真实物理世界中的光影解析.docx

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真实物理世界中的光影解析

真实物理世界中的光影解析

第1章真实物理世界中的光影解析

本章学习要点：

物理世界中光影的基本关系

在物理世界中，随时间和天气的不同，光影关系的变化

室内光和人造光的区别和用途

通过对光影的认识，掌握制作写实风格效果图的依据

1.1绪论

随着计算机硬件和软件的发展，效果图表现行业有了新的发展趋势：

通过写实的表现手法来真实地体现设计师的设计理念，这样就能更好地辅助设计师的设计工作，从而让表现和设计达到完美的统一。

要通过写实手法来表现出效果图的真实，就必须找到一个能体现效果图真实的依据，而这个依据就是真实生活中的物理环境，只有多观察真实生活中的真实物体的本样，才有可能做出照片级的效果。

而很多3D教程却对真实物理世界中的光影一带而过，这样让很多初学者盲目地学习软件的操作技术，而丢掉了这个很重要的依据，结果连自己也不知道该怎么去表现效果。

摄影师对光影就有很好的理解，如果他们没有很好地理解光影，就很难拍摄出优秀的作品。

我们做效果图也一样，充分理解基于真实物理世界的光影关系是效果图表现的第一步，本章将带领大家一起去观察和分析真实物理世界中的光影关系！

1.2真实物理世界中的光影关系简介

在这里，我们先通过一个示意图（如图1-1所示）来说明真实物理世界的光影关系，这里表示的是大约下午3点的光影关系，在这里可以看出主要光源是太阳光，在太阳光通过天空到达地面以及被地面反弹出去的这一过程中，就形成了天光，而天光也就成了第二光源。

图1-1真实物理世界的光影关系（下午3点左右）

从图1-1中可以看出，太阳光产生的阴影比较实，而天光产生的阴影比较虚（见球的暗部）。

这是因为太阳光类似于平行光，所以产生的阴影比较实（关于太阳光的阴影的虚实，在后面将通过科学的方法来分析它）；而天光从四面八方照射球体，没有方向性，所以产生了虚而柔和的阴影。

再来看球体的亮部（就是太阳光直接照射的地方），它同时受到了阳光和天光的作用，但是由于阳光的亮度比较大，所以它主要呈现的是阳光的颜色；而暗部没有被阳光照射，只受到了天光的作用，所以它呈现出的是天光的蓝色；在球的底部，由于光线照射到比较绿的草地上，反弹出带绿色的光线，影响到白色球的表面，形成了辐射现象，而呈现出带有草地颜色的绿色。

在球体的暗部，还可以看到阴影有着丰富的灰度变化，这不仅仅是因为天光照射到了暗部，更多的是由于天光和球体之间存在着光线反弹，球和地面的距离以及反弹面积影响着最后暗部的阴影变化。

那在真实物理世界里的阳光的阴影为什么会有点虚边呢？

如图1-2所示的真实物理世界中的阳光的虚边。

图1-2真实物理世界中阳光的虚边

在真实物理世界中，太阳是个很大的球体，但是它离地球很远，所以发出的光到达地球后，都近似与平行光，但是就因为它实际上不是平行光，所以地球上的物体在阳光的照射下会产生虚边，而这个虚边也可以近似地计算出来：

（太阳的半径/太阳到地球的距离）×物体在地球上的投影距离≈0.00465×物体在地球上的投影距离。

从这个计算公式可以得出，一个身高1700mm的人，在太阳照射夹角为45°的时候，他头部产生的阴影虚边大约应该为11mm。

根据这个科学依据，我们就可以使用VRay的球光来模拟真实物理世界中的阳光拉，控制好VRay球光的半径和它到场景的距离就能产生真实物理世界中的真实阴影。

那为什么天光在白天的大多数时间是蓝色，而且在早晨和黄昏又不一样呢

大气本身是无色的，天空的蓝色是大气分子、冰晶、水滴等和阳光共同创作的景象，太阳发出的白光是由紫、青、蓝、绿、黄、橙、红光组成的，它们波长依次增加，当阳光进入大气层时，波长较长的色光（如红光）透射力强，能透过大气射向地面；而波长短的紫、蓝、青色光，碰到大气分子、冰晶、水滴等时，就很容易发生散射现象，被散射了的紫、蓝、青色光布满天空，就使天空呈现出一片蔚蓝，如图1-3所示的蔚蓝天空。

图1-3蔚蓝的天空

而在早晨和黄昏的时候，太阳光穿透大气层到达观察者所经过的路程要比中午的时候长得多，更多的光被散射和反射，所以光线也没有中午的时候明亮。

因为在到达所观察的地方，波长较短的光——蓝色和紫色的光几乎已经散射，只剩下波长较长，穿透力较强的橙色和红色的光，所以随着太阳慢慢升起，天空的颜色是从红色变成橙色的，如图1-4所示的早晨的天空色彩。

图1-4早晨的天空色彩

当落日缓缓消失在地平线以下时，天空的颜色逐渐从橙红色变为蓝色。

即使太阳消失以后，贴近地平线的云层仍然会继续反射着太阳的光芒，由于天空的蓝色和云层反射的红色太阳光融合在一起，所以较高天空中的薄云呈现出红紫色，几分钟后，天空会充满淡淡的蓝色，它的颜色逐渐加深，并向高空延展，如图1-5所示的黄昏天空色彩。

图1-5黄昏的天空色彩

注意观察图1-5，其中的暗部呈现蓝紫色，这是因为蓝、紫光被散射以后，又被另一边的天空反射回来。

接下来了解一下光线反弹，如图1-6所示。

图1-6光线的反弹

当白光照射到物体上时，物体会吸收一部分光线和反弹一部分光线，吸收和反弹的多少取决于物体本身的物理属性。

当遇到白色的物体光线就会全部被反弹，当遇到的黑色的物体光线就会全部被吸收（当然，真实物理世界中是找不到纯白或者纯黑的物体），也就是说反弹光线的多少是由物体表面的亮度决定的。

当白光照射到红色的物体上时，物体反射的光子就是红色（其他光子都被吸收了），当这些光子沿着它的路线照射到其它表面时将是红光，这种现象叫做辐射。

因此相互靠近的物体颜色会因此受到影响。

如图1-6所示，橘红色木头在光线的反弹下，投射出木头的颜色，辐射在地面上。

在使用VRay渲染效果图的时候，我们常会遇到溢色问题，这需要对材质进行处理，相关的内容将在后面的实例中介绍。

1.3自然光

所谓自然光，就是除人造光以外的光。

在我们生活的世界里，主要的自然光就是太阳，它给大自然带来了丰富美丽的变化，让我们看到了日出、日落，感受到了冷暖。

在1.2节中，笔者简单讨论了真实物理世界中的光影关系，接下来将详细探讨不同时刻和天气的光影关系。

1.3.1中午

在一天中，当太阳的照射角度大约为90°左右的时候，这个时刻就是中午，这时的太阳光直射是最强的，对比也是最大的，阴影也比较黑，相比其它时刻，中午的阴影的层次变化也要少一点。

在强烈的光照下，物体的饱和度看起来会比其它时刻低一些，而小的阴影细节变化却不丰富。

笔者主张在真实的基础上来表现更优秀的效果图，所以选择中午时刻来表现效果图并不是不可以，但是相比其它时刻来说，表现力度和画面的层次要弱一些。

从图1-7中可以看出，这是个中午时刻的画面，画面的对比很强烈，暗部阴影比较黑，而变化层次相对较少。

图1-7中午的阳光

1.3.2下午

在这段时间里（大约是14:

30～17:

30），阳光的颜色会慢慢变得暖和一点，而照射的对比度也慢慢地降低，同时饱和度慢慢地增加，天光产生的阴影也随着太阳高度的下降而变得更加丰富。

大体来说，下午的阳光会慢慢地变暖，而暖的色彩和比较柔和的阴影会让我们的眼睛观察起来感到更舒服，特别是在日落前大约1个小时的时间里，这样的现象更加明显，很多摄影师都会抓住这段黄金时刻去拍摄美丽的风景。

色彩的饱和度在这个时刻变得比较高，高光的暖调和暗部的冷调，给我们带来了丰富视觉感受。

选择这个时刻作为效果图的表现时刻，比起中午的时刻要好很多，因为此时不管是色彩还是阴影的细节都要强于中午。

从图1-8可以看到，阳光带点黄色，而暗部的阴影层次比中午时刻要丰富一些；阴影带点蓝色，对比没中午时刻那么强烈。

图1-8下午的阳光

再来看看图1-9，从图中可以看到，阳光的暖色和阴影区域的冷色，色彩的变化相对来说比较丰富。

图1-9下午的阳光

1.3.3日落

在日落这个时刻里，阳光变成了橙色甚至是红色，光线和对比度变得更弱，较弱的阳光就使天光的效果变得更加突出。

所以，阴影色彩变得更深和更冷，同时阴影也变得比较长。

在日落的时候，天空在有云的情况下会变得更加丰富，有时候还会呈现出让人感觉不可思议的美丽景象，这是因为此时的阳光看上去是从云的下面照射的。

从图1-10中可以看到，阳光不是那么强烈，而带黄色的暖调，天光在这个时刻更加突出，暗部的阴影细节很丰富，并且呈现出天光的冷蓝色。

图1-10日落前的阳光

从图1-11看到，这时的太阳快落到地平线以下，阳光的色彩变成了橙色，甚至带点点红色，而阴影也拖得比较长，暗部的阴影呈现出蓝紫色的冷调。

图1-11日落时刻的阳光

1.3.4黄昏

黄昏在一天中是非常特别的，经常给人们带来美丽的景象。

当太阳落山的时候，天空中的主要光源就是天光，而天光的光线比较柔和，它给我们带来了一个柔和的阴影和一个比较低的对比度，同时色彩也变得更加丰富

当发自地平线以下的太阳光被一些山岭或云块阻挡时，天空中就会被分割出一条条的阴影，形成一道道深蓝色的光带，这些光带好像是从地平线下的某一点（即太阳所在的位置）发出，以辐射状指向苍穹，有时还会延伸到太阳相对的天空，呈现出万道霞光的壮丽景象，给只有色阶变化的天空增添一些富有美感的光影线条，人们把这种现象叫做曙暮晖线。

日落之后，当太阳刚刚处在地平线以下时，在高山上面对太阳一侧的山岭和山谷中会呈现出粉红色、玫瑰红或黄色等色调，这种现象叫做染山霞或高山辉。

傍晚时的染山霞比清晨明显，春夏季节又比秋冬季节明显，这种光照让物体的表面看起来像是染上了一层浓浓的黄色或紫红色。

在黄昏的自然环境下，如果有室内的黄色或者橙色的灯光对比，整体的画面会让人感觉到无比的美丽与和谐，所以黄昏时刻的光影关系也比较适合表现效果图。

从图1-12可以看出，此时太阳附近的天空呈现红色，而附近的云呈现蓝紫色，由于太阳已经落山，光线不强，被大气散射产生的天光亮度也随着降低，阴影部分变暗了很多，同时整个画面的饱和度也增加了。

图1-12黄昏时刻

从图1-13中可以看到曙暮晖线，太阳被云层压住，从云的下面照射，给我们呈现出美丽的景象。

图1-13曙暮晖线

1.3.5晚上

在晚上的时候，虽然太阳已经落山，但是天光本身仍然是个光源，只是比较弱而已，它的光主要来源于被大气散射的阳光、月光，还有遥远的星光。

所以大家要注意，晚上的表现效果仍然有天光的存在，只是比较弱。

图1-14表现的是夜幕降临时候的一个画面，由于太阳早已经下山，这时候天光起主要作用，仔细观察屋顶，它们都是呈现蓝色。

图1-14晚上

从图1-15可以看出，整个天光比较弱，呈现蓝紫色，月光明亮而柔和。

图1-15月光

1.3.6阴天

阴天的光线变化多样，这主要取决于云层的厚度和高度。

可能和大家平常的看法有点不一样，其实阴天也能得到一个美丽的画面，在整个天空中就只有一个光源，它是被大气和云层散射的光，所以光线和阴影都比较柔和，对比度比较低，色彩的饱和度比较高。

阴天里的天光的色彩主要取决于太阳的高度（虽然是阴天，但太阳还是躲在云层后面的）。

通过笔者的观察和一些资料分析，笔者个人以为，在太阳高度比较高的情况下，阴天的天光主要是呈现出灰白色，而当太阳的高度比较低，特别是快落山的时候，天光的色彩就发生了变化，这时候的天光呈现蓝色。

从图1-16可以看出阴天的特点，阴影柔和，对比度低，而饱和度高。

图1-16阴天

如图1-17所示，在太阳照射角度比较高的情况下的阴天，整个天光呈现出的是灰白色。

图1-17太阳照射角度比较高的阴天

图1-18所示是太阳照射角度比较低的情况下的阴天，我们可以看到暗部呈现淡淡的蓝色。

图1-18太阳照射角度比较低的阴天

1.4室内光和人造光

室内光和人造光是为了弥补在没太阳光直照的情况，光照不充分而产生的光照，比如阴天和晚上就需要人造光来弥补光照。

同时，人造光也是人们有目的地去创造的，例如一般的家庭照明是为了满足人们的生活需要，而办公室照明则是为了满足人们更好地工作。

随着社会的发展，室内光照也有了它自身的定律，人们把居室照明分为3种，分别是集中式光源、辅助式光源、普照式光源，用它们组合起来营造一个光照气氛，其亮度比例大约为5:

3:

1，其中的“5”是指光亮度最强的集中性光线（比如投射灯），“3”是指给人柔和感觉的辅助式光源；“1”则是提供整个房间最基本照明的光源。

1.4.1窗户采光

窗户采光就是室外天光通过窗户照射到室内的光，窗户采光都是比较柔和的，因为窗户面积比较大（注意，在同等亮度下，光源面积越大，产生的光影越柔和）。

在只有一个小窗口的情况下，虽然光影比较柔和，但是却能产生高对比的光影，这从视觉上来说都是比较有吸引力的。

在大窗口或者多窗口的情况下，这种对比就减弱了。

在不同天气状况下，窗户采光的颜色也是不一样的。

如果在阴天，窗户光将是白色、灰色，或者是谈蓝色；在晴天，又将变成蓝色或者是白色。

窗户光一旦进入室内，它首先照射到窗户附近的地板、墙面和天花上，然后通过它们在反弹到家具上，如果反弹比较强烈，这时候就会产生辐射现象，让整个室内的色彩有丰富的变化。

图1-19展示了小窗户的采光情况，我们可以看到，由于窗户比较小，所以暗部比较暗，整个图的对比相对比较强烈，而光影却比较柔和。

图1-19小窗户的采光

从图1-20可以看到大窗户和小窗户采光的不同，在大窗户的采光环境下，整个画面的对比比较弱，由于窗户进光口大，所以暗部也不是那么的暗。

图1-20大窗户的采光

从图1-21中可以看到，这里的天光略微带点蓝色，这是因为云层的厚薄和阳光的高度不同造成的。

图1-21带蓝色天光的采光

1.4.2住宅钨灯照明

钨灯也就是大家平常看见的白炽灯，它是根据热辐射原理制成的，钨丝达到炽热状态，让电能转化为可见光，钨丝到达500℃时就开始发出可见光，随温度的增加，从“红→橙黄→白”逐渐变化。

人们平时看到的白炽灯的颜色都和灯泡的功率有关，一个15W的灯泡照明看上去很暗，色彩呈现红橙色，而一个200W的灯泡照明看上去就比较亮，色彩呈现黄白色。

通常情况下，白炽灯产生的光影都比较硬，人们为了得到一个柔和的光影，都会通过灯罩来改变白炽灯的光影，让它变得更柔和，比如台灯的灯罩。

从图1-22可以看出，在白炽灯的照明下，高亮的区域呈现接近白色的颜色，随着亮度的衰减，色彩慢慢的变成了红色，最后到黄色。

图1-22白炽灯的照明效果

从图1-23中可以看到，加上灯罩的白炽灯，光影要柔和很多，看上去并不是那么刺眼。

图1-23有灯罩的白炽灯的照明效果

1.4.3餐馆、商店和其他商业照明

和住宅照明不一样，商业照明主要是用于营造一种气氛和心情，设计师会根据不同的目的来营造不同的光照气氛。

餐厅室内照明把气氛的营造放在第一位，凡比较讲究的餐馆，大厅多安装吊灯，无论是用高级水晶灯还是用吸顶灯，都使餐厅感觉高雅和气派，但其造价确实可观。

而大多数中小餐馆均以安装组合日光灯为宜，既经济又耐用，光线柔和适中，使顾客用餐时感到舒适。

有些中档餐厅或快餐厅也有安装节能灯作为吸顶照明的，俗称“满天星”，经验证明这种灯为冷色，其造价不低而且质量较差，使用效果也非最佳，尤其是寒冷的冬季，顾客在此环境下用餐会感到阴冷，而且这种色调的灯光照在菜肴上会失去本色，本来色泽艳丽的菜肴顿时变得灰暗、混浊，难上档次，故节能灯不可取。

另外，室内灯光的明暗强弱也会对就餐顾客有着不同的影响，一般在光线较为昏暗的地方用餐，使人没有精神，并使就餐时间加长；而光线明亮则令人精神大振，使就餐时情绪兴奋，大口咀嚼有助消化和吸收，从而减少用餐时间。

商店照明和其他照明不一样，商店照明为了吸引购物者的注意力，创造合适的环境氛围，大都采用混合照明的方式，大致分类如下：

（1）普通照明，这种照明方式是给一个环境提供基本的空间照明，用来把整个空间照亮。

它要求照明器的匀布性和照明的均匀性。

（2）商品照明，是对货架或货柜上的商品进行照明，保证商品在色、形、质三个方面都有很好的表现。

（3）重点照明，也叫物体照明，它是针对商店的某个重要物品或重要空间的照明。

比如，橱窗的照明应该属于商店的重点照明。

提示：

（2）和（3）这两种照明方式通常提供有方向的、光束比较窄的高亮度的针对对象的照明，采用点式光源并配合投光灯具。

（4）局部照明，这种方式通常是装饰性照明，用来制造特殊的氛围。

（5）作业照明，主要是指对柜台或收银台的照明。

（6）建筑照明，用来勾勒商店所在建筑的轮廓并提供基本的导向，营造热闹的气氛。

图1-24展现了餐馆里的照明效果，给人一种富丽的感觉，促进人们的食欲。

图1-24餐馆里的照明效果

图1-25展示了商店里的照明效果，在吸引购物者的注意力的同时创造合适的环境氛围。

图1-25商店里的照明效果

1.4.4荧光照明

荧光照明主要是为了节约电能而被广泛采用，它的色温通常是绿色，这和我们眼睛看到的有点不同，因为我们眼睛有自动白平衡功能。

荧光照明被广泛地应用在办公室、驻地、公共建筑等地方，因为这些地方需用的电能比较多，所以能更多地节约电能。

荧光灯的主要优点如下：

（1）光源效率高，寿命长，经济性好。

（2）演色性优良，光色丰富，适用范围广。

（3）可得到发光面积大、阴影少而宽的照明效果，故更适用于要求照度均匀一致的照明场所。

从图1-26中可以看到荧光的照明效果，它的颜色呈现绿色，光影相对柔和。

图1-26荧光的照明效果

1.4.5混合照明

我们常常可以看到室外光和室内人造光混合在一起的情景，特别是在黄昏，室内的暖色光和室外天光的冷色在色彩上形成了鲜明而和谐的对比，从视觉上给人们带来美的感受。

这种自然光和人造光的混合，常常会带来很好的气氛，优秀的效果图在色彩方面都或多或少地对此有借鉴。

在图1-27中，建筑不仅受到了室外蓝紫色天光的光照，同时在室内也有橙黄色的光照。

在色彩上形成了鲜明的对比，同时又给我们带来了和谐一统的感觉！

图1-27混合光照

图1-28是笔者以前临摹的一张图，其目的就是练习一下这种色彩的对比。

图1-28效果图

1.4.6火光和烛光

比起电灯发出的灯光来讲，火光和烛光更丰富，火光本身的色彩变化也比较丰富。

需要注意的是，它们的光源经常跳动和闪烁。

现代人经常用烛光来营造一种浪漫的气氛，就是因为它本身的色温不高，并且光影柔和！

图1-29展现的是烛光照明效果，我们可以看到烛光本身的色彩非常丰富，它产生的光影也比较柔和。

图1-29烛光照明效果

1.5本章小结

通过对真实物理世界中的光影的初步分析，大家已经了解到：

真实物理世界中的光和阴影的变化，色彩的搭配和运用。

请大家不要忽视这些内容，因为这是制作写实风格效果图的基本依据。

虽然光和影是图的灵魂，但是除了光影之外，材质和模型的真实也是极其重要的，希望大家平时多用心观察。

在以后的章节里，笔者将和大家一起把理论用于实践中，画出我们心中理想的效果图。