采样的基本概念&工作原理

本篇教程中涉及大量光子问题，可先移步：【渲染中的光学】   有助于理解接下来所讲内容。

接下来内容可能较为枯燥，但是基础很重要，希望各种童鞋能认真看下去，掌握好这些基础概念。这对于后面的学习很重要。

P.S.新旧版本的阿诺德中，渲染设置主菜单有所不同，新版参数更容易理解：

渲染器采样 新旧版本对比

本系列教程中演示的是旧版Arnold，但是由于我自己用的是新版的，所以截图会有新旧交替出现的情况，望周知。至于新旧版本的不同之处，有时间再仔细讨论。对于学习影响不大。

一、采样的基本概念

Arnold是基于光线追踪算法的一款渲染器，Sampling（采样）和Ray depth（光线深度）是其两个核心，理解了这两个模块的基础理论知识，才能更好的理解其他模块，本篇教程先来讨论有关Sampling。

打开C4D渲染设置，确保将渲染器设置为Arnold，在Main主菜单，可以看到相关的采样设置。

渲染时，Arnold需要获取每个像素的颜色值，然后组合在一起形成整个图像。 为了实现这个过程，Arnold会从摄像机发射出光线，当光线碰到对象后计算其表面信息，然后将信息返回。这个过程大致称为“采样”。根据采样值的大小，渲染质量也会有所不同。

简单来说，采样值等于发射到每个像素的光线数量的平方根。

例如下图中，Camera(AA)的采样值为3，其光线实际采样数量为3²=9，即采样信息栏中显示的Camera(AA) Samples: 9

从摄像机发射出的光线数量由Camera(AA)控制。Camera(AA)是一个全局倍增值，该值越高，渲染质量就越高，相应的渲染时间也会大幅增加。

Camera(AA)还是一个全局采样控制器，改变该值，会同步改变Diffuse（漫反射）、Specular/Glossy（高光/光泽）、Transmission/Refraction（透射/折射）等采样数量。

漫反射/光泽/折射等采样数量=Camera(AA）采样值² x 漫反射/光泽/折射等采样值²。

例如上图中 Diffuse Sample：36=Camera(AA）3² x Diffuse 2²

二、采样的工作原理

1、Camera（AA）（摄像机光照）

① 打开事先准备好的一个场景，包括地面、两个球体、一个抽象模型。其中一个球体是镜面反射，一个是光泽反射，抽象模型仅开启了漫反射。（后面会对材质进行详细讲解，现不用深究）

事先准备好的场景

② 打开Arnold Renderer渲染设置，将所有采样值都设置为1→启动IPR Window，可以看到渲染出的图片有很多噪点，因为采样值很低。

采样值低，渲染出的图片噪点多

③ 提高Camera(AA)采样值到3，（可以看到相应的Diffuse、Glossy...采样数量变为9，因为Camera(AA)是全局倍增值，平方关系，之前有讲过，不多赘述）。启动IPR Window可以看到图像质量明显提高——更少的噪点，更好的GI（Global Illumination 全局光照）和反射模糊。

④ 其他采样值不变，继续提高Camera(AA)采样值，会得到质量更好的渲染图片。对比图：

采样值越高，图片质量越好

以上可以看出提高Camera（AA）会提高整体渲染质量，但通常情况下，并不会采用这种方式提高渲染质量。因为提高该值不仅会增加来自摄像机的光线数量，也会增加次级光线，比如光泽、漫反射的光线数量。（再次强调，Camera（AA）是全局采样控制器/全局倍增值）

请务必记住，Arnold Renderer是基于真实物理世界进行计算的（光子反弹，光线衰减等）。我们的需求是消除这些噪点以提高渲染质量，所以要了解这些噪点到底来自哪里，是光泽产生的，还是漫反射产生的？然后去提高相应的采样值，以便提高图片质量，而不是提高全局的光线采样值（提高全局采样值会大幅提升渲染时间及最终文件大小）。

2、Diffuse（漫反射采样）

漫反射采样定义了场景中GI光子反弹的采样数量。

如果该值为0，场景中就只有直接照明（没有光子反弹），如果该值大于0，场景中的光线碰到对象表面后，就会沿半球状进行传播，如下图：

当摄像机发出的光线碰到对象表面后，光线会发生反弹，反弹后的光线称之为“间接漫反射光线”

当提高Diffuse 即漫反射采样后，Indirect diffuse rays（间接漫反射光线数量）就会增加，进而降低间接漫反射的噪点，提高GI光子反弹质量。

示例：

打开之前的场景，将Diffuse设置为0，其他采样值为1。可以看到，GI间接照明消失了，光线没有照到的区域就会变得一片漆黑：

没有间接照明，只有直接照明

只要Diffuse的值大于0，就可以看到间接照明效果：

有间接照明效果

Arnold 会自行修正物理光照效果，所以我们只需要考虑怎样降低噪点，提高渲染质量。

为了降低噪点，我们可以提高漫反射采样值，也可以提高Camera(AA)采样值，但是这样会提高所有类型的采样数量，所以如果确定噪点来自GI光子反弹，仅需要提高漫反射采样即可。一定要有针对性的提高采样值。

请务必记住两件事：

① 漫反射的实际采样数量=Camera(AA)² x Diffuse²

② 谨慎提高采样值，这会导致渲染时间大幅增加，如果噪点过多，应逐步提高采样值。

3、Glossy / Specular（光泽【旧版】/镜面反射【新版】）

基本上光泽采样控制着间接模糊（光泽）反射的质量。

当光线碰到较粗糙的表面时，就会产生模糊反射即光泽反射（光泽反射介于镜面反射与漫反射之间）。

光泽反射可以控制反射出来的光线数量，提高该值可减少光泽反射的噪点。

示例：

① 打开准备好的场景（材质较之前有所不同）→材质→完全关闭漫反射，Weight（权重）为0 →打开Specular（高光），设置Weight（权重）为1，设置一定的Roughness（粗糙度）（注意Arnold的高光涵盖了反射与高光两个概念）→得到模糊反射效果：

场景中除了天空提供照明外，还有两盏区域光，可以清楚的看见他们在球体上的反射。此图中IPR Window显示为渲染默认值结果。

② 打开渲染窗口，将Camera(AA)设为1，Glossy设为2，其余全部为0，可以看到：

有间接光泽反射

③ 如果Glossy为0，那么间接光泽反射就会消失：

无间接光泽反射，没有被直接光照照到的地方一片漆黑

注意：光泽采样控制的是间接光泽反射（次级光线），而非直接光泽反射（主光线），所以当设置光泽采样值为0时，场景中依然会有直接光泽反射。

④ 逐步提高光泽反射、Camera(AA)、灯光采样值，直到得到满意的渲染效果：

随着采样值的提高，渲染质量也逐步提高

P.S. Light samples（灯光采样）调节方法：

选中要调节的灯光对象→属性，Samples

4、Refraction / Transmission（折射采样）

折射采样控制的是透明对象，如玻璃、水。

当摄像机发出的光线碰到内部较为粗糙的透明对象时，折射光线会在对象内部随机传播，折射采样就控制着这些光线的数量。

提高折射采样值即可降低间接折射的噪点，提高渲染质量。

示例：

① 打开事先准备好的场景（ 球体和抽象对象为漫反射材质，高脚杯为玻璃材）。看一下具体的参数设置：

IPR Window显示的是默认渲染效果

我们主要观察高脚杯在不同采样值下的不同效果。

打开高脚杯的材质编辑器可以看到：高光权重为1，并设置一些粗糙度（这样对象会有一定反射）；反射权重为0（该反射仅用来快速模拟镜面反射效果），IOR设置为1.51（普通玻璃折射率），设置一定的粗糙度：0.25（这样可以得到毛玻璃而非纯透明玻璃效果），以及调整了其他设置，比如开启Fresnel（菲涅尔衍射）。

这些参数后续都会详解，这里简单理解一下就好

高脚玻璃杯还添加了一个阿诺德参数标签，关闭Opaque（不透明选项），这样才能渲染出正确的透明玻璃。

阿诺德标签后续会详解

两张区域光的灯光采样值均为4，渲染器采样值设置为默认：

以上参数，渲染结果：

② 降低渲染器采样值，可以看到渲染结果明显多了很多噪点：

③ 若将折射采样设为0，那么玻璃的折射属性就消失了：

注意：折射采样仅当玻璃具有一定的粗糙度的时候才有作用，如果将材质的折射粗糙度关闭，折射采样对于对象的作用就会消失，就会得到清晰的玻璃：

只要有一定的粗糙度，我们就需要提高折射采样以得到正确结果

④ 逐步提高光泽反射、Camera(AA)、灯光采样值，直到得到满意的渲染效果。方法同上Diffuse和Glossy设置，这里就不多说了，大家多试几次，能很明显的看出不同。

以上就是相关采样的内容，多多练习，就能熟练掌握，所有的学习方法都是一样的，不能只是纸上谈兵。

SSS和Volume indirect采样，会在以后教程中穿插介绍。下篇教程开始学习Ray depth（光线深度）。

转载请私信。

禁止私自转载！