采樣的基本概念&工作原理

本篇教程中涉及大量光子問題澡绩，可先移步：【渲染中的光學(xué)】? ?有助于理解接下來所講內(nèi)容豹爹。

接下來內(nèi)容可能較為枯燥责蝠，但是基礎(chǔ)很重要党巾，希望各種童鞋能認(rèn)真看下去，掌握好這些基礎(chǔ)概念霜医。這對(duì)于后面的學(xué)習(xí)很重要齿拂。

P.S.新舊版本的阿諾德中，渲染設(shè)置主菜單有所不同肴敛，新版參數(shù)更容易理解：

渲染器采樣 新舊版本對(duì)比

本系列教程中演示的是舊版Arnold创肥，但是由于我自己用的是新版的，所以截圖會(huì)有新舊交替出現(xiàn)的情況值朋，望周知叹侄。至于新舊版本的不同之處，有時(shí)間再仔細(xì)討論昨登。對(duì)于學(xué)習(xí)影響不大趾代。

一、采樣的基本概念

Arnold是基于光線追蹤算法的一款渲染器丰辣，Sampling（采樣）和Ray depth（光線深度）是其兩個(gè)核心撒强，理解了這兩個(gè)模塊的基礎(chǔ)理論知識(shí)，才能更好的理解其他模塊笙什，本篇教程先來討論有關(guān)Sampling飘哨。

打開C4D渲染設(shè)置，確保將渲染器設(shè)置為Arnold琐凭，在Main主菜單芽隆，可以看到相關(guān)的采樣設(shè)置。

渲染時(shí)，Arnold需要獲取每個(gè)像素的顏色值胚吁，然后組合在一起形成整個(gè)圖像牙躺。 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，Arnold會(huì)從攝像機(jī)發(fā)射出光線腕扶，當(dāng)光線碰到對(duì)象后計(jì)算其表面信息孽拷，然后將信息返回。這個(gè)過程大致稱為“采樣”半抱。根據(jù)采樣值的大小脓恕，渲染質(zhì)量也會(huì)有所不同。

簡(jiǎn)單來說窿侈，采樣值等于發(fā)射到每個(gè)像素的光線數(shù)量的平方根炼幔。

例如下圖中，Camera(AA)的采樣值為3棉磨，其光線實(shí)際采樣數(shù)量為32=9江掩，即采樣信息欄中顯示的Camera(AA) Samples: 9

從攝像機(jī)發(fā)射出的光線數(shù)量由Camera(AA)控制。Camera(AA)是一個(gè)全局倍增值乘瓤，該值越高环形，渲染質(zhì)量就越高，相應(yīng)的渲染時(shí)間也會(huì)大幅增加衙傀。

Camera(AA)還是一個(gè)全局采樣控制器抬吟，改變?cè)撝担瑫?huì)同步改變Diffuse（漫反射）统抬、Specular/Glossy（高光/光澤）火本、Transmission/Refraction（透射/折射）等采樣數(shù)量。

漫反射/光澤/折射等采樣數(shù)量=Camera(AA）采樣值2 x 漫反射/光澤/折射等采樣值2聪建。

例如上圖中 Diffuse Sample：36=Camera(AA）32 x Diffuse 22

二钙畔、采樣的工作原理

1、Camera（AA）（攝像機(jī)光照）

① 打開事先準(zhǔn)備好的一個(gè)場(chǎng)景金麸，包括地面擎析、兩個(gè)球體、一個(gè)抽象模型挥下。其中一個(gè)球體是鏡面反射揍魂，一個(gè)是光澤反射，抽象模型僅開啟了漫反射棚瘟。（后面會(huì)對(duì)材質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)講解现斋，現(xiàn)不用深究）

事先準(zhǔn)備好的場(chǎng)景

② 打開Arnold Renderer渲染設(shè)置，將所有采樣值都設(shè)置為1→啟動(dòng)IPR Window偎蘸，可以看到渲染出的圖片有很多噪點(diǎn)庄蹋，因?yàn)椴蓸又岛艿汀?/p>

采樣值低瞬内，渲染出的圖片噪點(diǎn)多

③ 提高Camera(AA)采樣值到3，（可以看到相應(yīng)的Diffuse蔓肯、Glossy...采樣數(shù)量變?yōu)?遂鹊，因?yàn)镃amera(AA)是全局倍增值振乏，平方關(guān)系蔗包，之前有講過，不多贅述）慧邮。啟動(dòng)IPR Window可以看到圖像質(zhì)量明顯提高——更少的噪點(diǎn)调限，更好的GI（Global Illumination 全局光照）和反射模糊。

④ 其他采樣值不變误澳，繼續(xù)提高Camera(AA)采樣值耻矮，會(huì)得到質(zhì)量更好的渲染圖片。對(duì)比圖：

采樣值越高忆谓，圖片質(zhì)量越好

以上可以看出提高Camera（AA）會(huì)提高整體渲染質(zhì)量裆装，但通常情況下，并不會(huì)采用這種方式提高渲染質(zhì)量倡缠。因?yàn)樘岣咴撝挡粌H會(huì)增加來自攝像機(jī)的光線數(shù)量哨免，也會(huì)增加次級(jí)光線，比如光澤昙沦、漫反射的光線數(shù)量琢唾。（再次強(qiáng)調(diào)，Camera（AA）是全局采樣控制器/全局倍增值）

請(qǐng)務(wù)必記住盾饮，Arnold Renderer是基于真實(shí)物理世界進(jìn)行計(jì)算的（光子反彈采桃，光線衰減等）。我們的需求是消除這些噪點(diǎn)以提高渲染質(zhì)量丘损，所以要了解這些噪點(diǎn)到底來自哪里普办，是光澤產(chǎn)生的，還是漫反射產(chǎn)生的徘钥？然后去提高相應(yīng)的采樣值衔蹲，以便提高圖片質(zhì)量，而不是提高全局的光線采樣值（提高全局采樣值會(huì)大幅提升渲染時(shí)間及最終文件大欣舳觥）踪危。

2、Diffuse（漫反射采樣）

漫反射采樣定義了場(chǎng)景中GI光子反彈的采樣數(shù)量猪落。

如果該值為0贞远，場(chǎng)景中就只有直接照明（沒有光子反彈），如果該值大于0笨忌，場(chǎng)景中的光線碰到對(duì)象表面后蓝仲，就會(huì)沿半球狀進(jìn)行傳播，如下圖：

當(dāng)攝像機(jī)發(fā)出的光線碰到對(duì)象表面后，光線會(huì)發(fā)生反彈袱结，反彈后的光線稱之為“間接漫反射光線”

當(dāng)提高Diffuse 即漫反射采樣后亮隙，Indirect diffuse rays（間接漫反射光線數(shù)量）就會(huì)增加，進(jìn)而降低間接漫反射的噪點(diǎn)垢夹，提高GI光子反彈質(zhì)量溢吻。

示例：

打開之前的場(chǎng)景，將Diffuse設(shè)置為0果元，其他采樣值為1促王。可以看到而晒，GI間接照明消失了蝇狼，光線沒有照到的區(qū)域就會(huì)變得一片漆黑：

沒有間接照明，只有直接照明

只要Diffuse的值大于0倡怎，就可以看到間接照明效果：

有間接照明效果

Arnold 會(huì)自行修正物理光照效果迅耘，所以我們只需要考慮怎樣降低噪點(diǎn)，提高渲染質(zhì)量监署。

為了降低噪點(diǎn)颤专，我們可以提高漫反射采樣值，也可以提高Camera(AA)采樣值焦匈，但是這樣會(huì)提高所有類型的采樣數(shù)量血公，所以如果確定噪點(diǎn)來自GI光子反彈，僅需要提高漫反射采樣即可缓熟。一定要有針對(duì)性的提高采樣值累魔。

請(qǐng)務(wù)必記住兩件事：

① 漫反射的實(shí)際采樣數(shù)量=Camera(AA)2 x Diffuse2

② 謹(jǐn)慎提高采樣值，這會(huì)導(dǎo)致渲染時(shí)間大幅增加够滑，如果噪點(diǎn)過多垦写，應(yīng)逐步提高采樣值。

3彰触、Glossy / Specular（光澤【舊版】/鏡面反射【新版】）

基本上光澤采樣控制著間接模糊（光澤）反射的質(zhì)量梯投。

當(dāng)光線碰到較粗糙的表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生模糊反射即光澤反射（光澤反射介于鏡面反射與漫反射之間）况毅。

光澤反射可以控制反射出來的光線數(shù)量分蓖，提高該值可減少光澤反射的噪點(diǎn)。

示例：

① 打開準(zhǔn)備好的場(chǎng)景（材質(zhì)較之前有所不同）→材質(zhì)→完全關(guān)閉漫反射尔许，Weight（權(quán)重）為0 →打開Specular（高光）么鹤，設(shè)置Weight（權(quán)重）為1，設(shè)置一定的Roughness（粗糙度）（注意Arnold的高光涵蓋了反射與高光兩個(gè)概念）→得到模糊反射效果：

場(chǎng)景中除了天空提供照明外味廊，還有兩盞區(qū)域光蒸甜，可以清楚的看見他們?cè)谇蝮w上的反射棠耕。此圖中IPR Window顯示為渲染默認(rèn)值結(jié)果。

② 打開渲染窗口柠新，將Camera(AA)設(shè)為1窍荧，Glossy設(shè)為2，其余全部為0恨憎，可以看到：

有間接光澤反射

③ 如果Glossy為0蕊退，那么間接光澤反射就會(huì)消失：

無間接光澤反射，沒有被直接光照照到的地方一片漆黑

注意：光澤采樣控制的是間接光澤反射（次級(jí)光線）框咙，而非直接光澤反射（主光線）咕痛，所以當(dāng)設(shè)置光澤采樣值為0時(shí)痢甘，場(chǎng)景中依然會(huì)有直接光澤反射喇嘱。

④ 逐步提高光澤反射、Camera(AA)塞栅、燈光采樣值者铜，直到得到滿意的渲染效果：

隨著采樣值的提高，渲染質(zhì)量也逐步提高

P.S. Light samples（燈光采樣）調(diào)節(jié)方法：

選中要調(diào)節(jié)的燈光對(duì)象→屬性放椰，Samples

4作烟、Refraction / Transmission（折射采樣）

折射采樣控制的是透明對(duì)象，如玻璃砾医、水拿撩。

當(dāng)攝像機(jī)發(fā)出的光線碰到內(nèi)部較為粗糙的透明對(duì)象時(shí)，折射光線會(huì)在對(duì)象內(nèi)部隨機(jī)傳播如蚜，折射采樣就控制著這些光線的數(shù)量压恒。

提高折射采樣值即可降低間接折射的噪點(diǎn)，提高渲染質(zhì)量错邦。

示例：

① 打開事先準(zhǔn)備好的場(chǎng)景（ 球體和抽象對(duì)象為漫反射材質(zhì)探赫，高腳杯為玻璃材）∏四兀看一下具體的參數(shù)設(shè)置：

IPR Window顯示的是默認(rèn)渲染效果

我們主要觀察高腳杯在不同采樣值下的不同效果伦吠。

打開高腳杯的材質(zhì)編輯器可以看到：高光權(quán)重為1，并設(shè)置一些粗糙度（這樣對(duì)象會(huì)有一定反射）魂拦；反射權(quán)重為0（該反射僅用來快速模擬鏡面反射效果）毛仪，IOR設(shè)置為1.51（普通玻璃折射率），設(shè)置一定的粗糙度：0.25（這樣可以得到毛玻璃而非純透明玻璃效果）芯勘，以及調(diào)整了其他設(shè)置箱靴，比如開啟Fresnel（菲涅爾衍射）。

這些參數(shù)后續(xù)都會(huì)詳解借尿，這里簡(jiǎn)單理解一下就好

高腳玻璃杯還添加了一個(gè)阿諾德參數(shù)標(biāo)簽刨晴，關(guān)閉Opaque（不透明選項(xiàng)）屉来，這樣才能渲染出正確的透明玻璃。

阿諾德標(biāo)簽后續(xù)會(huì)詳解

兩張區(qū)域光的燈光采樣值均為4狈癞，渲染器采樣值設(shè)置為默認(rèn)：

以上參數(shù)茄靠，渲染結(jié)果：

② 降低渲染器采樣值，可以看到渲染結(jié)果明顯多了很多噪點(diǎn)：

③ 若將折射采樣設(shè)為0蝶桶，那么玻璃的折射屬性就消失了：

注意：折射采樣僅當(dāng)玻璃具有一定的粗糙度的時(shí)候才有作用慨绳，如果將材質(zhì)的折射粗糙度關(guān)閉，折射采樣對(duì)于對(duì)象的作用就會(huì)消失真竖，就會(huì)得到清晰的玻璃：

只要有一定的粗糙度脐雪，我們就需要提高折射采樣以得到正確結(jié)果

④ 逐步提高光澤反射、Camera(AA)恢共、燈光采樣值战秋，直到得到滿意的渲染效果。方法同上Diffuse和Glossy設(shè)置讨韭，這里就不多說了脂信，大家多試幾次，能很明顯的看出不同透硝。

以上就是相關(guān)采樣的內(nèi)容狰闪，多多練習(xí)，就能熟練掌握濒生，所有的學(xué)習(xí)方法都是一樣的埋泵，不能只是紙上談兵。

SSS和Volume indirect采樣罪治，會(huì)在以后教程中穿插介紹丽声。下篇教程開始學(xué)習(xí)Ray depth（光線深度）。

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