利用Maya基礎材質制作玻璃效果

導言：大家好，我是戴巍。今天和大家分享的是如何利用Maya基本材質和Mental ray材質實現玻璃效果的教程，希望對大家有所幫助。

（本文部分圖片可右存或復制鏈接看大圖）

本文導讀

材質的基本原理

使用Maya基本材質實現玻璃效果

使用Mental ray材質實現玻璃效果

玻璃的陰影以及焦散

材質的基本原理

能量守恒

在光線照射到某個物體表面的時候，總體上會出現三種反應：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，能量不可能憑空產生也不可能憑空消失，只可能發(fā)生轉換。

用在光線傳播過程中則可以得到這樣一個公式：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

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，決定菲涅爾效應的主要是折射率這個屬性。當折射率越靠近1的時候，90度視角與0度視角的反射率之間的差別越大，當折射率數值越高的時候，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、烤漆也是這個范圍左右。金屬則是4-10，甚至更高。

使用maya基本材質實現玻璃效果

這里使用大家最熟悉的blinn材質，運用前面講的基本原理來制作玻璃。

首先是設置場景，對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，是因為反射或者折射周圍的環(huán)境，這時環(huán)境對于玻璃的制作來說是萬分重要的，沒有環(huán)境就沒有效果。

這個場景使用HDR來進行照明，在Mental ray中則使用IBL節(jié)點。

關鍵設置如下：

開啟IBL節(jié)點，如果FG沒有自動開啟，請手動開啟。

關閉場景的默認燈光，在common標簽的最后。

啟用色彩管理，如下設置，開啟線性工作流。

渲染得到的結果如下。

給模型一個blinn材質，調節(jié)transparency到全透明。在raytracing option標簽下開啟折射refraction，將折射率調節(jié)到1.7或者類似的一個數值，得到下圖這樣的結果。

這是因為反射折射次數在默認情況下都設置得非常小。為了講解反射和折射次數，我做了一個簡單的場景來說明。

兩面相對的鏡子，中間有個小球。鏡子給的是高反射的材質。

按照我們的生活經驗，兩面相向而立的鏡子應該是無限次反射才對。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面的鏡子和小球，對面鏡子里的反射是沒有的，反觀另一面鏡子也不會有反射。其實這兩面鏡子我給了同樣的材質，那問題在哪里呢，就在反射與折射次數的限制。

當我們在渲染的時候，如果遇到像我現在使用的這個案例，計算機要是按照生活里的經驗去計算，那么就要無限地計算兩面鏡子之間的反射，渲染便永遠不會終止。為了避免這種情況的產生，軟件中引入了反射與折射次數限制來提高性能。這個限制是由兩部分構成的：全局設置以及單個材質的設置。當你打開Mental ray的quality標簽，下面有個raytracing、reflection和refraction的值則分別對應會計算的反射和折射次數，而max trace depth則是這兩個值相加的最大限制。比如兩個值都設為10，但是max trace depth也設為10，那么折射和反射次數則不會達到20，而是不會超過10。

在高反射的場景里，一般會設置為10,10,20。但是渲染了以后，你會發(fā)現結果沒有變化，那是因為雖然你把全局設置改變了，但單個材質下面也是有限制的。

找到這個blinn球的raytrace option，下面有一個reflection limit，這個也是反射次數限制。下圖分別為大家演示了reflectionlimit值為0,1,2,3,4,5時的結果，你會發(fā)現這個數值設為幾，那么反射就會進行幾次。

折射也是一樣的道理，折射一般要9次以上，而blinn材質的折射次數，默認就是9次。反射也要有3-5次左右，將場景里所有的反射折射次數都調高吧。記得當你調高這些數值的時候，渲染時間也會隨之而大幅度增加�；仡^看那張玻璃杯的圖，調節(jié)了反射折射次數以后的結果是，黑的地方消失了，不過反射折射還不好看。

要怎么補救呢？首先根據開篇說的能量守恒法則1>=diffuse+specular+refraction，對于玻璃物體來說，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關掉，調成0，或者關掉。其次，玻璃是一個遵循菲涅爾反射的高反射物體。我們把反射率和specular color調到最高。在blinn材質中對于反射的控制是reflectivity和specular color共同控制的，只有二者皆為1的時候，才是全反射，任意一個值不為1，都會相應降低反射率，任意一個值為0，則反射率就是0。

然后將specular roll off調節(jié)為0或者接近0。絕大多數人理解這個值為高光強度，這個理解是有偏頗的。這個值真正的作用其實是控制菲涅爾效應的。當該值為1的時候，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數值共同控制真正的折射率）；當該值為0時，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，這個值可以取代sampler info與ramp節(jié)點來實現對菲涅爾的控制。(不相信的同學可以自己弄一個圓球，把這個值調到0，你會發(fā)現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調節(jié)到0所得到的渲染結果，即有了菲涅爾反射的結果。你會發(fā)現杯子正垂直于你視線的面上的反射幾乎已經看不到了，而同你的視線夾角非常小的面，依然有著很高的反射。

另外，在我這個案例中eccentricity這個值不產生作用。一般來說，這個值被翻譯成偏心率，控制的是高光的大小。但是這里所謂的高光，其實是三維軟件虛擬出來的一個東西，因為你用了虛假的燈光，虛假的燈光照射在虛假的材質上面，會形成虛假的高光。但是你要按照我說的一步步地做，你會發(fā)現這時候調整這個數值不起任何改變。

這是因為我沒有使用虛假燈光，這個場景里唯一的默認燈光在開始時已經被我關閉了，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的計算。所有玻璃上能看到的高亮部分，并不是計算機通過虛假燈光位置計算出來的所謂高光，而是根據光線跟蹤計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。我們已經制作出菲涅爾現象，這個時候卻有個問題，這個材質并不遵循能量守恒：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，會有1的反射同時有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烈，會得到不正確的視覺。

我用一個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的經典方法。

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

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)點可以控制不同視角的地方獲得不同的值。

現在的反射值是在0度視角也就是邊緣的地方比較強，而90度視角，也就是中間地方很弱。為了滿足能量守恒，得插入一個相反的結果到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)點剛好合適，插入到之前blinn材質的transparency通道中去。

得到的結果，感覺太黑了點，這個時候可以控制一下ramp上的顏色來調節(jié)到可以接受的結果。有人可能會說，如果這個時候調ramp上的黑白顏色，那么不是打破了能量守恒了嗎？其實你用blinn材質做玻璃，根本無法精確控制能量守恒，可能你能讓標準的90度視角與0度視角獲得正確的結果，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。其實菲涅爾現象的數值變化本身就很復雜，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，前文已經提到菲涅爾現象最主要是受到折射率的控制，這是一種物理屬性。而在Maya自帶的簡單blinn模型中，是無法實現用折射率精確控制菲涅爾現象的，更精確的方法將在后文提到。

順便說一下，Maya的blinn材質給人的感覺挺奇怪，尤其是反射是由specular color與refectivity兩個數值共同控制，我覺得這些特性早就應該淘汰了。新版本的Maya從來不更新這些過時的東西，導致Maya這個軟件已經顯得有點尾大不掉，學習起來會相對困難一些。

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

你可能注意到，這個結果的杯底特別的黑。這是因為我采用的照明方式是IBL，主要靠的是FG的光子。而FG的光子也是有反射和折射次數的。

如圖打開FG的反射折射次數限制，調高一點點，使光子可以穿透杯壁照亮杯底的地面。

得到結果如下圖。

最后，增加了地面紋理，加強HDR的強度，加強照明，細微調節(jié)材質屬性，得到下面這個純blinn材質的玻璃。

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

折射模糊請選擇材質的Mental ray標簽下的Mi Refraction Blur，limit是折射模糊的次數，rays是精度。

調高blur，制造毛玻璃的效果。當然這個屬性會讓渲染速度大大減緩，請慎重使用。

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材質制作玻璃

Mental ray的建筑材質有很多優(yōu)勢，相對于blinn來說有一個巨大的優(yōu)化就是——內置能量守恒。這是一條強硬的規(guī)則讓你無法打破它，即使你的設置是有問題的，但得到的結果仍舊是一個強制得到的正確結果，和你的設置其實是不同的。當你給材質一個顏色，然后不斷調節(jié)它的反射率你就明白了。

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

簡單來說，當你把mia材質的反射開到1，并且關閉了菲涅爾反射的時候，你的diffuse顏色就沒用了。想象一下吧，反射為1的材質是啥樣的？其實就是鏡子，完美反射周圍的環(huán)境而沒有自己。這個時候，不論你給它黃色藍色綠色，都只能看到周圍的環(huán)境而看不到自己的固有色。

但是Maya的基本材質是沒有這個功能的，你可以自己動手做試驗，Maya材質diffuse和refection得到的結果會向上疊加，最終會超過極限得到過曝的結果，這就是很多人用Maya的基本材質做東西總覺得很假的原因之一。

而且mia材質還有這樣一個特點，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，漫反射效果會自動降低，到反射為1的時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越低，就算你給的反射值是1，也會隨著折射的強度提高而不斷降低。

這就是mia材質的強制能量守恒，讓你無法得到不正確的結果。

好的，這些是mia材質的一點點基本知識，我們再回到制作玻璃上來。首先還是關閉漫反射。然后將reflectivity即反射調為1，折射率調為1.7，transparency調為1，即全透明，打開brdf卷閘欄，勾選use fresnel reflection，這個選項會讓折射率來控制菲涅爾反射，前文已經闡述過。不用擔心反射和折射之間的能量守恒，mia材質會自動為你處理，這時這個材質就算設置好了。得到的結果如下，非�？焖俣�且效果很棒。

另外，你可能一直注意到，玻璃內壁似乎挺明顯的樣子，Maya基本材質對這個問題是沒辦法的。但是對于mia材質，你可以把advanced reflection卷閘欄下的skip reflection on inside的勾給去掉，會得到內壁不那么清晰的結果。

這個選項勾選的意思是忽略內壁反射，取消勾選的意思是計算內壁反射。意思就是，不光計算法線朝上的那一面的反射，還要計算面的另一邊的反射。其實我一直在想這個是不是搞反了，但后來發(fā)現這個可能和一個叫做TIR（total internal reflection）的東西有關。這個我個人還沒完全弄明白，但我們仍然可以通過這個方法得到不錯的效果。

Mental ray材質做玻璃還有個要在意的地方就是玻璃顏色，這有點像vray的霧顏色。在mia材質中，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的顏色設置可以理解為你要設置的玻璃的顏色，max distance下面的數值則是說，光線進入介質開始，傳播了多遠的距離會變成你選中的顏色。你可以根據場景的大小來設置這個數值。Maya默認的單位是cm，每一個單元格就是一厘米，如果你自己沒有亂調的話。你可以估算一下你的杯壁大約是多厚，大概傳播多遠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，這個是很容易理解的。而且，你會發(fā)現使用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：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。

關于mia材質設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

關于玻璃的陰影首先第一點要明確的是：玻璃的陰影是實心不透明的！這是客觀世界的真實結果。而軟件里把玻璃陰影調成半透明的做法，其實是一種接近真實的欺詐，但絕對談不上真實，真正的玻璃陰影其實是實心的陰影加上焦散。

先說blinn材質，我個人是不知道如何讓它的陰影變成實心，似乎只要是給它開了透明，它的陰影就開始變得透明起來，并且有個數值可以調整這個陰影的透明程度。

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。有一點十分值得注意的是，這個數值默認是0.5，會造成透明貼圖的陰影并不透明。把這個數值調為0，或者把quality標簽下的shadow method 改成segments就可以解決這個問題。相信有人被這個問題困擾過。

另外，你不要去關注上面兩個屬性light absorbance和surface thikness，這兩個數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時的效果。

一般用blinn材質的話，能得到的陰影效果大體就是這種程度的。你會發(fā)現能夠在陰影上看到明顯的杯壁，這時你可以給燈光的陰影加一點點模糊來遮蔽這些視覺效果（這里的所有圖已經給了陰影一點點的模糊，如果不給的話會非常非常硬），基本上得到的效果還是可以接受的。特別是當光源很散，陰影并不像這個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，因為光源來自四面八方，陰影并不明確。

現在我們回到mia材質上來。它當然也可以使用類似于blinn的這種陰影計算方式，特別需要注意的一點是，當你使用這種簡單的陰影計算方法，并且使用了max distance時，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時的效果。

雖然在這個例子中區(qū)別非常微妙。但是在某些復雜的相互交錯的場景中會有致命的差別。我暫時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，然后注意advanced refraction卷閘欄下面的refractive caustic與transparent shadow兩個選項。默認是勾選后者的，就是簡單的透明陰影，而我們想要使用焦散陰影，于是勾選前者。Caustic就是焦散了。

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

實心的陰影已經出現了，并且有一些微弱的焦散效果，對光子等等進行一系列調節(jié)，來加強焦散效果。

好的，這樣就得到了不錯的焦散效果。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。焦散的調節(jié)是很簡單的，教程也好找，我就不說了。