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  • 深度访谈VRay创始人Vlado:渲染技术的发展与未来
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  • 发布时间:2015-03-18
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Chaos Group的V-Ray是世界上最流行的渲染软件。它最初从建筑可视化而流行到现在发展成在制作视觉特效、汽车设计、以及日益发展的电影制作中广泛使用的软件。该产品致力于“制作最优质的渲染”。V-Ray,精准科学,一直力求提供实时的视觉效果,帮助项目完美成功。



V-Ray创始人Vladimir'Vlado'Koylazov接受深度访谈,讨论相关技术以及在这个强大的产业主力背后值得思考的问题。Vlado非常了解全球各地的用户,他考虑全面、富有思想,也很关心广大艺术家所面临的情形。


Vlado解释道,V-Ray的目标是成为‘全球通用的渲染工具’,“你可以获得用于渲染工作的所有实用工具”,他说:“我们并没有选择特定领域来发展专用的V-Ray软件,而是让它能在多个领域广泛应用。我们希望把它尽可能做成一个普遍通用的软件。你对于渲染工具的任何需求,V-Ray也许都能满足。”


这个计划很显然削弱V-Ray的多样性,不过随着持续发展,V-Ray也变得越来越强大。目前已适用于苹果的Mac OS X系统MODO3D软件,这是即从V-Ray for Maya、V-Ray for Max到V-Ray for SketchUp、V-Ray for Blende等支持程序和操作系统的V-Ray系列的最新软件。


《光环》,来自Blur Studio


V-Ray几乎可以渲染任何场景,并已成立了一家中小型实体公司,“他们永远不知道下一个项目是什么”,Vlado如是说。“V-Ray能够为大众提供渲染软件完成各项任务。”


成为多样性产品需要面对的一个很明显的风险是,不容易在种种关注下脱颖而出。Vlado也承认该问题的存在,不过他认为,公司正在努力为产品配备一套完好的工作流程,然后在工作流程中,开发人员努力让其更加流畅精简。在第三个版本中,我们改变了用户界面,让用户设置起来更简便,不过在浏览共同路径时还是有些复杂,显而易见的是,在新版本的菜单下,常用设置已经变的更简便了。


《沉睡魔咒》来自数字领域(Digital Domain)


比如,VRay Volume Grid是一种特殊的体积插件效果,可与其他应用如OpenVDB (.vdb)、Field3D(.f3d)或PhoenixFD(.aur)的基于网格的缓存格式共同使用。Vlado补充说:“也有分别用于头发渲染、皮肤渲染或其他渲染的材料,分为不同模块,可供需求者使用,不过不是所有人都用得到。”



上方图片是在V-Ray 3.05中,球形粒子在全局照明、运动模糊下的渲染效果。这个粒子是基于流体仿真在Phoenix FD中形成的,然后转化为.vrmesh格式的文件。与网格类似,粒子被组织成三位像素,可以在渲染过程中根据要求用V-Ray加载。



上方为露西的模型,来自Stanford扫描图库。该模型包括两千八百万个独立的三角形。这里展示的是使用ply2vrmesh工具转换为.vrmesh格式文件的最初的PLY文件,被分割成几何图形,再组成大约一万个小三角。V-Ray可以在渲染中从三维像素中加载几何图形,与OpenEXR编辑纹理的方法相似。


埃里克·维奇(Eric Veach)在2014年奥斯卡科学技术奖上


Vlado与许多其他渲染行业的领导人一样,向埃里克·维奇表示敬意,埃里克·维奇凭借1997年发表的关于Monte Carlo路径追踪图像合成的博士论文,荣获去年的SciTech大奖,他说:“这篇论文句句高论,可能是在很长一段时间内印象最深刻的一篇文章,可以在很多地方运用,让那些需要纯计算的比如双向路径追踪有可能不依靠计算就找到解决方案。事实上,他成功地给双向路径追踪找到了一个可用的算法。”


Vlado还指出,即使是像VCM(Vertex Connection and Merging)这样更新的论文和其他在上届在加拿大的Siggraph会有发布的报告,他们都欠埃里克·维奇一个人情。“我认为这是光线追踪中的最重要的发现。我也很高兴奥斯卡对他的认可,尽管都早已发表过。”


偏差有多大?


一台无偏差的渲染器意味着,只要你渲染的时间足够长,那么你将得到图片中的一切内容的渲染结果。这也意味着,你可以让一台机器渲染一个图像或者一百台机器渲染同样的图像,这两种情况下,你都会得到同样的结果。unbiased渲染是精准又理想的,但却不一定是最快的制作路径。


VCM是一种Monte Carlo渲染的双路径抽样技术。VCM比普通的双向路径追踪,specular-diffuse-specular效果的效率更高。给光子映射路径框架带来优势,并且避免了密度估计。这使得过去人们认为完全不同的两个渲染方法,首次有可能联系在一起。实际结果是形成了一种联合双向的渲染,它可以有效地处理各种各样的照明条件,从直接照明、diffuse inter-reflections到问题反映焦散。这个算法比进阶电子贴图能更好地聚集。(Iliyan Georgiev,2009)无偏差渲染与创造更真实的光影模型并肩前行,但两者没有真正连接起来,可以用一个合理的解决方案但可能不是一个无偏差渲染器。


目前趋势是采用真实合理的光影,在复杂的射线追踪中增加准确性,这来自于想用更有效的方式得到理想结果的现实情况。Vlado说道:“我考虑的是为什么这花了这么长的时间,原因显而易见,不过我猜想这是洞察力的问题——或者可能是他们不了解自己想要什么,不过我认为当今时代,基于物理渲染才是发展趋势。”


V-Ray提供基于物理精准光影渲染已经有一段时间,不过几年前,Vlado还想探讨增加双向路径追踪,因为它在某些情况下可提供更好的监控效果。传统的V-Ray采用的是单向,他对这样的对比很有兴趣。公司实施了有效解决方案,不过还存在一些技术,如全局照明下的电子贴图技术,还有一些创意创新,而不能简单转到一个新的方法。Vlado在思考有没有一种可以把新旧联系起来的方法,并把双向路径与电子贴图合二为一。


Chaos和Iliyan Georgiev在V-Ray推行VCM。Iliyan Georgiev在Solid Angle工作时,2009年他在保加利亚的索非亚大学发表演讲,最后结束时他和Chaos Group商讨在我们如今使用的V-Ray渲染器中,实施最先进的光传输模拟算法(2013)。他还为维塔渲染流程的形成(2013)和之前较早的迪斯尼研究院做出了贡献。这意味着,V-Ray同时支持传统单一路径追踪和全新VCM算法。Vlado说明道:“不过与我们使用单一路径追踪相比,在VCM版本中要得到相同结果需要花费更长时间。”现实情况是,对于许多用户对于许多镜头,提升画质或快速完成渲染更好,因为一些场景的镜头不需要VCM做高质量渲染。



上方图片展示的是在V-Ray中几种算法的渲染出的著名的Cornell box。四幅图片所用渲染时间大致相同。原场景被修改成包括一个能反射的盒子和一个玻璃球,可以创造出焦散效果。单一路径追踪的方法在场景中清除焦散燥点有问题。双向路径追踪可以更好地处理慢射照明和可见焦散线,不过在清除光滑的反射面上的焦散线上也有问题。VCM算法大大提到了间接看到的焦散线的效果,不过因为对同一个样片处理起来需要更长时间,所以它的效率低一点但是效果更好。记住这些场景的结果,不同的算法的运行很大程度上依赖于不同的场景。路径追踪因为一些偏见而大大加速。Vlado说:“用VCM你可以得到更好的图片,并没有好太多,但有不一样的光线效果。也许有一些焦散线,但是它看上去会更好点,但花费的时间会很长,而V-Ray的关键是这两点都满足,按主流要求就会很快,而要求精细也会慢一些。”


VCM怎样在V-Ray中运行?



这个视频解释了V-Ray如何使用多个渲染服务器机器实现分布式顶点连接合并。每个图像通过时,渲染服务器发送会像素和光子撞击,它们在主要机器上不断积累。每一个新图像通过之前,在渲染服务器上累积的光子贴图被上传到所有渲染器,以方便他们在计算像素时更新数据。


那可代替光线缓存如何在V-Ray中运行?



光线缓存是V-Ray中一个特殊功能,可以让不同的光线有效相似值反射。这个功能在被间接光线照亮的室内空间中特别有用。光线缓存自身只提供场景光线的近似值,但是可以与其他更精准的强力方法组合使用,来彻底减少间接照明多反射引起的燥点。



光线缓存也可以用于处理体积材料内部的近似多次散射效果。这尊佛像是一种次表面散射材质,可以用各向异性相函数精准地产生多次光反射。


头发



光线缓存不仅可以用于室内archviz风格的渲染,也在其他有多重光线反射的情况下适用。在上述情况下,光线缓存用来加速第二灯光反射的运算来呈现金发。然后,图像被送达渲染器继续渲染。




VRayFastSSS2材质在V-Ray RT GPU中的早期测试


皮肤


皮肤的渲染已经被广泛运用,然而有一个基于物理的着色器的关键在于镜头中或编辑的3D皮肤与真人皮肤一致。V-Ray有一特别的皮肤着色器,可以接近真实的物体情况,艺术家可以更好的控制。Vlado解释说:“这是根据物体来的,但是没那么完美的精确。它给了艺术家创造他们想要的效果的空间,似乎是很有效的。”


Vlado概括称像皮肤这样的体积材质比正常表明更难渲染。首先,他们与硬的表面散射不同。皮肤是有两个参数的体积材质,一个是散射系数,另一个是吸收系数。这两个参数不像正常物理的颜色有一个具体的值。处理这些参数并不容易。比如,物体的大小影响它的外观,一个薄的物体看上去与更厚一点的有所不同。


在V-Ray较早版本中,皮肤着色器对脸部的处理很好,但是用同样参数时,耳朵却变成绿色色调,“这显然很不理想” Vlado说道。用sss算法就是这样,但这是艺术家不想看到的。Chaos Group的解决方案是提供一个特殊补丁,让脸部更容易得到合适效果。V-RaySSS可以“所见即所得”,尽管散射不是100%准确,但是效果非常逼真。在三个偶极层中,艺术家也能得到更理想的结果。有一个薄散射层、一个较深的散射层和最后的散射层。这种反射层的组合可以得到更精确的反射效果。


有趣的是,一些新渲染器采用了高光渲染的方法,是一种根据钻石折射的分散扩散的方法,不过 参观过USC 、ICT 后,Vlado看到人类皮肤与在日常光相似的白光照射下不同,“事实是,皮肤看上去非常不同” 他说,“在有的案例中皮肤看起来很自然,有的却很假,我意识到解决皮肤渲染的问题可能需要更多的考虑高光。”V-Ray研究出了一些频谱代码,可用于把白光折射成彩虹效果,但是Vlado也指出:“我意识到还得处理皮肤本身,也有问题,特别是用RGB纹理设备处理皮肤纹理,我也不确定会最终如何解决。”


为细节逼真的脸做高光是一个复杂问题。我们知道,皮肤上的毛孔会破坏高光,所以许多艺术家用比渲染分辨率更高的分辨率描写毛孔细节,目的使镜面高光渲染的更加真实。简而言之,我们看不到毛孔,但是脸部却更加真实。然而,近年对脸部的特写越来越近,用老办法打光、处理纹理和建模在特写镜头中不再真实,这不是人们想要的。事实是在样本和MIP贴图把简单的纹理变模糊的问题。这个问题要在未来很长一段时间内才能解决。虽然在与LEAN贴图竞争中处于优势,但是彻底解决这个问题还有很长一段路要走。


这不仅仅是皮肤特效会遇到的问题,也是汽车喷漆特效需要思考的难题。汽车有金属片的汽车喷漆被设计成产生一种不同的高光,与皮肤高光不同,汽车喷漆渲染的特效不像摄像机拍摄的那么真实。


为了解决这个问题,V-Ray提供一种特殊的汽车喷漆着色器,渲染结果非常棒,还能减少纹理避免不真实的高光感。汽车喷漆着色器利用MIP贴图分辨率水平渲染。Vlado解释道:“这些材料在特写镜头与远镜头看上去不同。因为MIP贴图处理倾向于平均水平贴图,当物理在远处时也看上去比较顺畅平滑。它和特写镜头渲染不同。我们在V-Ray软件中用一种不同方式解决,特别是汽车喷漆,但是它占用36倍的内存。”


所以说,这个解决方法不是普遍适用的,现在没有皮肤渲染的强力补丁。这个方法适用于正常地图直接滤出,其中滤除取决于你的方向。然而这一点并不适用于皮肤渲染,Vlado也还没找到其中的原因。


大型模型


大型模型也存在问题,最近时期也形成一种趋势。V-Ray 必须在一段时间内处理大量模型,可追回到使用32位寻址的程序。 VR-Proxy已开发出几何图形来分解大型模型。“这可以让我们渲染来自3D扫描器和其他设备的特别大的模型。”Vlado说道。


如今V-Ray是一个高产的工具,许多小工作室都在使用。但是渲染问题不是由工程规模决定。LIDAR和3D扫描的发展意味着掌握大数据不仅仅复杂的模型是任何渲染器的关键。


摄影机


V-Ray支持摄影机相当复杂。想到之前建筑的客户,团队需要支持镜头移动和倾斜,这为需要进行3D渲染效果的顾客服务。在3D Max和Maya中有一种V-RAY物理摄影机,可以另外控制失真、偏移和倾斜。“这个功能实际用的不多,我们有许多顾客他们想匹配渲染器和实际材料特别匹配,所以特别重要。”Vlado又说:“我也知道虚拟材料也出现了,人们想要渲染球形图像,来支持立体观察,这正是我们研究的事。”


这带来了VR更广泛的问题,Chaos Group最近投资了200万美元作为种子资金用作VR的开始资金:Nurulize with Scott Metzger。Vlado说:“我们发现了很有趣的事,我们一直在观测 The Matrix,考虑处于一个移动的环境中,当这个机会出现时,我们觉得真的很棒,另外我们想让V-Ray更适用于这类设备。”


为了创造虚拟现实,不仅需要和不同类型摄影机配合,而且很明显是一个实时世界,也有许多新方法——事实上,光线追踪也不可行。Vlado想要确保公司能明确目标,积极进取,关注个人的努力。


GPU在VR中发挥巨大作用,除了VR、Chaos使用GPU代码一段时间,已经取得显著进展。然而,在V-Ray之后,GPU作为一个选项是可行的。


Chaos Group最近也发展了Chaos Labs包括他们的Render Lab,可以说是测试新产品诸如GPU的试验场。也是与Motion Builder合作渲染的试验场。目前,这还是处于试验阶段的项目,不过项目仍在继续。这还是团队测试3ds Max的交互式云渲染的地方。


对于这个团队来说,未来是光明的,当然,在不确定的时期,公司仍在不断发展壮大,继续研究在GPUs上研究GI。“现在研究的课题都没有不足呢!”Vlado开玩笑的说道。


来自V-Ray用户数字领域(Digital Domaina)《安德的游戏》


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