shù)限制。下圖分別為大家演示了reflectionlimit值為0,1,2,3,4,5時(shí)的結(jié)果，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)數(shù)值設(shè)為幾，那么反射就會(huì)進(jìn)行幾次。

折射也是一樣的道理，折射一般要9次以上，而blinn材質(zhì)的折射次數(shù)，默認(rèn)就是9次。反射也要有3-5次左右，將場(chǎng)景里所有的反射折射次數(shù)都調(diào)高吧。記得當(dāng)你調(diào)高這些數(shù)值的時(shí)候，渲染時(shí)間也會(huì)隨之而大幅度增加。回頭看那張玻璃杯的圖，調(diào)節(jié)了反射折射次數(shù)以后的結(jié)果是，黑的地方消失了，不過反射折射還不好看。

要怎么補(bǔ)救呢？首先根據(jù)開篇說的能量守恒法則1>=diffuse+specular+refraction，對(duì)于玻璃物體來說，是不存在漫反射的，有的都是鏡面反射和折射。所以，先把color或者diffuse關(guān)掉，調(diào)成0，或者關(guān)掉。其次，玻璃是一個(gè)遵循菲涅爾反射的高反射物體。我們把反射率和specular color調(diào)到最高。在blinn材質(zhì)中對(duì)于反射的控制是reflectivity和specular color共同控制的，只有二者皆為1的時(shí)候，才是全反射，任意一個(gè)值不為1，都會(huì)相應(yīng)降低反射率，任意一個(gè)值為0，則反射率就是0。

然后將specular roll off調(diào)節(jié)為0或者接近0。絕大多數(shù)人理解這個(gè)值為高光強(qiáng)度，這個(gè)理解是有偏頗的。這個(gè)值真正的作用其實(shí)是控制菲涅爾效應(yīng)的。當(dāng)該值為1的時(shí)候，90度視角與0度視角的反射率皆為specular color與reflection的乘積（90度視角與0度視角參見菲涅爾反射；乘積的原因是這兩個(gè)數(shù)值共同控制真正的折射率）；當(dāng)該值為0時(shí)，0度視角的反射率為specular color與reflectivity的乘積，而90度視角的反射率為0。

所以，這個(gè)值可以取代sampler info與ramp節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)菲涅爾的控制。(不相信的同學(xué)可以自己弄一個(gè)圓球，把這個(gè)值調(diào)到0，你會(huì)發(fā)現(xiàn)球體的邊緣照樣有反射，并且越靠近你的垂直視線，反射越低。)

上圖是將specular roll off調(diào)節(jié)到0所得到的渲染結(jié)果，即有了菲涅爾反射的結(jié)果。你會(huì)發(fā)現(xiàn)杯子正垂直于你視線的面上的反射幾乎已經(jīng)看不到了，而同你的視線夾角非常小的面，依然有著很高的反射。

另外，在我這個(gè)案例中eccentricity這個(gè)值不產(chǎn)生作用。一般來說，這個(gè)值被翻譯成偏心率，控制的是高光的大小。但是這里所謂的高光，其實(shí)是三維軟件虛擬出來的一個(gè)東西，因?yàn)槟阌昧颂摷俚臒艄�，虛假的燈光照射在虛假的材質(zhì)上面，會(huì)形成虛假的高光。但是你要按照我說的一步步地做，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這時(shí)候調(diào)整這個(gè)數(shù)值不起任何改變。

這是因?yàn)槲覜]有使用虛假燈光，這個(gè)場(chǎng)景里唯一的默認(rèn)燈光在開始時(shí)已經(jīng)被我關(guān)閉了，并且沒有新建任何燈光，起到照明作用的是一張hdr貼圖，以及FG的計(jì)算。所有玻璃上能看到的高亮部分，并不是計(jì)算機(jī)通過虛假燈光位置計(jì)算出來的所謂高光，而是根據(jù)光線跟蹤計(jì)算出來的真正的反射。這一部分我沒辦法更深入地說明了，這不是這篇教程里想要解決的問題，只是附帶提一下，如果想不明白也不要深究，很多人都不知道這些但依然做出很棒的作品，條條大道通羅馬嘛。

回到玻璃的制作。我們已經(jīng)制作出菲涅爾現(xiàn)象，這個(gè)時(shí)候卻有個(gè)問題，這個(gè)材質(zhì)并不遵循能量守恒：我的blinn的transparency全是1，在90度視角的面上，反射是0，而在0度視角上反射是1。于是，在接近視角為0的面上，會(huì)有1的反射同時(shí)有1的折射，打破了能量守恒，也就是說反射與折射的光線反而要比入射的光線強(qiáng)烈，會(huì)得到不正確的視覺。

我用一個(gè)方法來糾正不同視角的折射能量，也就是透明度。這里使用sampler info加ramp的經(jīng)典方法。

如上圖，將sampler info的facingRatio插入ramp的vCoord。設(shè)置ramp一端為白一端為黑。將這個(gè)ramp插入一個(gè)lambert給杯子渲染一下，你就知道這一套節(jié)點(diǎn)起什么作用了。

可以看出，杯子的邊緣，也就是接近0度視角的地方是黑的；接近中心，也就是接近90度視角的地方是白的。也就是說，這套節(jié)點(diǎn)可以控制不同視角的地方獲得不同的值。

現(xiàn)在的反射值是在0度視角也就是邊緣的地方比較強(qiáng)，而90度視角，也就是中間地方很弱。為了滿足能量守恒，得插入一個(gè)相反的結(jié)果到transparency通道中去，也就是讓越靠近邊緣的地方，透明度越低，而越靠近中心的地方，透明度越高。

剛才做的這套節(jié)點(diǎn)剛好合適，插入到之前blinn材質(zhì)的transparency通道中去。

得到的結(jié)果，感覺太黑了點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候可以控制一下ramp上的顏色來調(diào)節(jié)到可以接受的結(jié)果。有人可能會(huì)說，如果這個(gè)時(shí)候調(diào)ramp上的黑白顏色，那么不是打破了能量守恒了嗎？其實(shí)你用blinn材質(zhì)做玻璃，根本無法精確控制能量守恒，可能你能讓標(biāo)準(zhǔn)的90度視角與0度視角獲得正確的結(jié)果，但中間過渡的環(huán)節(jié)你并不知道過渡到底該是線性的還是曲線的還是咋樣的。其實(shí)菲涅爾現(xiàn)象的數(shù)值變化本身就很復(fù)雜，即不是線性，也不符合單一曲線，最精確的控制方法是輸入折射率來控制菲涅爾，前文已經(jīng)提到菲涅爾現(xiàn)象最主要是受到折射率的控制，這是一種物理屬性。而在Maya自帶的簡(jiǎn)單blinn模型中，是無法實(shí)現(xiàn)用折射率精確控制菲涅爾現(xiàn)象的，更精確的方法將在后文提到。

順便說一下，Maya的blinn材質(zhì)給人的感覺挺奇怪，尤其是反射是由specular color與refectivity兩個(gè)數(shù)值共同控制，我覺得這些特性早就應(yīng)該淘汰了。新版本的Maya從來不更新這些過時(shí)的東西，導(dǎo)致Maya這個(gè)軟件已經(jīng)顯得有點(diǎn)尾大不掉，學(xué)習(xí)起來會(huì)相對(duì)困難一些。

回到做玻璃上來，原因我已經(jīng)說明白了，所以這里，我們不得不做一次所謂的藝術(shù)家，讓結(jié)果看起來“正確”。

你可能注意到，這個(gè)結(jié)果的杯底特別的黑。這是因?yàn)槲也捎玫恼彰鞣绞绞荌BL，主要靠的是FG的光子。而FG的光子也是有反射和折射次數(shù)的。

如圖打開FG的反射折射次數(shù)限制，調(diào)高一點(diǎn)點(diǎn)，使光子可以穿透杯壁照亮杯底的地面。

得到結(jié)果如下圖。

最后，增加了地面紋理，加強(qiáng)HDR的強(qiáng)度，加強(qiáng)照明，細(xì)微調(diào)節(jié)材質(zhì)屬性，得到下面這個(gè)純blinn材質(zhì)的玻璃。

也可以在插入transparency的ramp上面添加一些顏色來制作有色玻璃，但你不要太期待結(jié)果。還可以給玻璃增加一點(diǎn)折射模糊，讓CG味少一點(diǎn)。

折射模糊請(qǐng)選擇材質(zhì)的Mental ray標(biāo)簽下的Mi Refraction Blur，limit是折射模糊的次數(shù)，rays是精度。

調(diào)高blur，制造毛玻璃的效果。當(dāng)然這個(gè)屬性會(huì)讓渲染速度大大減緩，請(qǐng)慎重使用。

還可以在bump里連入貼圖，讓玻璃看起來不那么規(guī)則。

使用Mental ray材質(zhì)制作玻璃

Mental ray的建筑材質(zhì)有很多優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于blinn來說有一個(gè)巨大的優(yōu)化就是——內(nèi)置能量守恒。這是一條強(qiáng)硬的規(guī)則讓你無法打破它，即使你的設(shè)置是有問題的，但得到的結(jié)果仍舊是一個(gè)強(qiáng)制得到的正確結(jié)果，和你的設(shè)置其實(shí)是不同的。當(dāng)你給材質(zhì)一個(gè)顏色，然后不斷調(diào)節(jié)它的反射率你就明白了。

Mia材質(zhì)的設(shè)置主要是讓0度視角與90度視角的反射率都為1，即不產(chǎn)生菲涅爾反射，默認(rèn)mia是有菲涅爾反射的。再給一個(gè)純紅的顏色，并且把反射率給為0。之后的圖都是在不改變diffuse的前提下，只調(diào)節(jié)反射率的值得到的。以下分別是Reflectivity=0,0.3,0.6和1時(shí)的效果。

簡(jiǎn)單來說，當(dāng)你把mia材質(zhì)的反射開到1，并且關(guān)閉了菲涅爾反射的時(shí)候，你的diffuse顏色就沒用了。想象一下吧，反射為1的材質(zhì)是啥樣的？其實(shí)就是鏡子，完美反射周圍的環(huán)境而沒有自己。這個(gè)時(shí)候，不論你給它黃色藍(lán)色綠色，都只能看到周圍的環(huán)境而看不到自己的固有色。

但是Maya的基本材質(zhì)是沒有這個(gè)功能的，你可以自己動(dòng)手做試驗(yàn)，Maya材質(zhì)diffuse和refection得到的結(jié)果會(huì)向上疊加，最終會(huì)超過極限得到過曝的結(jié)果，這就是很多人用Maya的基本材質(zhì)做東西總覺得很假的原因之一。

而且mia材質(zhì)還有這樣一個(gè)特點(diǎn)，就是折射覆蓋反射覆蓋漫反射。像上面的渲染圖，在漫反射固定的情況下，反射屬性越高，漫反射效果會(huì)自動(dòng)降低，到反射為1的時(shí)候甚至直接就沒有漫反射了，所以說反射覆蓋漫反射效果。折射也有同樣的效果，開得越高，則反射效果以及漫反射效果都會(huì)越低，就算你給的反射值是1，也會(huì)隨著折射的強(qiáng)度提高而不斷降低。

這就是mia材質(zhì)的強(qiáng)制能量守恒，讓你無法得到不正確的結(jié)果。

好的，這些是mia材質(zhì)的一點(diǎn)點(diǎn)基本知識(shí)，我們?cè)倩氐街谱鞑Ａ�上來。首先還是關(guān)閉漫反射。然后將reflectivity即反射調(diào)為1，折射率調(diào)為1.7，transparency調(diào)為1，即全透明，打開brdf卷閘欄，勾選use fresnel reflection，這個(gè)選項(xiàng)會(huì)讓折射率來控制菲涅爾反射，前文已經(jīng)闡述過。不用擔(dān)心反射和折射之間的能量守恒，mia材質(zhì)會(huì)自動(dòng)為你處理，這時(shí)這個(gè)材質(zhì)就算設(shè)置好了。得到的結(jié)果如下，非常快速而且效果很棒。

另外，你可能一直注意到，玻璃內(nèi)壁似乎挺明顯的樣子，Maya基本材質(zhì)對(duì)這個(gè)問題是沒辦法的。但是對(duì)于mia材質(zhì)，你可以把a(bǔ)dvanced reflection卷閘欄下的skip reflection on inside的勾給去掉，會(huì)得到內(nèi)壁不那么清晰的結(jié)果。

這個(gè)選項(xiàng)勾選的意思是忽略內(nèi)壁反射，取消勾選的意思是計(jì)算內(nèi)壁反射。意思就是，不光計(jì)算法線朝上的那一面的反射，還要計(jì)算面的另一邊的反射。其實(shí)我一直在想這個(gè)是不是搞反了，但后來發(fā)現(xiàn)這個(gè)可能和一個(gè)叫做TIR（total internal reflection）的東西有關(guān)。這個(gè)我個(gè)人還沒完全弄明白，但我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^這個(gè)方法得到不錯(cuò)的效果。

Mental ray材質(zhì)做玻璃還有個(gè)要在意的地方就是玻璃顏色，這有點(diǎn)像vray的霧顏色。在mia材質(zhì)中，主要是使用advanced refraction卷閘欄下的屬性來操控顏色。

勾選上use max distance和use color at max distance。Use color at max distance的顏色設(shè)置可以理解為你要設(shè)置的玻璃的顏色，max distance下面的數(shù)值則是說，光線進(jìn)入介質(zhì)開始，傳播了多遠(yuǎn)的距離會(huì)變成你選中的顏色。你可以根據(jù)場(chǎng)景的大小來設(shè)置這個(gè)數(shù)值。Maya默認(rèn)的單位是cm，每一個(gè)單元格就是一厘米，如果你自己沒有亂調(diào)的話。你可以估算一下你的杯壁大約是多厚，大概傳播多遠(yuǎn)的距離變成你要的顏色比較好。

總的來說，max distance越大，則玻璃顏色越淡，max distance越小，則玻璃顏色越深，這個(gè)是很容易理解的。而且，你會(huì)發(fā)現(xiàn)使用advanced refraction下面的屬性來控制玻璃顏色比你直接用transparency直接控制顏色的優(yōu)勢(shì)：顏色并不是均勻地分布在玻璃的每一寸表面上，而是越厚的地方，顏色越深，越薄的地方顏色越淺，這都得益于max distance。

最后我們得到了下面這種效果，很微妙的玻璃顏色。

關(guān)于mia材質(zhì)設(shè)置反射模糊或者折射模糊的方法在這里就不再贅述了，有很多地方可以查到資料。

玻璃的陰影以及焦散

關(guān)于玻璃的陰影首先第一點(diǎn)要明確的是：玻璃的陰影是實(shí)心不透明的！這是客觀世界的真實(shí)結(jié)果。而軟件里把玻璃陰影調(diào)成半透明的做法，其實(shí)是一種接近真實(shí)的欺詐，但絕對(duì)談不上真實(shí)，真正的玻璃陰影其實(shí)是實(shí)心的陰影加上焦散。

先說blinn材質(zhì)，我個(gè)人是不知道如何讓它的陰影變成實(shí)心，似乎只要是給它開了透明，它的陰影就開始變得透明起來，并且有個(gè)數(shù)值可以調(diào)整這個(gè)陰影的透明程度。

在raytracing options下面的shadow attenuation，值越小，陰影越透明，值越大，陰影越不透明。有一點(diǎn)十分值得注意的是，這個(gè)數(shù)值默認(rèn)是0.5，會(huì)造成透明貼圖的陰影并不透明。把這個(gè)數(shù)值調(diào)為0，或者把quality標(biāo)簽下的shadow method 改成segments就可以解決這個(gè)問題。相信有人被這個(gè)問題困擾過。

另外，你不要去關(guān)注上面兩個(gè)屬性light absorbance和surface thikness，這兩個(gè)數(shù)值意思是燈光吸收量和表面厚度，只有在software渲染器里才能好好工作。就算好好工作效果也很不好，以下各圖分別是shadow attenuation=0,0.5和1時(shí)的效果。

一般用blinn材質(zhì)的話，能得到的陰影效果大體就是這種程度的。你會(huì)發(fā)現(xiàn)能夠在陰影上看到明顯的杯壁，這時(shí)你可以給燈光的陰影加一點(diǎn)點(diǎn)模糊來遮蔽這些視覺效果（這里的所有圖已經(jīng)給了陰影一點(diǎn)點(diǎn)的模糊，如果不給的話會(huì)非常非常硬），基本上得到的效果還是可以接受的。特別是當(dāng)光源很散，陰影并不像這個(gè)例子里直接用聚光燈打出來的話，很可能根本就看不出來效果來。在之前的例子里一直是看不到陰影的，因?yàn)楣庠磥碜运拿姘朔�，陰影并不明確。

現(xiàn)在我們回到mia材質(zhì)上來。它當(dāng)然也可以使用類似于blinn的這種陰影計(jì)算方式，特別需要注意的一點(diǎn)是，當(dāng)你使用這種簡(jiǎn)單的陰影計(jì)算方法，并且使用了max distance時(shí)，你的shadow method必須為segments才能得到正確的陰影效果。下圖分別是Shadow method=simple和segments時(shí)的效果。

雖然在這個(gè)例子中區(qū)別非常微妙。但是在某些復(fù)雜的相互交錯(cuò)的場(chǎng)景中會(huì)有致命的差別。我暫時(shí)舉不出特別好的例子，只是建議大家盡量使用segaments陰影模式。

現(xiàn)在說明真正貼近自然的玻璃陰影制作方法，首先是使用mia材質(zhì)，然后注意advanced refraction卷閘欄下面的refractive caustic與transparent shadow兩個(gè)選項(xiàng)。默認(rèn)是勾選后者的，就是簡(jiǎn)單的透明陰影，而我們想要使用焦散陰影，于是勾選前者。Caustic就是焦散了。

這個(gè)時(shí)候你渲染還看不到任何區(qū)別。只有當(dāng)你勾選上渲染心里的caustic以及燈光上的發(fā)射光子，才會(huì)有效果。

實(shí)心的陰影已經(jīng)出現(xiàn)了，并且有一些微弱的焦散效果，對(duì)光子等等進(jìn)行一系列調(diào)節(jié)，來加強(qiáng)焦散效果。

好的，這樣就得到了不錯(cuò)的焦散效果。由于模型本身的限制，焦散的形狀并不是特別好看，大家可以拿更好的模型來做做看。焦散的調(diào)節(jié)是很簡(jiǎn)單的，教程也好找，我就不說了。