光照是萬物生命之源
，沒有光照，也就沒有地球上的一切生命
，關於光照的研究也一直沒有停止

，諸如光量子記錄儀

，光量子計，光電自動數粒儀，光照培養箱
，這zhe些xie都dou是shi直zhi接jie或huo者zhe間jian接jie利li用yong光guang照zhao原yuan理li和he其qi他ta電dian子zi技ji術shu
，研yan製zhi成cheng的de與yu光guang照zhao有you關guan的de儀yi器qi，今jin天tian為wei大da家jia介jie紹shao一yi下xia光guang照zhao技ji術shu在zai圖tu像xiang合he成cheng中zhong的de應ying用yong。

一、基於圖像的光照技術

zaijisuanjituxinglingyu
，renmenyizhizaishiyonghenduozhongfangfalaizengqiangshuzihechengtuxiangdezhenshixing，erqizhongzhenshiganxuanranshiduoshuyanjiudeketi，tebieshiyingyongyushijinghechengdezhenshiganxuanran。zhezhongxuqiushouxiantixianzaidianyingxingye。zaizhegelingyu，shuzijishudeyingyongcong 20 世紀 70 年代已經開始，到了90 年代，隨著計算機技術的發展，越來越多的電影場景中出現了虛擬場景和虛擬角色，例如
，在《黑客帝國》、《魔戒》等好萊塢電影的製作中
，演員的表演、拍攝大部分在藍幕前完成，而場景和虛擬角色的設計則由電腦製作並渲染生成，最後再通過電腦進行特效和後期合成。決定真實場景

、角色同虛擬場景、jiaosehechengxiaoguozhenshigandeguanjianzeshiguangzhaoxiaoguodexuanran，keyishuotashidianyingshuzihuazhizuozhongyigejiweizhongyaodehuanjie。zaizaoqi，guangzhaoxiaoguodejiejuefanganduoshisanweibuguanghehouqitiaozheng，zhezhongfangfazhinengtigongyizhongjinsidebizhengan
，wufazuodaowulicengmiandebizhen，bingqiezhezhongfangfaxuyaohuafeidaliangdehouqizhizuoshijianhejingli
，ruguogenghuanlehuanjing，zexuyaoduichangjingjinxingzhongxinbuguanghetiaozheng。xianzai，jisuanjijishudefazhanweishixianzhenshiganxuanrantigonglelingwaiyizhongtujing
，zhebianshishiyonglaizizhenshihuanjingdetuxiangweichangjinghewutizhaomingdejishu，ji“基於圖像的光照”。zhezhongjishubuzaijuxianyushiyongsanweibuguang，ershiliyongxianshishijiedeguangzhaotuxianglaizhaomingxianshidehuojisuanjishengchengdechangjingjiwutideyizhongfangfa。jiyutuxiangdeguangzhaojishuyoufansheyingshejishufazhanerlai。fansheyingshejishuzai1986 年迪斯尼公司出品的電影《飛碟領航員》中首先使用，而到了1991年
，在由工業光魔公司擔綱特效的電影《終結者2》中，觀眾從虛擬角色―――液態金屬機器人身上
，更加感受到使用反射映射技術製作的光影效果的魅力。

在1997年的SIGGRAPH 年會上
，Paul Debevec提交了題為《從照片中恢複高動態範圍輻射圖》的de論lun文wen。這zhe篇pian論lun文wen描miao述shu了le按an照zhao不bu同tong的de曝pu光guang設she置zhi對dui同tong一yi個ge場chang景jing進jin行xing拍pai照zhao
，然ran後hou將jiang這zhe些xie采cai用yong不bu同tong曝pu光guang的de照zhao片pian組zu合he成cheng高gao動dong態tai範fan圍wei圖tu像xiang。這zhe種zhong高gao動dong態tai範fan圍wei圖tu像xiang可ke以yi捕bu捉zhuo從cong黑hei暗an的de陰yin影ying到dao亮liang光guang源yuan或huo者zhe高gao反fan光guang的de更geng大da動dong態tai範fan圍wei的de場chang景jing。在zai一yi年nian之zhi後hou的de SIGGRAPH 年會，Paul Debevec又提交了一篇論文《將人造物體渲染成真實場景： 溝通基於圖像的傳統圖形與全局照明以及高動態範圍照片》。在這篇論文中，他使用以前的技術對光滑的鉻球照相以生成他所稱作的“light probe”( 光探測器) ，即本質上的高動態範圍環境圖。然後將這個 light probe 用於合成場景的渲染。與普通的反射映射技術不同的是

，lightprobe 還提供了場景中的照明信息。

在zai計ji算suan機ji圖tu形xing領ling域yu


，生sheng成cheng真zhen實shi感gan圖tu像xiang的de大da多duo數shu算suan法fa是shi通tong過guo模mo擬ni光guang在zai各ge類lei媒mei介jie上shang的de傳chuan播bo方fang式shi來lai實shi現xian，這zhe就jiu要yao求qiu光guang源yuan是shi指zhi定ding的de。基ji於yu圖tu像xiang的de光guang照zhao技ji術shu理li論lun可ke以yi將jiang一yi幅fu圖tu像xiang作zuo為wei光guang源yuan，例li如ru，可ke以yi使shi用yong一yi幅fu天tian空kong的de圖tu像xiang作zuo為wei光guang源yuan來lai模mo擬ni這zhe種zhong環huan境jing中zhong虛xu擬ni物wu體ti的de照zhao明ming。通tong過guo這zhe種zhong方fang法fa可ke以yi實shi現xian一yi種zhong前qian所suo未wei有you的de真zhen實shi感gan效xiao果guo，為wei虛xu擬ni場chang景jing和he角jiao色se提ti供gong了le真zhen實shi世shi界jie的de照zhao明ming數shu據ju。數shu字zi合he成cheng技ji術shu領ling域yu“基於圖像的光照”技術的廣泛應用，為實現數字圖像高質量的渲染輸出提供了另外一種途徑。

二
、高動態範圍圖像的概念

基於圖像的光照技術主要是通過HDRI 文件來實現的。什麼是HDRI 呢? HDRI 是一種的特殊圖形文件格式。HDRI 是 High－Dynamic RangeImage( 高動態範圍圖像) 的縮寫。簡單說，HDRI是(shi)一(yi)種(zhong)亮(liang)度(du)範(fan)圍(wei)非(fei)常(chang)廣(guang)的(de)圖(tu)像(xiang)，它(ta)比(bi)其(qi)他(ta)格(ge)式(shi)的(de)圖(tu)像(xiang)有(you)著(zhe)更(geng)大(da)亮(liang)度(du)的(de)數(shu)據(ju)貯(zhu)存(cun)，而(er)且(qie)它(ta)記(ji)錄(lu)亮(liang)度(du)的(de)方(fang)式(shi)與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)圖(tu)片(pian)不(bu)同(tong)，不(bu)是(shi)用(yong)非(fei)線(xian)性(xing)的(de)方(fang)式(shi)將(jiang)亮(liang)度(du)信(xin)息(xi)壓(ya)縮(suo)到(dao)8bit 或16bit 的顏色空間內，而是用直接對應的方式記錄亮度信息。HDRI 文件的每一個像素除了普通的 RGB 信息
，還有該點的實際亮度信息。普通的圖形文件每個像素隻有0 ～255的灰度範圍
，實際是不夠的。想象一下太陽的發光強度和一個純黑的物體之間的灰度範圍或者說亮度範圍的差別，遠遠超過了256 個級別。因此
，一張普通的白天風景照片
，看上去白雲和太陽可能都呈現是同樣的灰度/亮(liang)度(du)，都(dou)是(shi)純(chun)白(bai)色(se)
，但(dan)實(shi)際(ji)上(shang)白(bai)雲(yun)和(he)太(tai)陽(yang)之(zhi)間(jian)實(shi)際(ji)的(de)亮(liang)度(du)不(bu)可(ke)能(neng)一(yi)樣(yang)，它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)的(de)亮(liang)度(du)差(cha)別(bie)是(shi)巨(ju)大(da)的(de)。因(yin)此(ci)，普(pu)通(tong)的(de)圖(tu)形(xing)文(wen)件(jian)格(ge)式(shi)是(shi)很(hen)不(bu)精(jing)確(que)的(de)
，遠(yuan)遠(yuan)沒(mei)有(you)紀(ji)錄(lu)到(dao)現(xian)實(shi)世(shi)界(jie)的(de)實(shi)際(ji)狀(zhuang)況(kuang)。HDRI 就是為了解決這個問題而發明出來的。可以說它記錄了圖片環境中的照明信息
，因此可以使用這種圖像來“照亮”場景。有很多 HDRI 文件是以全景圖的形式表現的，也可以用它做環境背景來產生反射與折射。需要強調的是
，HDRI 與全景圖有本質的區別： 全景圖指的是包含了360 度範圍場景的普通圖像，可以是JPG 格式，BMP 格式，TGA 格式
，等等，屬於Low-Dynamic Range Radiance Image( 低動態範圍輻射圖像) 
，它並不帶有光照信息。

獲取高動態範圍圖像的方式有以下幾種。一種方式是使用Paul Debevec 的“light probe”( 光探測器) 。guangtanceqishijishangjiushiyigegudingzaiganzishangdejingmianqiuti。bazhegeqiufangzhizaixiangyaojiluzhaominghefanshexinxidedian，ranhouyongputongxiangjilaipaisheyixiliedezhaopian，shengchenggaodongtaifanweituxiang。lingwaiyizhongfangshishipaisheduofucongbutongfangxiangguankandetuxiangzhaopian，ranhoushiyongtuxiangpinhejishubatamenjieheqilai，meicipaishejiaodafugaiquyudeyigehaobanfashishiyongyuyanjingtou，keyishiyongzuishaoliangfutuxianglaifugaiquanbuquyu，youcilaishengchenggaodongtaifanweituxiang。haiyouyizhongfangshishishiyongzhuanyongdesaomiaoquanjingxiangji，jiangqizaiyigexuanzhuanzhijiashang，shidezongxiangxingjin360°shiyusaomiaolaihuodetuxiang
，shengchenggaodongtaifanweituxiang。youlaiyugaodongtaifanweituxiangjishu
，jiyutuxiangdezhaomingfangshiyijingriquwanshanbingguangfanyingyongzaishijiaoxiaoguoxingye。tongguoxindezhaominghehechenggongju，shijiaoxiaoguoyishujiazaiyuzhenshichangjingjinxinghechengshi
，nenggoushijianzhu
、機械等虛擬場景更加逼真
，使虛擬角色栩栩如生。這樣的例子在《X 戰警》、《黑客帝國》、《蜘蛛俠》等影片中比比皆是。

三、基於圖像光照效果的實現方法

基於圖像的光照同基於圖像的建模、基於圖像的繪製技術一樣，都是計算機圖形學、計算機圖像以及計算機視覺相結合的產物。目前
，三維軟件中主流的渲染器像 Maya 中的Mentalray、Turtle渲染器，3ds max 中的Brazil、Finalrender
、Vray 渲染器
，XSI 等等，都已經對HDRI 提供了完美的支持
，使得基於圖像的光照技術在三維領域已經被廣泛的應用。本文使用了Maya 軟件中的Mentalray渲染器來實現這一過程，基本步驟如下：第一步： 構建三維場景。導入三維模型，模型的各個部分應賦予相應的材質節點。第二步： 將 HDRI 圖像映射在代表環境的幾何體上。在 Maya 中創建一個 IBL 節點後
，場景中會生成一個虛擬的球體“環境”。該球體節點同攝影機節點相連接。在最終渲染時，這個球體“環境”不一定可見
，它隻是用來達到理想光照效果的工具。這樣
，HDRI 圖像的紋理顏色信息將被Mental-ray渲染器采集
，在渲染時對場景表麵產生照明，影響到場景中物體的反射、折射和輻照度等。第三步： 在進行測試渲染前，確定Mentalray中的最終聚集光線渲染全局變量為開啟狀態，而Ma-ya 中默認燈光為關閉狀態。由於場景中沒有三維燈光參與照明，渲染結果會有以下問題： 一是由於HDRI 圖像中的照明信息隻是用來進行環境間接照明，所以場景中缺少關鍵光源。二是缺少高光和直射陰影。第四步： 為了使渲染結果更加真實，有兩種解決方法： 一種是創建三維燈光參與照明
，另一種是將 IBL 模式設置為光線發射，也可以兩種方法結合使用。第一種方法自如、靈活，並且渲染速度比較快
，但是這種燈光與 HDRI 環境光源的強度與比例沒有關聯
，需要自行設置各項參數。第二種方法是使用 IBL 節jie點dian作zuo為wei光guang發fa射she器qi，設she置zhi很hen簡jian單dan
，然ran而er它ta會hui通tong過guo對dui紋wen理li的de簡jian化hua和he解jie析xi自zi動dong創chuang建jian燈deng光guang陣zhen列lie，並bing且qie每mei個ge燈deng光guang都dou計ji算suan陰yin影ying和he發fa射she光guang子zi

，因yin而er需xu要yao較jiao長chang時shi間jian的de渲xuan染ran。第di五wu步bu： 全部設置完成後進行渲染
，將會得到基於圖像的光照效果的圖像，可以在後期用來與真實場景進行合成。

四
、結 語

隨著計算機軟、硬件技術的發展
，基於圖像的光照技術的出現極大地增強了三維渲染、實時光照以及後期合成環節中的真實感，使得虛擬影像同真實影像得以完美融合，並且已經在數字藝術、電影、虛擬現實

、遊戲等各個領域中都有著廣泛的應用。除此之外，基於圖像的光照技術還能夠做什麼
，將完全取決於人們的想象力。