VRay物理相機(jī)基本原理詳解

1. 功能

VRayPhysicalCamera（VRay物理相機(jī)）可以模擬真實(shí)相機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，包括鏡頭、光圈、快門和景深等。因?yàn)橄鄼C(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以先要了解一下相機(jī)的基本原理，這樣學(xué)習(xí)VRay物理相機(jī)就輕松多了，如圖1所示。

 
 
1. 圖1

從圖1中可以看出相機(jī)的基本原理是很簡單的，就是在一個(gè)封閉的區(qū)域內(nèi)有一個(gè)小孔，光線通過小孔照射到內(nèi)部的感光材料（膠片）中就可以形成圖像，圖像的效果和孔（后面所說的孔徑就指的這個(gè)孔）的大小與孔所通過的光的多少有關(guān)，孔越大光線就越多，在感光材料（膠片）上所得到的潛影也就越暗，最終形成的圖像就越亮。當(dāng)然，圖像的亮度也與感光材料（膠片）接收光的時(shí)間長短有關(guān)，接收光線的時(shí)間越長，在感光材料（膠片）上所得到的潛影也就越暗，最終形成的圖像也越亮。

要點(diǎn)提示：

需要注意的是，感光材料（膠片）不是最終的照片，它是照片的負(fù)片，如圖2所示，所以負(fù)片越亮的部分，最后洗出來的照片對應(yīng)的部分就越暗，如圖3所示。

感光材料（膠片）的明暗與接受光的強(qiáng)弱成反比，也就是說感光材料（膠片）在光照強(qiáng)的地方所形成的影像就會(huì)越暗。這一點(diǎn)讓人很難理解，想知道原因就必須要了解感光材料（膠片）的受光原理。

膠片是由一個(gè)單層或多層的感光乳劑以及附著感光乳劑的一個(gè)透明基片組成。感光乳劑一般是由鹵化銀晶體組成，在基片上均勻分布，當(dāng)有光照到鹵化銀晶體時(shí)，其結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，鹵化銀晶體會(huì)相互聚結(jié)起來，形成黑色金屬銀顆粒的聚結(jié)體，光量少的地方鹵化銀晶體會(huì)相互聚結(jié)也少，這樣就形成了影像（負(fù)像）。負(fù)像上黑暗（厚的）部分就是曝光較多部分；明亮（薄的）部分就是曝光較少的部分；全透明部分就是沒有受到光照射的部分。

上面的理論有些復(fù)雜，其實(shí)這些理論的最終解釋就是相機(jī)上的孔徑大小以及光通過孔的時(shí)間與最后洗出來的照片的明暗區(qū)是成正比的。

 
2. 圖2

 
3. 圖3

真實(shí)相機(jī)的結(jié)構(gòu)要比圖1中復(fù)雜，如圖4所示，最主要的就是增加了鏡頭、光圈、快門和焦距控制等裝置。

 
 
4. 圖4

鏡頭就是接收光線的最前端部分，主要是由一片曲面玻璃或塑料制成，以凸透鏡的原理聚焦形成清晰可辨的影像，而更復(fù)雜些的鏡頭是由稱作透鏡單元的兩片或更多光學(xué)玻璃組成，并將所有透鏡單元組裝在一起成為一個(gè)整體，它主要的功能就是聚焦光線。

光圈是控制光通過鏡頭的孔徑大小的裝置（參數(shù)），孔徑越大光線通過的光就越多，感光材料（膠片）所接收的光線也就越多，最后形成影像（最后渲染的效果圖）也就越亮。

快門是控制光通過鏡頭的時(shí)間長短的裝置，它的主要功能就是控制感光材料（膠片）接收光的時(shí)間。接收光線的時(shí)間越長感光材料（膠片）的感光就越多，最后形成影像（最后渲染的效果圖）也就越亮。

焦距控制裝置是控制畫面透視及焦長大小的，焦距分為廣角、標(biāo)準(zhǔn)和長焦（望遠(yuǎn)），鏡頭除了可以改變畫面的透視以外，還有一個(gè)主要的功能就是可以影響到感光材料（膠片）接收光的強(qiáng)度。廣角鏡頭最短，光從鏡頭到達(dá)感光材料（膠片）的時(shí)間也最短，這時(shí)感光材料（膠片）接收光也最強(qiáng)。反之，長焦鏡頭會(huì)使感光材料（膠片）所接收的光線減少。

不同的感光材料（膠片）也會(huì)影響到膠片的感光度（接收光的敏感度），一般分為快速膠片（接收光的敏感度高）、中速膠片和慢速膠片�？焖倌z片適合在亮度較低的場景中使用，慢速膠片適合在亮度較高的場景中使用。

除了鏡頭以外，其他4個(gè)相機(jī)的裝置都能影響感光材料（膠片）感光的多少，特別是焦距控制裝置對光的控制，所以新的相機(jī)就將焦距和光圈兩個(gè)功能用一個(gè)參數(shù)（f值體系（光圈））來控制，應(yīng)用這一體系后，就可以使用一個(gè)數(shù)字來實(shí)現(xiàn)焦距和光圈多個(gè)參數(shù)才能得到的效果。在考慮曝光時(shí)，不必計(jì)算焦距和光圈（孔徑）的關(guān)系，f值已將這些變量結(jié)合為一個(gè)單一的數(shù)。例如f/8光圈就代表到達(dá)膠片的一個(gè)確定的光量，這一數(shù)字已經(jīng)把鏡頭的焦距和光圈的大小兩項(xiàng)因素考慮在內(nèi)了，任何兩只將光圈設(shè)置為f/8的鏡頭，它們讓膠片所接納的光量都是完全相等的。

f/n光圈這個(gè)參數(shù)可以控制孔徑的大小，n值越小孔徑就越大（f為分子，n為分母，f為一個(gè)定數(shù)，分母n越小，最后的f/n就是越大，孔徑也會(huì)越大，所以最后我們發(fā)現(xiàn)，n值的大小與孔徑成反比，也可以說n值越小，最后所得到的圖像（渲染的圖像）就會(huì)越亮。

一般常用的光圈數(shù)值為f/1、f/1.4、f/2、f/2.8、f/4、f/5.6、f/8、f/11、f/16、f/22等。

2 參數(shù)

　　物理相機(jī)的參數(shù)設(shè)置面板如圖5所示。

5. 圖5

（1）Basic parameters（基本屬性）

type（類型）：Still camera（靜態(tài)相機(jī)）主要模擬常規(guī)的靜態(tài)畫面的相機(jī)，也是在效果圖中所用的一種相機(jī)類型；Cinematic camera（電影相機(jī)）主要模擬電影相機(jī)效果；Video camera（視頻相機(jī)）主要模擬錄像機(jī)的鏡頭。

targeted（目標(biāo)）：是否手動(dòng)控制相機(jī)的目標(biāo)點(diǎn)。

 film gate（mm）（膠片（mm））：是指感光材料的對角尺寸，35mm的膠片是最流行的膠片畫幅，也就是常說的照片底版（負(fù)片）大小，該數(shù)值越大畫幅也就會(huì)越大，透視越強(qiáng)，所看到的畫面也越多。

focal length（mm）（焦長（mm））：控制相機(jī)的焦長，同時(shí)也會(huì)影響到畫面的感光強(qiáng)度。較大的數(shù)值效果類似于長焦效果，且感光材料（膠片）就會(huì)越暗，特別是膠片邊緣的區(qū)域會(huì)更暗，較小數(shù)值的效果類似于廣角效果，透視感強(qiáng)，膠片就會(huì)越亮。

圖6是焦長為50時(shí)的效果（類似人眼所看到的效果），圖7是焦長為10時(shí)的效果（廣角效果）。

 
 
6. 圖6

 
7. 圖7

zoom factor（視圖縮放）：控制相機(jī)的視角大小，與focal length（mm）（焦長（mm））功能相似，只是該功能只改變畫面的透視效果，不會(huì)影響到畫面的感光強(qiáng)度。

f-number（光圈數(shù)值）：光圈數(shù)值就是控制光通過鏡頭到達(dá)膠片所通過的孔的大小，數(shù)值越大膠片感光就越強(qiáng)，反之就越弱，圖8左是f-number為2時(shí)的效果，圖8右是f-number為4時(shí)的效果

要點(diǎn)提示：

f-number中的數(shù)值是指number中的數(shù)值，最后的光圈為f/number。

 
 
8. 圖8

distortion（扭曲）：扭曲效果是由下面的distortion type（扭曲類型）來控制的。

vertical shift（垂直變形）：可以控制在垂直方向的透視效果，類似于Camera correction（相機(jī)修正）功能。

specify focus（指定焦點(diǎn)）：勾選該選項(xiàng)后，用戶可以用下面的focus distance（焦點(diǎn)距離）選項(xiàng)來改變相機(jī)目標(biāo)點(diǎn)到相機(jī)鏡頭的距離。

exposure（曝光）：勾選此參數(shù)后，改變場景亮度一些選項(xiàng)（f-number（光圈）、shutter speed（快門）、ISO（感光系數(shù)））才能起作用。

vignetting（虛光）：該功能可以模擬真實(shí)相機(jī)的虛光效果，也就是畫面中心部分比邊緣部分的光線亮，圖9左是不勾選時(shí)的效果，圖9右是勾選后的效果。

 
 
9. 圖9

white balance（白平衡）：真實(shí)相機(jī)所拍攝的畫面和肉眼所看到的會(huì)一有定差別，這主要是由于相機(jī)不會(huì)像大腦一樣智能處理色彩信息，白平衡就是針對不同色溫條件下，通過調(diào)整攝像機(jī)內(nèi)部的色彩電路使拍攝出來的影像抵消偏色，更接近人眼的視覺習(xí)慣。白平衡可以簡單地理解為在任意色溫條件下，攝像機(jī)鏡頭所拍攝的標(biāo)準(zhǔn)白色經(jīng)過電路的調(diào)整，且使之成像后仍然為白色，可以由右邊的預(yù)設(shè)選項(xiàng)來定義白平衡，也可以由下面的custom balance（手動(dòng)白平衡）選項(xiàng)來調(diào)節(jié)，白平衡調(diào)成  時(shí)的效果如圖10左所示，白平衡成  時(shí)的效果如圖10右所示。

 
 
10. 圖10

要點(diǎn)提示：

從圖10中可以看出白平衡的色彩映射到感光材料（負(fù)片）后，色彩會(huì)增加到負(fù)片上，負(fù)片是相片（渲染的效果圖）的反色，所以最后的圖就會(huì)與白平衡的色調(diào)相反。

shutter speed（快門速度）（單位是秒）：這里的快門速度中的數(shù)值是實(shí)際速度的倒數(shù)，也就是說如果將快門速度設(shè)為80，那么最后的實(shí)際快門速度為1/80秒，它可以控制光通過鏡頭到達(dá)感光材料（膠片）的時(shí)間，其時(shí)間長短會(huì)影響到最后圖像（效果圖）的亮度，數(shù)值�。ɡ�如shutter speed（快門速度）為10，最后的實(shí)際速度為1/10秒）與數(shù)值大（例如shutter speed（快門速度）為200，最后的實(shí)際速度為1/200）相比，數(shù)值小的快門慢（快門打開的時(shí)間長，通過的光就會(huì)多，感光材料（膠片）所得到的光就會(huì)越多，最后的圖像（效果圖）就會(huì)越亮），數(shù)值大的快門快（所得到的圖像（效果圖）就會(huì)越暗）。這樣就得到一個(gè)結(jié)果，shutter speed（快門速度）數(shù)值越大圖像就會(huì)越暗，反之就會(huì)越亮。如圖11所示，右圖的shutter speed（快門速度）數(shù)值就比左圖的大。

  
 
11. 圖11

shutter angel（快門的角度）：當(dāng)開啟Cinematic camera（電影相機(jī)）選項(xiàng)時(shí)，快門角度也會(huì)影響最終渲染圖的亮度，但Cinematic camera（電影相機(jī)）與Still camera（靜態(tài)相機(jī)）中的shutter speed（快門速度）功能是相似的。

shutter offset（快門偏移）：當(dāng)開啟Cinematic camera（電影相機(jī)）選項(xiàng)時(shí)，可以控制快門角度的偏移。

latency（反應(yīng)時(shí)間）：當(dāng)開啟Video camera（視頻相機(jī)）選項(xiàng)時(shí)，該功能與Still camera（靜態(tài)相機(jī)）中的shutter speed（快門速度）功能相似。

film speed（ISO）：（ISO膠片感光系數(shù)）：不同的膠片感光系數(shù)對光的敏感度是不一樣的，數(shù)值越高膠片感光度就越高，最后的圖像（效果圖）就會(huì)越亮，反之圖像就會(huì)越暗。一般在渲染白天效果時(shí)可以使用較小的數(shù)值，這樣就可以讓膠片對光的敏感度低一些，可以避免畫面曝光過度；而晚上可以使用較高的數(shù)值，這樣可以避免曝光不足。如圖12所示，左邊的film speed（ISO）數(shù)值為600，右邊的film speed（ISO）數(shù)值為200。

 
12. 圖12

（2）Sampling（采樣）

depth-of-field（景深）：控制是否開啟景深效果。當(dāng)某一物體聚焦清晰時(shí)，從該物體前面的某一段距離到其后面的某一段距離內(nèi)的所有景物也都是相當(dāng)清晰的，焦點(diǎn)相當(dāng)清晰的這段從前到后的距離就叫做景深，景深效果可以讓畫面清晰的區(qū)域更引人注目，也可以凸顯視覺中心效果，如圖13所示，但是開啟景深功能后會(huì)大大增加渲染時(shí)間。

 
 
13. 圖13

要點(diǎn)提示：

有景深的圖像最清晰的區(qū)域?yàn)榻裹c(diǎn)的地方，也就是指VRay物理相機(jī)中的目標(biāo)點(diǎn)。

景深大就說明在目標(biāo)點(diǎn)到很遠(yuǎn)的距離都相對清晰，景深小就說明只有目標(biāo)點(diǎn)周圍很小的區(qū)域是清晰的，其它區(qū)域是模糊的。

motion blur（運(yùn)動(dòng)模糊）：控制是否開啟運(yùn)動(dòng)模糊功能，它只適用于有運(yùn)動(dòng)畫面的物體，對靜態(tài)畫面不起作用。

subdivs（細(xì)分）：對depth-of-field（景深）和Motion blur（運(yùn)動(dòng)模糊）功能的細(xì)分采樣，數(shù)值越高效果越好，但渲染時(shí)間就越長。

（3）Bokeh effects（散景效果）

Bokeh effects（散景效果）可以實(shí)現(xiàn)鏡頭特殊的模糊效果，對于有景深效果的模糊的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生松散的畫面效果，也就是散景，如圖14所示

14. 圖14

 blades（邊緣）：勾選該選項(xiàng)后可以改變散景后的形狀邊數(shù)數(shù)值，數(shù)值越大邊數(shù)就越多，也就越接近圓形。

 rotation（deg）（旋轉(zhuǎn)）：控制邊緣形狀的旋轉(zhuǎn)角度。

center bias（中心偏移）：控制邊緣形狀的偏移值。

anisotropy（各向異性）：控制邊緣形狀的變形強(qiáng)度，數(shù)值越大形狀就越長。

（4）Miscellaneous（雜項(xiàng)）

horizon line（地平線）：是否顯示地平線標(biāo)志。

clipping（剪切）：開啟該選項(xiàng)后，下面的near clipping range（近景剪切）和far clipping range（遠(yuǎn)端剪切）選項(xiàng)才可用，該功能可以剪切數(shù)值以外的場景畫面。

near env range（近景環(huán)境范圍）和far env range（遠(yuǎn)端環(huán)境范圍）：與3ds Max中相機(jī)的Environment range（環(huán)境范圍）中的Near Clip（近景剪切）和Far Clip（遠(yuǎn)端剪切）功能相同，主要是針對Environment（環(huán)境）面版中的特效范圍。

要點(diǎn)提示：

影響景深的3個(gè)因素是光圈（光圈f值越大，也就是說孔徑越小，所需的快門時(shí)間就會(huì)越長，這時(shí)的景深就會(huì)大，因?yàn)榭扉T時(shí)間加長后，感光材料（膠片）所受光時(shí)間就會(huì)加長，整個(gè)畫面就相對清晰；反之景深就會(huì)�。�、被攝體到照相機(jī)的距離，以及鏡頭的焦距。焦距最短的鏡頭對準(zhǔn)無限遠(yuǎn)聚焦時(shí)，其最小的有效光圈能產(chǎn)生最大景深。也就是說光圈越大，焦距越長，被攝體距離越近，景深就越小。

如圖15所示，VRay物理相機(jī)的目標(biāo)點(diǎn)都是場景中的花，左邊的VRay物理相機(jī)的f-number（光圈數(shù)值）值為1.4，shutter speed（快門速度）為200，所渲染的景深較淺；右邊的VRay物理相機(jī)的f-number（光圈數(shù)值）值為4，shutter speed（快門速度）為30，所渲染景深較深。

 
 
15. 圖15

VRayPhysicalCamera（VRay物理相機(jī)）功能強(qiáng)大，參數(shù)也很龐雜，對于初學(xué)者來說有一定的難度，其實(shí)在效果圖中所用到的參數(shù)并不多，景深和散景特效一般情況下不會(huì)用到。Basic parameters（基本屬性）是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，這里面主要有三大功能，一是控制畫面透視效果的一些參數(shù)；二是控制畫面亮度的一些參數(shù)，這幾個(gè)控制亮度的參數(shù)雖然在解釋上有所不同，但效果卻很相似，所以一般只調(diào)整一兩個(gè)參數(shù)就可以達(dá)到調(diào)整多個(gè)參數(shù)的效果；最后一個(gè)就是白平衡，它的主要功能就是控制畫面的偏色效果。