菲涅尔反射在vary材质中的运用研究

胥程飞　肖体江

摘 要：反射是材质重要的视觉特征，能否把握好反射往往是一幅作品成败的关键，菲涅尔反射是一种常见而又不为人所熟悉的反射现象，比较难理解并掌握，因此菲涅尔反射是CG艺术中的重要研究对象，如何在CG艺术中更好地运用它是一个非常值得研究的课题。

关键词：材质；菲涅尔反射；反射设置

反射是vary材质的一个重要组成部分，它关系到材质表面的高光、反射成像、反射清晰度等重要材质视觉特征，是设置材质表面特性的重要参数。由于基础教育对反射现象阐述并不详细，并且CG艺术体系与物理体系也不尽相同。因此，反射——尤其是一些特殊的反射现象——是vary材质中一个比较难掌握的知识点。那么在CG艺术中应掌握那些与视觉有关的反射现象，并如何去运用它们呢。

1 CG艺术中研究的反射现象概述

反射指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的现象，在CG艺术中我们所研究的反射主要包含两种反射现象，即镜面反射与菲涅尔反射。

镜面反射（如图1）是指平行光线射到光滑表面上时反射光线也是平行的，这种反射叫做镜面反射，它对物体的反射强度是均衡的，不会产生变化。如常见的镜子、亮光不锈钢表面的反射现象就是属于典型的镜面反射，这是一种大家都比较熟悉反射现象，所以本文不做过多的讨论。

图1 图2

菲涅尔反射是一种并不为人们所熟悉的反射现象，什么是菲涅尔反射呢？当人站在湖边时，低头看脚下的水，会发现水是透明的，反射不是特别强烈；如果看远处的湖面，你发现水并不是透明的，但反射非常强烈，这种反射现象就是菲涅尔反射。其根本的物理特征就是反射的强弱取决于视线与反射面的夹角大小（如图2），视线与反射面的夹角a越大，反射强度越弱，当夹角a等于90度时，反射强度为零；视线与反射面的夹角a越小，反射强度越强，当夹角a趋近0度时，反射最强。

菲涅尔反射是一种常见的反射现象，CG业界内的主流意识是除金属外，所有的材料均有菲涅尔反射现象。对于这种观点笔者不以为然，笔者认为任何材料——包括大多数金属——都具有菲涅尔反射效应，只有非常光滑的金属由于其相当于一块平面镜，视线与反射面夹角为90度时，光滑金属的反射度已经很高了，因此，当视线与反射面夹角减小时候反射强度不会再有增加，所以金属里面也只有光滑金属没有菲涅尔反射现象，其他的金属如亚光金属、拉丝金属、蚀刻金属等也是具有菲涅尔反射现象的。

2 菲涅尔反射的设置研究

菲涅尔反射普遍存在于各种材质中，那么在实际制作材质中应如何运用呢？本文将以3ds Max加vary软件为基础，结合笔者的经验试分析一下菲涅尔反射的设置方法，由于大多数软件中材质的基础设计思想是相通的。因此，这些方法也可在使用其他软件时借鉴运用。

（1）使用vary自带菲涅尔系统控制菲涅尔反射。Vary渲染插件中的vary材质本身就自带有菲涅尔设置。其设置方法如下：

首先，勾选菲涅尔反射，开启菲涅尔模式。然后，将反射的颜色调节到适合的色彩，注意在反射的色彩参数里决定反射强弱的数值是反射颜色的亮度值，而该色彩的色相值与饱和度值决定是材质反光与高光的色彩。因此，我们只需要根据不同材质的视觉特征调节相应的亮度值就可以得到不同强度的反射。例如，陶瓷反射较强可将亮度值设置到245左右，而反射较弱的木材亮度值为50左右。最后，设置菲涅尔折射率，此数值在默认情况下此数值是关闭的，需要解锁才能设置，不同材料菲涅尔折射率是不同的。菲涅尔折射率是一个CG术语，现在有关的参考资料上大多没有阐述该参数的含义，仅告诉它的取值范围，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尔折射率？笔者认为，菲涅尔折射率这个数值描述的是材质表面对光的反射强弱的变化趋势，而反射的颜色描述的则是反射的整体强度，这是有本质区别的。菲涅尔折射率的数值取值范围是0～100，1为标准值，当数值为1的时候表示没有这种强弱变化趋势，即没有反射存在，数值越远离1，这种变化趋势越明显，反射也就越强。同时，数值的取值与入射光所在区域的密度和反射面的材质密度有很大的关系，0到1之间的数字表示入射光所在区域的密度大于反射面所在材质的密度。例如，光源放置于透明玻璃里面的情况；1到100之间的数值表示入射光所在的区域的密度小于反射面所在材质的密度。例如，光从空气射向地面的情况。一般情况下菲涅尔折射率取值是可以照抄物理中的折射率的——虽然两者含义完全不同，比如真空取值为1、水的取值为1.33、塑料的取值为1.45、玻璃的取值为1.5～1.8、钻石的取值为2.4，金属的取值则一般大于5。

这种设置方法一共只有三个参数，只要理解了每个参数的含义还是比较简单的，只在反射的颜色确定上对制作经验与美学认知有一定的要求。但这种方法就是因为其简单，控制参数较少，难以控制材质反射的局部特征，不能精细调节材质。因此，我们一般不用这种方法制作场景中的重点材质或一些需要艺术化处理的材质，而只用这种方法制作一些普通的、非表现重点的材质。

（2）使用衰减（Falloff）贴图模拟菲涅尔反射。在反射中加一个衰减贴图是我们在设置材质时常用的方法，但很多人只是根据教程机械的设置，知其然而不知其所以然，其实这就是利用衰减贴图模拟菲涅尔反射的方法。有关衰减贴图参数的资料比较多，在这里就不详细讲解它的每一个参数了，我们着重讨论一下他在模拟菲涅尔反射时的设置。

当我们在反射中加入一个衰减贴图后，首先应设置的就是衰减类型和衰减方向，它们分别决定衰减颜色渐变的趋势的计算方法和方向，而这些会直接反映到反射上的。其次应设置衰减的颜色，这和反射的颜色一样，它决定了反射的强度以及反光与高光的色彩，在具体运用中我们也可用不同的贴图来代替这两种颜色，控制材质表面的局部情况，使得反射更逼真细腻，这在做一些有细腻纹理反射情况较复杂的材质——如拉丝金属、蚀刻金属——非常有用，这一点是前一种方法很难做到的。最后是输出曲线的调整，输出曲线控制的是两种衰减颜色或贴图的变化趋势，当衰减贴图运用于反射时输出曲线与菲涅尔折射率的功能接近，但菲涅尔折射率是通过数值来实现的，并不直观而且还经常需要制作者查阅各种材质的资料以确定数值的范围，而输出曲线是通过曲线的弧度来实现这一功能，非常直观，同时还可以自由调节曲线的形态来实现一些较难用菲涅尔折射率表达的反射变化，如某种物体表面的反射由强变弱再变强再变弱，这就是用菲涅尔折射率无法实现的，而使用输出曲线则较容易实现。endprint

相对于使用vary自带菲涅尔系统控制菲涅尔反射，使用衰减贴图来模拟菲涅尔反射更灵活多变，也能实现对材质局部反射的精细控制，但其需要掌握和调节的参数较多不易掌握，且操作也比较麻烦、耗时，因此在实际运用中多用来调节一些需要重点表现的材质。

3 菲涅尔反射的运用原则

如开篇所讲几乎所有的材质均具有菲涅尔反射现象，而没有菲涅尔反射现象的少数几种材质也具有镜面反射现象，也就说我们在制作材质时都是需要设置反射的，但我们知道在渲染时计算反射是需要耗费大量计算机资源的，非常耗费时间，那么在具体运用中应如何运用反射呢？

首先在实际运用中并不是所有材质都需要打开反射的，我们可以根据“近实远虚”的原则确定反射的取舍。即近景的材质把反射都打开，具有菲涅尔反射现象且纹理丰富、反射细腻的材质尽量使用衰减贴图模拟反射，让反射的细节尽量丰富；而对于中景，由于其距离相机较远，一些反射的细节并不一定需要很详细的表现出来。因此，可选用vary自带的菲涅尔系统来调节反射；而对于远景，由于它距离相机最远，即使设置了反射，一些低反射的材质也不能很好地表现出来。因此，对这些弱反射材质可直接关闭反射以节省资源。其次在实际运用中需要根据表现的需求灵活运用菲涅尔反射。在CG艺术中效果的表现是最重要的。因此，有时在调节材质时需进行适当的夸张或省略，如在制作实木地板时，地板的反射往往是表现重点，我们就可以使用衰减贴图来模拟菲涅尔反射，并使用垂直/平行这种渐变趋势较为强烈的衰减类型来突出反射；而对于同样木质的小茶几，其反射虽然也是菲涅尔反射，但由于其面积很小，这种菲涅尔反射现象不是很明显，在实际操作中为节约时间我们也可使用弱镜面反射来代替菲涅尔反射，这样既能取得较好的表现效果也能节约一定的时间。

在实际中菲涅尔反射的运用是非常灵活的，如何更好地运用它其实就是在“效果”与“效率”之间寻找一个平衡点，在进行材质设置时只有充分考虑到这两点才能更好地、有效的设置好菲涅耳反射。其实不光在设置菲涅耳反射时是这样，在作图的其他环节中我们也是要充分考虑这两点的。

参考文献：

[1] 张海华.3dsMax＼VRay印象[M].人民邮电出版社.

[2] 冷国军，李验.3dsMax高级光+Vray极速渲染教程[M].机械工业出版社.

[3] 施骁.VRay酷渲风暴[M].人民邮电出版社.

[4] 胡爱萍.3ds Max+Vary效果图设计表现与实训[M].化学工业出版社.endprint