HDR 環境貼圖的原理、應用和制作

葉翔宇

廈門大學嘉庚學院設計與創意學院,福建廈門 363123

1 引言

接觸過三維渲染的影視后期工作者對高動態范圍(High Dynamic Range,HDR)環境貼圖都不會陌生。《終結者2:審判日》是最早使用HDR 環境貼圖的電影之一(圖1),片中的反派T1000有著全金屬的外形,與終結者可以借助模型不同,他還要像液體一樣變形,這必須要使用電腦特效才能完成,而在這之前從來沒有人嘗試如此高反射物體的后期合成,如何使其融入實拍場景是一大難題。導演詹姆斯·卡梅隆使用背景板上的圖像拼湊出了一張能夠賦予T1000反射信息的貼圖,成功地克服了這一難題。這部影片也大獲成功,拿下了第64屆奧斯卡金像獎最佳視覺效果獎。

圖1 《終結者2:審判日》中經典形象T1000

如今HDR 環境貼圖的技術已十分成熟,使用它可以快速地為三維場景賦予一個真實的光照環境,即使制作的并不是寫實風格的渲染,這也是得到一個初始的畫面一種很便捷的方式,方便渲染合成師繼續深入刻畫細節。含有三維特效的影視制作幾乎都離不開HDR 環境貼圖,更深層地理解它研究它,有助于進一步提升影視特效制作。

2 HDR環境貼圖的含義

2.1 高動態范圍(High Dynamic Range,HDR)

相信即使沒有接觸過三維渲染的人,在使用智能手機拍照時也使用過HDR 的選項,手機攝影的HDR 和三維軟件所使用的HDR 并不完全相同,但是也有一定的關系,在此可以簡單分析數碼攝影的HDR 來理解其中的概念。

在使用相機拍攝亮度對比強烈的風景照時,比如帶有天空的景色,往往會遇到一個問題:畫面中最亮的云朵部分已經過曝失去了細節,而畫面中最暗的前景部分卻因為太暗而失去細節 (圖2 (a))。在專業攝影時,這種問題的解決方法有以下幾種:第一可以整體降低曝光,保證天空包含細節,然后用閃光燈、反光板等設備為前景補光,這種方式在人像攝影時被廣泛使用,但是遠處的山、建筑等物體是很難用人為補光的方式來照亮。第二可以使用偏振鏡等濾鏡的方式過濾部分天空的光來保證天空的細節。第三就是拍攝RAW 格式①后修圖。

隨著數碼攝影技術的發展,很多手機和數碼相機有了HDR 的功能,從而一定程度解決了以上問題。HDR 功能可以讓相機拍照時同時分析出多張不同曝光度的照片,然后把曝光度低的信息運用到畫面過亮的部分,把曝光高的部分運用到畫面暗的部分[1],從而得到圖2 (b)效果。

圖2 HDR 效果處理前后照片對比

普通圖片格式使用的是八色位 (8 bit)的圖像信息,即紅、綠、藍的亮度值范圍為0～1,0代表全黑,1代表全白,八色位圖片可以把每個通道0～1的范圍分別細分為28即256個不同的色彩信息;而高動態范圍格式可以包含32 bit的信息,其能包含的細節程度相比8 bit圖片可以說是天文數字。此外高動態范圍格式還可以記錄超過1 (即純白)的信息,這個功能在記錄太陽、燈泡等高亮度光源時十分重要,因為相對于在畫面中呈現接近亮度值為1的白色的一些非光源物體來說,這些光源的亮度值有時會遠高于1[2]。

2.2 環境貼圖(Environment Map,EM)

三維軟件使用環境貼圖的方法是把它映射到一個無限大的球體上面,然后讓這個球體籠罩整個三維場景,從而達到影響光照的目的。我們都知道,地圖是地球投射到平面上形成的,球體投影成平面會有投影誤差,表現為地圖赤道上的土地比例會小于正常比例,而兩極在地圖上看起來往往比真實世界要大很多[3]。同樣,環境貼圖也需要經過特殊處理后形成一張可以投射為球體的狀態,保證投射后的比例是正常的。

3 HDR環境貼圖在三維軟件的應用

3.1 三維軟件中使用效果

HDR 環境貼圖在三維軟件中的使用方式十分簡單,以阿諾德渲染器為例,在場景中新建一個阿諾德天空,在顏色中加載HDR 環境貼圖即可,隨后可在強度欄中調節其亮度。圖3 是筆者分別使用HDR 格式和JPG 格式作為環境貼圖來為場景照明,并使用不同的曝光強度得到的渲染結果。通過觀察這些圖片能更直觀地理解HDR 環境貼圖可以為渲染帶來什么幫助。

圖3 分別使用HDR 和JPG 格式作為環境貼圖得到的渲染結果

首先,無論是使用HDR 格式還是JPG 格式,都對場景形成了照明,在觀察金屬球對環境的反射的時候,可以發現場景反射在球體上的比例都是正確的,因為照片已經經過特殊處理,使它映射在阿諾德天空的球體上之后比例是正確的,這是 “環境貼圖”的前提條件。

其次,當我們觀察小球的陰影時,能發現HDR格式產生的光照投射出了更銳利的陰影,而JPG 格式則投射了更柔和的陰影。通過觀察金屬小球上的太陽反射可以知道,這是一個艷陽高照的晴天環境,所以銳利的陰影是更接近于真實的。形成這個區別的原因是JPG 格式只能儲存0～1的亮度信息,它記錄了太陽是白色的,所以亮度是1,這與場景中其他物體的亮度并沒有明顯差距,光照比較平均所以形成了柔和的陰影。而HDR 格式記錄了太陽亮度是遠超過1的[4],比場景中其他物體亮很多,于是形成了更真實的銳利陰影。

再次,仔細觀察太陽在金屬球上的反射時可以發現,HDR 格式產生的光照在降低曝光強度時,太陽的細節仍然可以呈現出來。而JPG 格式生成的光照在降低曝光度時,太陽整體變暗而失去了細節。這種現象的原理和上一段落是類似的:當JPG 格式記錄了太陽和太陽周圍一圈光暈都已經觸及了1的亮度上限,所以當降低亮度時,亮度仍然會相同。而這張HDR 格式的貼圖記錄了光暈的亮度是3,越靠近太陽中心強度越高,最高達到了上千的亮度。所以當我們降低其亮度的時候,太陽的亮度可以等比例下降,所以在金屬球上留下的反射則有了層級變化的細節。

最后,這張JPG 格式的圖片也是通過類似相機HDR 功能處理后的效果,如果不經過多次曝光拍攝后處理,很難得到直拍太陽的同時還能看清逆光場景中的物體,也不會在金屬球的反射中看清這些物體。

3.2 使用中的部分注意事項

通過比較能發現HDR 環境貼圖為我們的渲染帶來了真實性,細節的豐富性以及操作的便捷性都是其他方式很難做到的,但使用這種方式同樣也會有一些缺點和可能遇到的問題。

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第一,HDR 環境貼圖能帶來真實的光照和反射,所以當我們想要制作卡通風格的渲染或三維場景并不需要匹配貼圖中的環境時,要十分注意場景中的高反射物體,也許不正確的反射信息會讓你的畫面“穿幫”。另外這種情況下光照也需要進行調整,尤其是光源的方向和角度往往是讓光照契合的關鍵。

第二,HDR 環境貼圖需要映射在一個無限大的球形上面,而真實環境中物體距離相機是不同的,當物體距離相機很遠的時候出現問題的幾率會比較小,但是當需要物體接受近處物體的反射時會出現一些問題。圖4是筆者曾做過的一個合成項目,需要把一個高反射的飛船合成到實拍背景中,載入HDR 環境貼圖后,飛船的窗戶上已經有了真實反射,但是由于貼圖上地面信息已經被貼到了無限遠的球面上,不能直接得到地面給予飛船的反射。解決方法是如圖4右邊所示,新建一個平面并貼上了一張和場景地面一樣的地磚貼圖,然后放在飛船下方對應的位置,這樣就能保證飛船接收正確的方位反射信息,最后關閉平面的渲染可見性讓其僅影響反射。

圖4 使用HDR 環境貼圖制作影視合成

第三,當照明半封閉的室內場景時,如果只是有比較小面積的門窗可以讓外部的光照照進來的話,建議不要使用HDR 環境貼圖,因為渲染器在計算這種室內多次反彈同時還要運用HDR 環境貼圖的情況時會表現得比較低效,雖然現在已經有部分渲染器加入了大門模式 (Portal Mode)來增加渲染速度,但是對于小面積的光照來說這仍然不是經濟的方式。

4 HDR環境貼圖的拍攝和制作方式

想要三維物體完美地融入場景中,使用現成的HDR 環境貼圖有時不能達到理想的效果,往往需要在影片實拍地現場拍攝。制作HDR 環境貼圖的方式有很多種,隨著新技術的發展,將有越來越多新方法被運用,本章節將介紹幾種較常見方式。

4.1 鏡面球方式

工業光魔 (ILM)在1996 年拍攝 《星際迷航8:第一次接觸》時第一次使用了這個方式。需要準備一臺相機、一個長焦鏡頭、一個盡可能大的鏡面球、一個用來固定相機的三腳架和一個用來固定鏡面球的三腳架。

首先把鏡面球和相機分別固定在兩個三腳架上,把相機放在遠離球面的地方用長焦距拍攝鏡面球,盡量讓鏡面球充滿畫面,這樣做可以盡量少地讓相機或拍攝者反射在球面上。然后使用不同的曝光度拍攝一組照片,拍攝數量和曝光度并沒有一個固定的數值,建議最少拍攝5張曝光度從-2到+2的照片,如果想得到更加精細的結果或拍攝場景的明暗差很大的話,建議拍攝更多照片涵蓋更廣的曝光度[5]。用這種方式在鏡面球距離相同的三個不同角度拍攝三組照片,涵蓋整個球體(圖5)。

圖5 《星球大戰》使用鏡面球拍攝HDR 環境貼圖

拍攝完成后打開Photoshop,在文件-自動-合并到HDR PRO 窗口中載入一組圖片,經過一段時間的處理后這些圖片將被合成為一張32 bit的圖片。隨后把圖片裁剪成正方形,僅保留鏡面球的范圍,最后用一款叫做HDR Shop的軟件把裁剪好的3張圖片轉換成環境貼圖。

這種方法優點是制作速度尚可,缺點是需要的設備較多,且最終得到的圖片分辨率偏低。

4.2 相機直拍法

同樣是比較傳統的方式,但是能取得更好效果。首先要準備一部相機、一個廣角鏡頭、一個三腳架和一個360度全景云臺。

拍攝者要做的是要讓相機朝四面八方拍攝足夠的相片來涵蓋360度的全景,這就是為什么需要廣角鏡頭。理論上中等焦距的鏡頭也是可以實現的,但是這樣需要拍攝大量的照片才能實現,而如果使用廣角鏡頭的話可以拍攝更少的照片來節省拍攝時間。例如,行業內經常會使用8mm 的魚眼鏡頭來拍攝,這種鏡頭可以覆蓋大概180度的視角,為了保證準確并減少畸變,大約只需要拍攝6張照片就能覆蓋360度全景的范圍。

另外拍攝時注意相機要圍繞它的拍攝節點(Nodal Point)來旋轉,這樣能避免旋轉時軸心不居中而形成的錯位。而相機的節點一般是處于鏡頭中的某一個點,此時就需要用到360 度全景云臺,比如行業內最流行的有Nodal Ninja云臺。通過計算相機和其鏡頭的節點位置,然后通過云臺的刻度固定在相應位置,如圖6所示。在拍攝階段,注意每個機位同樣要拍攝至少5張不同曝光度的照片,然后旋轉相機繼續拍攝,直到照片可以涵蓋全景。

圖6 使用全景云臺固定相機并環繞拍攝

拍攝完成之后需要使用軟件把這些照片拼接成全景貼圖,目前這方面較成熟的軟件叫做PTGui,把這些照片導入PTGui即可快速計算出HDR 環境貼圖。

這種方式是目前影視業使用廣泛的方法,原因是能得到最好的效果,使用專業的單反相機拍攝多張照片能獲得清晰、高像素且準確的貼圖。而缺點就是制作方式繁瑣,且成本比較高,即使你是一名攝影愛好者,已經擁有了相機、鏡頭和三腳架,全景云臺的價格也是同樣不菲,此外還需要為PTGui軟件支付一筆費用。

4.3 360度全景相機拍攝

隨著近年來VR 技術的發展,360度全景相機技術越來越成熟,這也為行業帶來了第三種制作HDR 環境貼圖的方法。相對于前面講到的兩種傳統方式,這種方式更簡單。

首先需要一個全景相機,目前的專業品牌有Theta,以及一臺三腳架。把全景相機固定到三腳架上,只需要一次拍攝,相機的前后兩個快門會同時摁下,系統會自動計算拍攝下的兩張照片拼接成一張全景照片。同樣需要拍攝多張照片來獲得不同的曝光度,然后使用Photoshop的合并到HDR PRO功能合成。

這種方式得到的效果雖然不如相機直拍的效果好,但是考慮到花費的時間成本較低,也是一個很好的選擇。這種方式同樣需要一定的成本,廉價的全景相機所能調整的曝光度、光圈等數值很有限,成像效果也很一般,而專業的全景相機也是價值不菲的,但可以有更好的拍攝效果,且支持一鍵拍攝多張無損照片。

4.4 使用智能手機制作

成本最低、最便捷的拍攝HDR 環境貼圖方式只需要一部智能手機和一臺三腳架就可以完成。在手機上下載HDReye,把手機固定在三腳架上,根據軟件提示環繞拍攝51 張照片,直到覆蓋全景范圍,每次拍攝軟件會自動記錄五張不同曝光度的信息。完成后軟件將自動計算并把結果發送到你的郵箱中。考慮到金錢和時間成本,這種方式得到的效果令人十分滿意。

以上四種方式都是拍攝真實HDR 環境貼圖的方式,此外還可以使用電腦軟件足不出戶完成制作。例如一款叫做HDR Light Studio的軟件可以模擬出影棚中的燈光環境,可以根據需要自由地添加光照,并在預覽窗口看到實時的渲染參考,自定義完成后可以輸出為HDR 格式。當不需要很真實或特定環境的光照和反射時,這是一種可以考慮的方式。

另外,現在大多數渲染器已經支持渲染出360度全景圖片了,如果已經有了一個不錯的三維場景渲染效果,可以直接渲染出全景圖片,保存為EXR格式,也同樣可以把它用作HDR 環境貼圖。

5 結論

本篇文章介紹了HDR 環境貼圖的工作原理、使用方法、注意事項和幾種不同的制作手段,影視后期工作者可根據具體項目需求進行制作和運用。HDR 環境貼圖在影視后期和三維動畫中都是必不可少的工具,合理地運用將會大幅提升設計師的工作效率和影視動畫的效果,在某些特殊項目中,根據自己的需求制作HDR 環境貼圖能讓作品細節更上一個臺階。HDR 環境貼圖的技術已經趨于成熟,隨著虛擬制片技術給行業帶來的革命,未來會繼續向更高的自定義性和可調節性發展,影視后期技術的快速發展將會造福影視工作者和觀眾。

注釋

①RAW 格式也能儲存比普通圖片格式更多的信息,但因為只進行了一次曝光,并不能像HDR 一樣儲存高動態范圍的信息。不同的設備儲存RAW 格式時保存的文件后綴會不同。