菲涅爾反射在vary材質中的運用研究

胥程飛　肖體江

摘 要：反射是材質重要的視覺特征，能否把握好反射往往是一幅作品成敗的關鍵，菲涅爾反射是一種常見而又不為人所熟悉的反射現象，比較難理解并掌握，因此菲涅爾反射是CG藝術中的重要研究對象，如何在CG藝術中更好地運用它是一個非常值得研究的課題。

關鍵詞：材質；菲涅爾反射；反射設置

反射是vary材質的一個重要組成部分，它關系到材質表面的高光、反射成像、反射清晰度等重要材質視覺特征，是設置材質表面特性的重要參數。由于基礎教育對反射現象闡述并不詳細，并且CG藝術體系與物理體系也不盡相同。因此，反射——尤其是一些特殊的反射現象——是vary材質中一個比較難掌握的知識點。那么在CG藝術中應掌握那些與視覺有關的反射現象，并如何去運用它們呢。

1 CG藝術中研究的反射現象概述

反射指光在傳播到不同物質時，在分界面上改變傳播方向又返回原來物質中的現象，在CG藝術中我們所研究的反射主要包含兩種反射現象，即鏡面反射與菲涅爾反射。

鏡面反射（如圖1）是指平行光線射到光滑表面上時反射光線也是平行的，這種反射叫做鏡面反射，它對物體的反射強度是均衡的，不會產生變化。如常見的鏡子、亮光不銹鋼表面的反射現象就是屬于典型的鏡面反射，這是一種大家都比較熟悉反射現象，所以本文不做過多的討論。

圖1 圖2

菲涅爾反射是一種并不為人們所熟悉的反射現象，什么是菲涅爾反射呢？當人站在湖邊時，低頭看腳下的水，會發現水是透明的，反射不是特別強烈；如果看遠處的湖面，你發現水并不是透明的，但反射非常強烈，這種反射現象就是菲涅爾反射。其根本的物理特征就是反射的強弱取決于視線與反射面的夾角大小（如圖2），視線與反射面的夾角a越大，反射強度越弱，當夾角a等于90度時，反射強度為零；視線與反射面的夾角a越小，反射強度越強，當夾角a趨近0度時，反射最強。

菲涅爾反射是一種常見的反射現象，CG業界內的主流意識是除金屬外，所有的材料均有菲涅爾反射現象。對于這種觀點筆者不以為然，筆者認為任何材料——包括大多數金屬——都具有菲涅爾反射效應，只有非常光滑的金屬由于其相當于一塊平面鏡，視線與反射面夾角為90度時，光滑金屬的反射度已經很高了，因此，當視線與反射面夾角減小時候反射強度不會再有增加，所以金屬里面也只有光滑金屬沒有菲涅爾反射現象，其他的金屬如亞光金屬、拉絲金屬、蝕刻金屬等也是具有菲涅爾反射現象的。

2 菲涅爾反射的設置研究

菲涅爾反射普遍存在于各種材質中，那么在實際制作材質中應如何運用呢？本文將以3ds Max加vary軟件為基礎，結合筆者的經驗試分析一下菲涅爾反射的設置方法，由于大多數軟件中材質的基礎設計思想是相通的。因此，這些方法也可在使用其他軟件時借鑒運用。

（1）使用vary自帶菲涅爾系統控制菲涅爾反射。Vary渲染插件中的vary材質本身就自帶有菲涅爾設置。其設置方法如下：

首先，勾選菲涅爾反射，開啟菲涅爾模式。然后，將反射的顏色調節到適合的色彩，注意在反射的色彩參數里決定反射強弱的數值是反射顏色的亮度值，而該色彩的色相值與飽和度值決定是材質反光與高光的色彩。因此，我們只需要根據不同材質的視覺特征調節相應的亮度值就可以得到不同強度的反射。例如，陶瓷反射較強可將亮度值設置到245左右，而反射較弱的木材亮度值為50左右。最后，設置菲涅爾折射率，此數值在默認情況下此數值是關閉的，需要解鎖才能設置，不同材料菲涅爾折射率是不同的。菲涅爾折射率是一個CG術語，現在有關的參考資料上大多沒有闡述該參數的含義，僅告訴它的取值范圍，很多人一直不是很明白它到底是干什么用的，那么到底什么是菲涅爾折射率？筆者認為，菲涅爾折射率這個數值描述的是材質表面對光的反射強弱的變化趨勢，而反射的顏色描述的則是反射的整體強度，這是有本質區別的。菲涅爾折射率的數值取值范圍是0～100，1為標準值，當數值為1的時候表示沒有這種強弱變化趨勢，即沒有反射存在，數值越遠離1，這種變化趨勢越明顯，反射也就越強。同時，數值的取值與入射光所在區域的密度和反射面的材質密度有很大的關系，0到1之間的數字表示入射光所在區域的密度大于反射面所在材質的密度。例如，光源放置于透明玻璃里面的情況；1到100之間的數值表示入射光所在的區域的密度小于反射面所在材質的密度。例如，光從空氣射向地面的情況。一般情況下菲涅爾折射率取值是可以照抄物理中的折射率的——雖然兩者含義完全不同，比如真空取值為1、水的取值為1.33、塑料的取值為1.45、玻璃的取值為1.5～1.8、鉆石的取值為2.4，金屬的取值則一般大于5。

這種設置方法一共只有三個參數，只要理解了每個參數的含義還是比較簡單的，只在反射的顏色確定上對制作經驗與美學認知有一定的要求。但這種方法就是因為其簡單，控制參數較少，難以控制材質反射的局部特征，不能精細調節材質。因此，我們一般不用這種方法制作場景中的重點材質或一些需要藝術化處理的材質，而只用這種方法制作一些普通的、非表現重點的材質。

（2）使用衰減（Falloff）貼圖模擬菲涅爾反射。在反射中加一個衰減貼圖是我們在設置材質時常用的方法，但很多人只是根據教程機械的設置，知其然而不知其所以然，其實這就是利用衰減貼圖模擬菲涅爾反射的方法。有關衰減貼圖參數的資料比較多，在這里就不詳細講解它的每一個參數了，我們著重討論一下他在模擬菲涅爾反射時的設置。

當我們在反射中加入一個衰減貼圖后，首先應設置的就是衰減類型和衰減方向，它們分別決定衰減顏色漸變的趨勢的計算方法和方向，而這些會直接反映到反射上的。其次應設置衰減的顏色，這和反射的顏色一樣，它決定了反射的強度以及反光與高光的色彩，在具體運用中我們也可用不同的貼圖來代替這兩種顏色，控制材質表面的局部情況，使得反射更逼真細膩，這在做一些有細膩紋理反射情況較復雜的材質——如拉絲金屬、蝕刻金屬——非常有用，這一點是前一種方法很難做到的。最后是輸出曲線的調整，輸出曲線控制的是兩種衰減顏色或貼圖的變化趨勢，當衰減貼圖運用于反射時輸出曲線與菲涅爾折射率的功能接近，但菲涅爾折射率是通過數值來實現的，并不直觀而且還經常需要制作者查閱各種材質的資料以確定數值的范圍，而輸出曲線是通過曲線的弧度來實現這一功能，非常直觀，同時還可以自由調節曲線的形態來實現一些較難用菲涅爾折射率表達的反射變化，如某種物體表面的反射由強變弱再變強再變弱，這就是用菲涅爾折射率無法實現的，而使用輸出曲線則較容易實現。endprint

相對于使用vary自帶菲涅爾系統控制菲涅爾反射，使用衰減貼圖來模擬菲涅爾反射更靈活多變，也能實現對材質局部反射的精細控制，但其需要掌握和調節的參數較多不易掌握，且操作也比較麻煩、耗時，因此在實際運用中多用來調節一些需要重點表現的材質。

3 菲涅爾反射的運用原則

如開篇所講幾乎所有的材質均具有菲涅爾反射現象，而沒有菲涅爾反射現象的少數幾種材質也具有鏡面反射現象，也就說我們在制作材質時都是需要設置反射的，但我們知道在渲染時計算反射是需要耗費大量計算機資源的，非常耗費時間，那么在具體運用中應如何運用反射呢？

首先在實際運用中并不是所有材質都需要打開反射的，我們可以根據“近實遠虛”的原則確定反射的取舍。即近景的材質把反射都打開，具有菲涅爾反射現象且紋理豐富、反射細膩的材質盡量使用衰減貼圖模擬反射，讓反射的細節盡量豐富；而對于中景，由于其距離相機較遠，一些反射的細節并不一定需要很詳細的表現出來。因此，可選用vary自帶的菲涅爾系統來調節反射；而對于遠景，由于它距離相機最遠，即使設置了反射，一些低反射的材質也不能很好地表現出來。因此，對這些弱反射材質可直接關閉反射以節省資源。其次在實際運用中需要根據表現的需求靈活運用菲涅爾反射。在CG藝術中效果的表現是最重要的。因此，有時在調節材質時需進行適當的夸張或省略，如在制作實木地板時，地板的反射往往是表現重點，我們就可以使用衰減貼圖來模擬菲涅爾反射，并使用垂直/平行這種漸變趨勢較為強烈的衰減類型來突出反射；而對于同樣木質的小茶幾，其反射雖然也是菲涅爾反射，但由于其面積很小，這種菲涅爾反射現象不是很明顯，在實際操作中為節約時間我們也可使用弱鏡面反射來代替菲涅爾反射，這樣既能取得較好的表現效果也能節約一定的時間。

在實際中菲涅爾反射的運用是非常靈活的，如何更好地運用它其實就是在“效果”與“效率”之間尋找一個平衡點，在進行材質設置時只有充分考慮到這兩點才能更好地、有效的設置好菲涅耳反射。其實不光在設置菲涅耳反射時是這樣，在作圖的其他環節中我們也是要充分考慮這兩點的。

參考文獻：

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[2] 冷國軍，李驗.3dsMax高級光+Vray極速渲染教程[M].機械工業出版社.

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