无序的真实

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作者简介：Bill Fleming是美国资深3D艺术家，Komodo Studio的领头人。Komodo Studio是业界在创建照片真实的电影广播级3D生物和角色领域中的佼佼者。Bill本人也是很多3D书籍的作者，其中包括由Charles River Media， Inc.出版的“The 3D Creature Workshop”。同时他也是数本杂志的知名专栏作家，包括Animation World，Visual Magic和Keyframe。同时他还是Serious 3D的主编。Serious 3D是一本致力于专业级3D制作教程的杂志，本文就是Bill Fleming为Serious 3D撰写的一篇文章。

怎样使得一幅CG照片般真实？可能有上千个元素可以增加图象的真实性，但总结起来有10条，我把它们称之为“照片真实3D的十大原理则。它们正是确保图象照片般真实的基本底线。

照片真实3D的十大原则：
1. 混乱和无序
2. 个性和期望
3. 可信度
4. 表面材质
5. 镜面反射
6. 污垢、灰尘和锈迹
7. 裂痕和刮擦
8. 斜角边缘
9. 物体材质深度
10. 散射率

你所要做的全部事就是把你的图象同这十条原则比较，如果满足其中的八项以上的话就可以把你的作品称之为照片真实3D。举个例子，一个刚出厂的崭新物品不需要第6和第7条原理，但仍旧要满足第8条原理。 在开始之前我们首先要了解图象背后的创作背景，这一点很重要，这有助于我们理解照片真实3D原理应用的理由和方式。




Dwellers是一部目前Komodo Studios，一个位于南加州的动画工作室，正在制作中的一部3D动画影片。这是一部关于一名名叫Papagaio的老玩具工匠制造出具有感知思维能力的机器生物的故事。Papagaio在他的地下室里制造出了了第一个Dweller——Gizmo。我们长话短说：Papagaio用废品和新旧物品的零部件组装出了Gizmo。Dweller都是用现实世界的零件组装而成。这有助于建立它们的照片真实可信度，同样也有助于我们决定如何建模和确定表面属性，当然机械动态另当别论。

图1展示了Gizmo在Papagaio的工作台上初诞生时的情形。整个场景发生在午夜1点的地下室内。Papagaio不希望任何人发现Dweller的存在，所以他仅用一个工作灯照亮他的工作台。他刚给Gizmo加上线路版，也就是Gizmo的大脑。这个场景捕捉了Gizmo苏醒时的瞬间。

现在你对场景的故事背景有了大概的了解，那么就让我们来看一下那十个照片真实原则是怎样应用于这幅Dweller的图象。
    图1 Gizmo诞生的瞬间




原则1：混乱和无序

本原则远比应用真实图象作为表面材质来得重要。你呈现一个场景的方式对照片真实有着巨大影响。例如，一张桌子和一些全部旋转90度和离开桌子距离完全相等的椅子看上去就会很数字化。即使材质相当真实，这个场景仍旧看上去象芭比的梦中小屋。所以为你的3D图象增加一些混乱和无序会给整个场景带来真实感。

混乱是现实最明显的痕迹。大部分3D图象的通病就是缺乏混乱：每一样东西都被整齐地安排放置。我不知道你的世界，但我所生活的世界完全处于混乱之中。看看你的家和办公室。你看到了什么？呵，如果如同我的工作室一样的话，那么你会看见成堆的参考资料、纸、磁碟、ZIP和许多小摆设，瞧，完全的混乱。

现实是纯粹的无序。无序并不意味着所有东西都被毫无头绪地安排。无序中也用秩序。无序意味着场景中的元素不能被精确地对齐。你可以通过把乳酪排放在搁板上来创造秩序，但无序又会使它们各个稍稍旋转不相同的角度，没有一块会中规中矩。现实中没有完全的统一，但因为某些理由，我们的3D上色图象公然藐视现实，一个个元素都整洁划一地安放着。事实上，原因很简单，3D程序提供我们数不清的用来工程规划的工具。我们是如此地沉浸在这种工程式的环境中，以至于我们感到连我们的思维都被迫变得线性。3D工程的僵化是一个很容易染上的毛病。你必需打破3D的工程式束缚，去体验创造性地舒展手脚的感觉。力图把打破物体对齐排列作为一种习惯。我并不是要完全打破，因为那样无序就太多了，只要稍稍偏离对齐即可。试试吧，你将会发现这会给你的3D场景带来大不一样的感觉。

现在让我们来看看混乱和无序的原则是怎样应用于图1的。仔细观察，你会发现那儿有着丰富的混乱。这是一个工作台，我从来没有见过一个整洁的工作台，特别是使用中的。那里有螺帽、螺钉和螺丝四下分散。但在整齐地排列于墙架上的工具中我们仍能找到秩序的存在。把秩序和混乱结合起来是不会错的。注意一下场景中的潜在无序：两个电池中的一个已经倒下，照相机的盒子稍稍离开了墙根，尖嘴钳打开着，红色的电线盘绕得并不整齐。最佳的无序应用当属那把正在烧焦桌子的电烙铁。当然我不是推荐你在工作台上做同样的事情。

原则2：个性和期望

个性同照片真实3D有什么关系？全都有关系！记住：人们创造了他们的环境。在这个世界上不存在能够躲过人类改造力的避难所。所以，几乎所有的3D场景都有着人类介入的元素。当然我们所谓的人类并非仅仅是我们，也可以是动物、异形甚至是昆虫。每一个生物都有通过它们的环境反映出来的截然个性。它们有处事的独特方法。它们都有着明确的方式来构筑自己的环境，无论是阴暗潮湿、整齐还是完全无序。你必需花一些时间来探究你场景中的生物。即使你的场景中没有角色出现，但它仍旧是某人某物创造的。你要了解它们的个性以恰当地构建一个照片真实的场景。

期望是照片真实的一大部分

在你探究你的场景创建者的个性同时考虑一下观看者的期望也很重要。对于每一件事每一个人我们都有我们的世俗观念。但世俗观念并非总是吹捧，它们可以提供最佳方针以供你创建你的场景。世俗观念并不能限制你的创造力，相反它们提供了你作为照片真实中必需认识的问题指南。 例如，我们认为智能角色是整洁的，低智能的生物则是邋遢的，这可能在某些情况下并不对。但是我们创建一个由智能角色建造的场景时仍旧把目标放在整洁上，并期望以此获得观看者的认同。另一例子就是智能角色的外观。你如何创建一个科学家？好莱坞已经为我们定下了标准：我们都相信一个科学家必然皱皮、乏味的家伙，他带着眼镜穿着带护袋的外套。我们同时也程序化地相信一个肌肉发达的大块头既笨又脏。如果你期望场景的可信度那么你就不能逃脱世俗观念。否则的话即使你的图象完全真实，在观看者的脑海中总有一些疑问，因为他们有着自己的期望。经历了数百万年的进化斗争，我们每一个人都变得相似而同一——即使是3D艺术家。

让我们看看能不能从工作台的场景中提取出Papagaio的个性。看一下图1，马上你就会看到他整洁的一面，因为墙上整齐细致地摆放着工具。这告诉我们他注重他的工具和工作空间。你可以看到工具上时间留下的痕迹，但它们仍然完好。工作台表面很脏但没有很多例如油漆痕迹或是凿痕的破坏迹象。就是电线也整齐盘绕。这些都是他的个性的潜在表达。我们可以假定Papagio是一个相当智慧的人，他创造了能够感知思考的人工生命形式。所以，以世俗的观点来看，他是一个整洁的人。但因为他是一个发明家，当他工作时他的工作空间是杂乱的，但完成工作后他会马上清理。我们还可以假设他作为一名发明家，一定会有参考书堆放在工作台上，这说明了图象中书的由来。

你现在可以看到这个场景是如何基于Papagaio的个性来增加可信度的。在头脑中始终记住角色对于环境的影响是很重要的一点，同时这也很有趣。 观看者的期望 进入观看者的头脑中去了解他们对于图象的期望也很重要。我们对于特定的场景和环境有着特定的期望。例如：我们希望一个工业工厂是灰暗和肮脏的；一个电影院满是爆米花和空杯子；太空船满是油腻；怪物是丑陋的和长着大牙；恐龙是泥土色的。

我们已用我们的经验对自然作出假设。媒体在定义我们的期望中扮演了一个主要角色。你上一次在媒体上看到一个一尘不染的工厂是几时？可能从来没有，但事实上很多的工厂是极为干净的。然而当我向你展示一幅一尘不染的工厂图象时，你会说这不象真的，因为一点儿也不脏。一个工厂怎么能毫不杂乱地运行呢？我们不能接受，因为媒体教我们这样的工厂是不存在的。

这里是我们自己建立的期望的又一个良好典型：如果我展示一幅色彩亮丽的恐龙图象，你会说这是人造的，尽管事实是恐龙确实绚丽多彩。因为它们的个头和皮肤材质，我们乐于将其同今天的巨兽——象比较。但这些是厚皮类动物——厚皮类没有彩色皮肤。但这种皮肤对于恐龙是毫无意义的，因为恐龙是类爬虫类，而爬虫类的色彩是很鲜艳的，特别是雄性。它们被媒体染上了潜在的色彩，因为我们并不期望它们是彩色的。 这里提出了一个要点：你必需接受人们的期望，尽管这有可能是被误导的。

原则3：可信度

是什么使得3D场景可信？可能最重要的一个方面就是认同感。场景中的物体和表面必需是可被认同的，进而成为可信的。它们必需对于观看者时熟悉的。否则它们就没有决定场景照片真实的基础。

有两种可信度：模型和表面。你不必同时具有这两样来使得物体真实。例如：一艘未来太空船并非现实物体，但仍有我们期望的表面，这样物体就变得可信，反之亦然。如果你有一个照片真实的电脑屏幕模型，但涂着迷幻般的色彩，它看起来仍旧可信，因为这是一件我们熟悉的物品。

另一个可信表面的例子就是我们前面已有所提及的恐龙。一个彩色的恐龙不会是令人信服的，即使它有着完全符合生理学的模型，因为我们仅仅不接受色彩。另一方面，一个带有物理设计上小缺陷却是泥土色调的恐龙仍旧令人信服。在极少的情况下我们才会对恐龙的物理结构有所注意。暴龙就是一个我们所期待的恐龙物理结构的最佳典型。媒体已经告诉我们暴龙有着小小的前臂，任何对这种结构的偏离将会导致可信度的下降。我们不会卖一个有着大前臂的暴龙的帐，即使表面极为可信。




让我们看看图1，是什么使得图象可信？其实有很多东西。首先也是最重要的就是场景全部由真实世界的物体构成。大部分物体对于我们来说都是可认知的，特别是工具。它们为可信度垒起了坚实的基础。那本书也是可信度的一大要素，因为它很容易被接受为现实世界的物体。所有这些都为场景增加了可信度，特别是电池。看一下图2，它们是最能够被认同的物体（劲量电池）。象这种有助于场景全局的物体，也就是关键照片真实物体我们称之为物体锚定点。

让观看者认同你的图象为照片真实的最佳方法就是使用物体锚定点。一个物体锚定点就是一个有着无可置疑的照片真实属性的可认知物体。通常是一些简单的物品，有着真实世界的材质。它可以简单到使用扫描图象材质的盒子或是一本有着常见封面的书。 还有，一定要严格区分可认知照片真实物体和看上去真实物体。例如，一把椅子就不是一个物体锚定点，因为它不能被马上认知。我们知道这是一把椅子，但我们可能从来没有看见过场景中的这把特定的椅子。在它真实的同时，却不是可认知的真实。类似家具的物体不是好的物体锚定点，因为它们的风格多变。一个有效的物体锚定点必需给人细节上的熟悉感觉。它必需是我们日常生活中常见的物品。食品盒就是一个极佳的物体锚定点，特别当材质是从一个真实的盒子上扫描下来的时候。谁没有看见过一个麦片盒子？（在中国或许得换成方便面盒子）这个麦片盒子构筑了一个坚固的物体锚定点。
    图2 劲量电池，很熟悉吧




将物体锚定点的材质定位于观看者期待的范围内的做法也是很重要的。这意味着物体的外貌不能太离谱，否则就失去了照片真实感。以麦片盒为例，生产商的名字在盒子顶上，其下是产品名，再往下是一幅麦片的图片。在边上是营养表，另一边是保质期、生产批号，底下则是食用方法。如果你大幅改动这些设计就会严重影响到物体的可信度。

另一个上佳的物体锚定点就是电池。所有的电池基本上都形状相同。因为它们是都是常见的物品，所以对观看者来说材质的设计就有着较大的弹性。图1就使用了很好地使用了电池来建立可信度。

仔细观察一下图2中的电池。物体的材质同现实物体匹配的如此之好，以至于你根本不能找出两者之间的区别。在图象中加入这样的一个物体能够起到一个增强观看者真实感的杠杆作用。局部的真实感会扩展到整体图象的真实感。这对于照片真实的场景大有益处，所以物体锚定点是每一个照片真实场景的关键部分。

虽然物体锚定点对于图象的可信度至关重要，但是它不一定就是场景的主焦点。图1中的电池只是一个很小的元素。而Gizmo机器人才是场景的主焦点。电池只是用来锚地图象的照片真实和为幻想机器人增加可信度。事实上图象中有着数个锚定点。书、相机盒子都是相当强的物体锚定点。书和物品的包装都是我们熟悉的东西，是用来充当锚定点的理想物体。这就牵涉到了可信度的另一个方面：物体熟悉度。

使用熟悉的物品使得幻想物体照片真实

熟悉物品在场景的照片真实中扮演着极为重要的角色。熟悉物体同锚定点有一点差异。锚定点是用来充当场景照片真实的基石，而熟悉物体则是使得幻想物体变得真实。举个例子，为了使一辆未来的飞行车看上去真实，我们为它加上熟悉的部件：车头灯、运转灯、方向灯、防撞栏、刮雨器和后视镜等等。这些都是用来增加可信度的熟悉物体。Gizmo也是一个集成了熟悉物体的幻想物体理想典型。




看一下图3，虽然Gizmo不是一个真实世界物体，它是由我们很熟悉的真实世界的零件组成。你可以马上认出它的右臂是瑞士军刀，还有它背上的喇叭也是相当熟悉的。如果你仔细观察就会发现它的足是电话听筒喇叭。当然，它的身体是一个油罐——罐子上写着呢。虽然Gizmo完全是相像的产物，但所有的这些现实物体使得它可信。

当你在构建你的幻想物体时，应该花一番心思考虑如何加入熟悉物体到你的物体中。总有这种情况：你的幻想物体太过复杂或是处于极为古老的环境，这时你应该把注意力集中在可信的表面上。

原则4：表面材质

所有真实世界的物体都有表面材质。在这里我们不要把这个“材质”同那个在3D领域那广泛使用的术语“材质”相混淆。材质并不是意味着物体的色调，而是我们所能感受到的表面属性。所有的物体包括平滑的物体都有一定形式的表面材质。

对于3D物体的表面材质来说一个常见的问题就是它们总是太为平滑。我们常常能够看到抛光的木质表面如同镜子般的平滑，这是不真实的。清漆会随着木质表面的纹理而产生相应的变化，所以涂有清漆的表面都会有一定的变化。想要获得完全平滑的清漆表面的唯一方法就是在木质表面涂上数层漆，然后打光最后一层。我们并不使用这种方法，除非为了一张木桌子你愿意抵押你的房子。
  
  图3 由零件装配起来的Gizmo





可以假设这种木头是人造三夹板，但没有人愿意在他的场景中使用人造木头。你可以尝试不断地抛光木头，但这样效果并不好。木头有着天然的纹理，为了彻底去除表面材质，你必需抛光所有的木头，但这并非一个好的解决方法。记住：当你不能感觉到一种材质时并不意味着它就不存在。可能这种材质太为细微而不能感觉到，但是它肯定会在物体的镜面反射中表现出来，特别是动画物体。

另一个抛光木质表面的特性就是由清漆本身造成的微小凹凸。当清漆干燥时，在表面下有许多的微小气泡。你从任何距离都看不见这些气泡，但是如果你计划在一个清漆表面的桌子上对一个物体取近景的话，你必需加入清漆凹凸。再说一遍：你不会看到凹凸，但你会看到其对木头的镜面反射和反射率造成的视觉影响。

看一下图1，我们可以看到靠墙的扳手表面上有着一些轻微的凹凸贴图。工具主要是由铬合金制成。通常铬合金在常用表面上会变得粗糙一些。还有很多的铬合金的表面被赋予了一种不同的凹凸材质，这种材质常常用于在照片真实图象内出现的工具上。在灯颈上还有一个非常微小的凹凸贴图，这个材质在静帧内确实不明显，但当灯颈动画运动时就相当的显眼。它同时影响了镜面反射和反射率。当然在木头上也有微小的材质存在，你必需仔细看，在木头大纹理之间有一些细线，这就是我们所说的感觉不到但近看看得到的细微材质。这些材质在较远的取景内并非必需，但在近景就是重要的组成部分。

我知道我以上引为例子的木头并非唯一需要凹凸贴图的材质。事实上，你必需为你场景内所有的照片真实物体加上凹凸贴图。特别是象塑料、橡胶、金属、织物甚至纸张等表面。看看你桌子上的任何多媒体部件，你可以注意到塑料在表面有着一些轻微的粗糙。如果你不把这种材质集成到该物体的3D上色版本内的话，它就看上去不真实。即使平滑的塑料物体也有一些微小的表面扭曲，并且会影响到它们的镜面反射。镜面反射是表面真实的一个关键原素，同时它也是我们的第五个原则

原则5：镜面反射（Specularity）

简单地讲，镜面反射是光源在物体表面上的反射，这是人眼用来区别表面亮度和硬度的主要依据。镜面反射是3D照片真实的一个重要方面。我们必需使用镜面反射来摹仿真实世界的表面属性。没有镜面反射，物体就会看上去呆板、柔软和平整。可能这对于衣物相当适用，但在塑料和金属就行不通。镜面反射和表面材质共同协作来模拟真实世界的材质。举个例子：塑料有一个粗糙表面，当我们应用了镜面反射，它在凹凸贴图上加上了镜面高光，这意味着两件事：一是赋予表面凹凸以3D感觉，二是提供你物体硬度的视觉参考。

让我们以图1为例，注意在灯颈的每一个节段上的边缘都有着一个柔和的白色亮点。这种柔和的镜面高光在照片真实的物体上十分的常见。灯颈由镀铬铝制成，同所有的金属一样，它有一个较低的镜面反射水平。柔和的镜面高光有助于人眼将物体确认为金属。

在灯颈看到一个月牙钳的头部。你可以看到在其圆形部件的边缘有一些很微小的镜面高光。这个扳手有着比灯颈更为低的镜面反射水平，因为它们的金属材质不同。扳手由铬合金制成，镜面水平较低并且表面较为粗糙。较低的镜面水平将高光沿着物体表面沿展开，并同时被粗糙的表面柔化。

看看灯颈左侧的扳手它也是由铬合金制成，所以镜面高光沿着表面展开。整个扳手的头部都被柔和高光覆盖，因为这是一个同光源平行的平整表面。这就是一个表面材质用来维护物体表面属性的实例。没有表面材质，表面将会被高光完全覆盖，掩盖了表面属性。高光被表面材质打破，使得物体表面的完整性予以保留。

当镜面反射对于模拟许多真实世界表面极为重要时，有可能会出现我们不希望物体的某个部分出现高光。例如：金属的腐蚀部分。腐蚀金属表面通常没有镜面高光。但是你还是得使金属除腐蚀区域外的其它部分出现镜面高光。我们可以使用镜面反射贴图（Specularity Map，一种用来决定镜面反射水平的α通道贴图——云之君）达到目的。但是有时腐蚀部分仍会由于潮湿或是水迹而出现高光。所以合理地使用镜面反射对环境认同有着重要的作用。前面我们提到了腐蚀，那么现在让我们看看原则6：

原则6：污垢、灰尘和锈迹

污垢、灰尘和锈迹是物体表面一个很重要的方面，用通常的词汇来讲就是“老化”。现实中很少有完全清洁的表面，看看你的周围，几乎所有的物体都覆盖着灰尘。如果家里有个小孩的话，那么墙壁上就会有手印，地毯上会有污迹。我敢打赌在你桌面上的玻璃肯定有划痕，在墙角有蜘蛛网。如果你有黄铜、铜或银制品，那么它们很可能已经失去了光泽。我从来没有看到过一个屏幕上没有一层灰尘的电视机，显象管的静电是灰尘的最爱。在电视机开着的时候你看不见，但是关了的时候就很明显。

这并不是我们懒惰不打扫我们的屋子，这只是现实世界生活的一个方面。灰尘到处都有，我们无法逃脱，除非我们住在一个塑料泡泡内。可是每一个3D场景看起来都像清洁先生光顾后的一瞬间的精确捕捉。清洁无污的场景并不自然，它可能看起来很棒，但却不真实。所以给你的场景加上老化（Aging，一般指物体经使用后留下的痕迹，包括自然和人为的——云之君）是十分重要的。老化的程度取决于场景的背景情况。如果你是创建一个工厂的场景，那么场景内的每一个物体都要蒙上一层灰尘；如果是医院手术室，那么你可以通过建造一个无污的场景来达到目的。你考虑物体表面时必需把环境包括进去。

让我们再看看图1中的工作台，并且注意一下在哪里加上了老化。还记得我们讨论过的Papagaio的个性吗？他是一个聪明的发明家，这使得他有一种带有杂乱倾向的整洁。他的个性在场景表面上体现出来。注意工作台上覆盖着烧灼的痕迹和污迹。即使清洁有如Papagaio，完全不弄脏工作台仍是不可能的事。注意：工作台上并没有较大的污点，只是一些小的痕迹，这是Papagaio个性的反映。




看一下图5，这是Gizmo油罐身体的近景，你会注意到罐子的顶部覆盖着灰尘和铁锈。这是场景中一个十分重要的元素。这说明了场景中的其它部分上灰尘的来历。我们假设Papagaio专注于Gizmo的工作有一段时间?

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