知识点二 灯光基础
1．灯光的概念
灯光在渲染中占据非常重要的位置，和现实世界一样，没有光就看不到物体，也看不见任何色彩。灯光对于场景氛围的渲染起到了决定性的作用，不同的布置灯光的方法将会产生不同的效果。场景中的反射和折射效果，以及灯光雾、辉光、耀斑都是利用灯光产生的效果。如果要想在Maya中创建逼真的画面，就需要模拟现实世界的光线传输，但不是简单的照搬。
要想熟练地运用布光技术，需要长期地积累经验，还要学习一些摄影、舞台灯光以及电影中布置灯光的技术。
2．灯光的创建及种类
当打开Maya创建新场景的时候，Maya会自动创建一套自带的灯光效果。一旦手动创建新的灯光时软件会自动关闭默认的灯光效果，也可以手动关闭默认灯光。
（1）手动关闭默认灯光方法操作步骤如下。
01 选择【Window】>【Rendering Editors】>【Render Settings】命令，也可以单击工具栏上的【RenderSettings】图标按钮
，分别如图1-1和图1-2所示。
图1-1
图1-2
02 在弹出的【Render Settings】对话框01的【Common】选项卡下的【Render Options】扩展栏里取消选中【Enable Default Light】复选框，如图1-3所示。
图1-3
图1-4为选中【Enable Default Light】复选框且不创建任何灯光的情况下对一个圆球物体进行渲染的效果；图1-5为取消选中【Enable Default Light】复选框且不创建任何灯光的情况下的效果。从图1-5可以看出取消选中后变成全黑，表示没有灯光照射到物体上。
图1-4
图1-5
创建物体后按【5】键可以在场景窗口看到默认灯光的硬件渲染效果，也可以选择场景窗口菜单栏上的【Lighting】>【Use Default Lighting】命令。如果在场景中创建了自定义灯光，按【7】键可以在场景窗口中看到硬件渲染自定义灯光的效果，也可以选择场景窗口菜单栏上的【Lighting】 >【Use All Lights】命令，如图1-6所示。在场景中选择一盏灯光，选择【Lighting】>【Use Selected Lights】命令，则可以在场景中显示被选中灯光的照射效果。选择【Lighting】>【Use No Lights】命令，将会显示如图1-7所示的效果，虽然是不使用任何灯光，但是硬件渲染不会使场景变全黑，而是变成没有阴影效果的材质贴图颜色。只要场景中有一盏灯光开启了阴影效果，【Lighting】>【Shadows】命令将变为可用状态，选择【Shadows】命令后场景将会显示硬件渲染场景的阴影效果。
图1-6
图1-7
用软件渲染和硬件渲染的效果相差会很大，所以场景中的硬件渲染效果只是作为参考的，最终的效果还要看软件渲染的效果。硬件渲染只支持漫反射、透明、高光点、阴影等效果，不支持反射、折射等一些需要大量计算的效果。
（2）在Maya中创建灯光有以下两种方法。
① 使用Maya菜单栏命令创建灯光，选择【Create】>【Lights】命令，如图1-8所示。在子菜单里有6种灯光类型：【Ambient Light】（环境光）、【Directional Light】（方向光）、【Point Light】（点光源）、【Spot Light】（聚光灯）、【Area Light】（面积光）、【Volume Light】（体积光）。选择其中任何一个命令将会在场景中创建一盏相应的灯光。
图1-8
② 选择【Window】>【Rendering Editors】>【Hypershade】（阴影材质编辑器）命令，如图1-9所示。单击【Hypershade】窗口左边【Create Maya Nodes】下拉列表中【Lights】前面的三角图标展开【Lights】子目录，里面也有相同的6种灯光类型，如图1-10所示。单击其中任何一种灯光图标按钮将在场景中创建相对应的灯光类型。
图1-9
图1-10
这6种灯光中Spot Light应用最广泛，可以设置的属性也最多。Maya中的灯光有通用属性和特殊属性。通用属性在每一种灯中都有，特殊属性只有一种或几种灯光才拥有。
3．Spot Light（聚光灯）
Maya中的聚光灯光很像手电筒、探照灯、汽车照明灯等。光从聚光灯的原点产生光线，呈圆锥体的形状向外发射。虽然在场景中聚光灯的形状是有限的，但光线可以无限远地发射，且灯光的缩放不会影响灯光的强度。
选择【Create】>【Lights】>【Spot Light】命令或在【Hypershade】窗口创建一盏“Spot Light”，按【Ctrl+A】组合键打开新建灯光的属性编辑面板，在面板上选择【spotLightShape1】选项卡，如图1-11所示。
图1-11
（1）所有灯光通用属性。
① Type（灯光类型）（见图1-12）
图1-12
在【Type】下拉菜单中有6种灯光类型，这里的灯光类型和创建灯光类型的种类是一样的。因此在创建了一盏灯光后，如果想改变灯光类型可以在这里修改。注意，不要对已经进行属性设置的灯光改变类型，因为有些灯光的属性是独有的，不能从一种灯光直接转换到另一种灯光。
② Color（颜色）
灯光的颜色可以通过颜色拾色器选择一种颜色设置；还可以给Color属性设置纹理贴图，这就像幻灯片投影仪一样，把纹理投射到场景中。
设置灯光纹理贴图的操作步骤如下。
01 单击【Color】后面的按钮
。
02 在弹出的【Create Render Node】对话框中选择一张纹理贴图或File纹理。如图1-13所示，选择一张【Bulge】纹理投射到场景中。
图1-13
03 把聚光灯朝向物体，然后渲染场景。图1-14所示为将一张【Bulge】纹理贴图连接到灯光的【Color】属性后照射场景的效果图。
图1-14
在Maya中可以对属性进行设置关键帧。若想制作灯光颜色从红色变成绿色的效果，操作步骤如下。
01 单击【Color】后面的颜色拾色器按钮，如图1-15所示。
图1-15
02 在弹出的【Color Chooser】对话框中选择红颜色，然后单击【Accept】按钮，如图1-16所示。
图1-16
03 右键单击【Color】属性，从弹出的快捷菜单中选择【Set Key】（设置关键帧）命令，如图1-17所示。
图1-17
04 重复步骤02和03，选择绿颜色并设置关键帧即可。
③ Intensity（强度）
设置灯光的强度即灯光的亮度。其实灯光照射到物体上的亮度是由【Intensity】的数值和【Color】中的灰度值v的乘积决定的。例如，当【Color】的v值为0.5, 【Intensity】值为2时，光线照射在物体上的强度是1。
④ Illuminates by Default（默认照明）
如果选中此复选框，灯光将照亮所有包含在【Default Light Set】（默认灯光组）里的物体。如果取消选中此复选框，灯光将只照亮和它相连的物体。默认此复选框是选中的。
⑤ Emit Diffuse（产生漫反射）
选中此复选框，灯光照射到物体后将产生漫反射并产生颜色。图1-18所示为选中【Emit Diffuse】复选框的效果，如图1-19所示为取消选中【Emit Diffuse】复选框的效果。
图1-18
图1-19
⑥ Emit Specular（产生镜面反射）
若选中此复选框，灯光照射到物体后将产生镜面反射并产生高光。图1-20所示为取消选中【Emit Specular】复选框的效果。
图1-20
⑦ Decay Rate（灯光衰减率）
在现实世界中，灯光在传播过程中随距离的增加而灯光强度逐渐衰减。但在Maya中灯光默认是不会产生衰减的，即不管物体距离灯光有多远都和初始时的强度是一样的，若要产生衰减必须在【Decay Rate】下拉菜单中选择一种衰减方式。
● Linear（线性衰减或一次方衰减）：指灯光强度随距离的增加呈线性衰减。
● Quadratic（平方衰减或二次方衰减）：指灯光强度随距离的增加呈二次方衰减。公式为：强度=1/（距离×距离）。这和现实世界中的衰减比较相似。
● Cubic（立方衰减或三次方衰减）：指灯光强度随距离的增加呈三次方衰减。公式为：强度=1/（距离×距离×距离）。
如图1-21所示从下到上依次是不衰减、线性衰减、平方衰减、立方衰减。
图1-21
（2）聚光灯特有或只有几种灯光具有的特殊属性。
① Cone Angle（圆锥角）（单位：角度）
圆锥角是光线从聚光灯的原点向外扩散展开的角度。【Cone Angle】的有效值范围是0.006～179.994，默认值为40。改变锥角的大小时，聚光灯图标的圆锥角度会实时更新。
② Penumbra（半影）（单位：角度）
【Penumbra】是光束从灯光强度最亮处线性递减到灯光强度为0的角度。有效值范围为-179.994～179.994，默认值为0。【Penumbra】和【Cone Angle】一起决定了聚光灯的照射范围。例如，假设【Cone Angle】值为60，而【Penumbra】值为10，那么灯光的有效照射范围直径为80 （60+10+10）°。假如【Penumbra】为-10，那么灯光的有效照射范围直径为60°，如图1-22所示。
图1-22
③ Dropoff（衰减率）
衰减率是指灯光强度从光束中心沿半径逐渐减小的速率，有效值范围为0到无限大的值，滑动条的有效范围为0～255。
④ Barn Doors（挡光板）（图1-23所示为现实中灯的挡光板）
图1-23
展开【Light Effects】（灯光特效）扩展栏，选中【Barn Doors】复选框可以创建聚光灯的挡光板。调节【Left Barn Door】、【Right Barn Door】、【Top Barn Door】、【Bottom Barn Door】数值移动上下左右四块挡光板的位置，可以模拟一些形状特别的灯光束，如方形、半圆形等，如图1-24所示。
图1-24
⑤ Decay Regions（衰减区域）
选中【Use Decay Regions】（开启衰减区域）复选框可以进行分段衰减。其下面有三组区域范围调节属性，每个区域都有一个【Start Distance】（开始距离）和【End Distance】（结束距离）。它们的属性值表示距离灯光起点的距离。如果相邻两个区域的End Distance和Start Distance相同的话，将会合并成一个连续的衰减区域。如图1-25所示，左边为连续衰减，右边为分段衰减。
图1-25
⑥ Light Manipulator（灯光操作器）
选中灯光按【T】键或选择【Display】>【Rendering】>【Camera/Light Manipulator】命令都可以显示【Light Manipulator】，如图1-26所示。此时灯光下方有一个像字母Q的操作器，称为【Cycling Index】（循环索引）。单击【Cycling Index】图标可以循环显示【Light Manipulator】。
图1-26
4．Direction Light（平行光）
平行光可以用来模拟日光和月光的照射效果，图1-27所示为现实中太阳光照射效果。因为太阳和月亮离地球很远，光线可以看成是平行投射到地球的。平行光的照射效果与灯光所处的位置和大小无关，只和灯光的方向有关，因此无论灯光位于何处或有多大，只要与此灯光连接的物体都可以被照射到。
图1-27
Maya中的平行光没有衰减属性，所以平行光照射到每个物体的强度都是一样的。把平行光用在室外的大场景是最适合的了。同时也可以用一些Maya自带的数学工具来产生衰减。
5．Point Light（点光源）
点光源的光线是从一个点向四周发射出去的。点光源具有【Decay Rate】属性，默认是关闭的，想要开启只要选择一种衰减模式即可，和聚光灯一样。移动点光源可以影响照明效果，但缩放不会影响照明效果。图1-28所示为现实中点光源的照射效果。
图1-28
6．Amibent Light（环境光）
环境光模拟光线被周围环境漫反射后投射到物体上的光线，和点光源一样不能被缩放。环境光不能使物体产生凹凸纹理和高光，因此环境光一般不会用来作为主要光源，而是用来辅助照明之用。
在环境光的属性中有一个属性是其他灯光没有的，即【Ambient Shade】，如图1-29所示。当【Ambient Shade】值为1时将变成一盏点光源；值为0时像一个球面光，光线从球面上向内均匀投射到物体上；值介于0到1之间时就是这两种光的混合体，默认值为0.45。图1-30所示为Ambient Shade值分别为0.45 、0、1时的效果。
图1-29
图1-30
7．Area Light（区域光）
区域光的光线从一块矩形区域上发射，它是Maya中唯一一种从具体的形状上发射的光，不像其他光的光源不是点就是无限大的区域。区域光还有一个非常特别的性能是缩放灯光可以影响灯光的强度，即放大增强灯光的强度，缩小减弱灯光的强度。灯光图标上有一个指针，用来指明光线投射的方向，如图1-31所示。
图1-31
由于区域光特殊的计算方法使它本身具有衰减特性，开启衰减属性，衰减将更强烈。虽然区域光是从矩形上发射的，但是灯光投射到物体上时不会出现边缘很硬的情况，它的边非常柔和。
区域光非常适合用于有窗户或山洞的场景的照明，如图1-32和图1-33所示，这是因为区域光的衰减特性能很好地模拟光从窗户或山洞外照射进来的渐变衰减效果。
图1-32
图1-33
8．Volume Light（体积光）
体积光并不是从一个有体积形状的物体表面发射出光线，而是从中心向四周发射但不会超过限定的体积范围，只照射到体积形状内的物体。体积光最大的特点是直观地控制灯光照射范围，可以通过缩放工具和改变灯光的形状来改变灯光的照射范围。如图1-34所示，【Light Shape】有4种形状可选择：Box（长方体）、Sphere（球体）、Cylinder（圆柱体）、Cone（圆锥体）。
图1-34
体积光和点光源非常相似，只是体积光可以很好地控制照射范围，还能灵活地控制灯光的衰减程度。通过改变【Color Range】（颜色范围）和【Penumbra】（半阴影）来控制灯光强度的衰减渐变。【Color Range】右下方有渐变控制区，左边为灯光照射范围边缘的颜色和亮度，【Selected Position】（选择位置）为0；右边表示灯光中心的颜色和亮度，【Selected Position】（选择位置）为1。如果有两种以上不同的颜色点，灯光从原点到终点会产生颜色渐变，如图1-35所示。【Penumbra】只有在【Light Shape】为【Cylinder】和【Cone】时才可用。
图1-35
通过改变【Volume Light Dir】可以控制光线是Outward（向外发射）、Inward（向内发射）、Down Axis（沿轴向下）。当选择Down Axis时灯光图标中会出现一个箭头指明灯光的方向，在默认情况下Down Axis指向Y轴的负方向，如图1-36所示。
图1-36
【Volume Light Dir】下面的【Arc】（弧度）属性除了【Light Shape】为【Box】外其他三种都可以用，它用来调整圆的弧度。【Arc】值的范围是0～360°，默认值为360°，若值为180°将变成半圆，如图1-37所示。
图1-37
【Cone and Radius】属性只有在【Light Shape】为【Cone】时才可用。改变此值将改变圆锥顶点的半径，【Cone and Radius】默认为0，值为1时顶点的半径和地面圆半径相同。图1-38所示为圆柱体积灯和圆锥体积灯的【Cone and Radius】为1时的对比。
图1-38