متریال Mia-Material و Mental ray

.:. soroosh .:. · Apr 20, 2010

مدتی پیش با یکی از دوستان ( hamed1star ) قصد داشتیم بخشی از هلپ مایا را که در رابطه با متریال Mia-material هست را ترجمه کنیم.
چون هم هلپ بسیار کاملی هست و هم اینکه این متریال بسیار عالی عمل میکنه و یکی از بهترین متریال های منتال ری هست که برای مایا و مکس کاملا مشترک هستند .
که خب به دلیل کمبود وقت و ... نتونستیم این موضوع را عملی کنیم .
تا اینکه داشتم تو اینترنت میگشتم که چشمم خورد به همون مقاله به زبان فارسی .
یکی از دوستان زحمت کشیدن و اون مطلب را ترجمه کردن که به دوستان عزیزی که منتال ری کار میکنن حتما پیشنهاد میکنم این مطلب را کامل و دقت بخونن .
خب دیگه بریم سراغ مقاله :

کتابخانه معماری Mental ray
Mental ray دارای یک کتابخانه از انواع سایه زن ها می باشد که جهت معماری و طراحی های بصری مورد استفاده قرار می گیرد.بهترین قسمت این کتابخانه mia-matrial است که شامل موادی آماده با کاربری آسان می باشد.قسمت دیگر این کتابخانه مربوط به موادی جهت طراحی آسمان و خورشید و همچنین ابزار های کوچکی جهت سایه زنی کنج ها و نقاط تیز و ... می باشد.مواد به تنهایی در کتابخانه Mental ray با پسوندmi به اضافه یک لینک موجود بوده و قابل افزودن به مواد داخلی مایا می باشد. مثال

Link "architectural.mi"
Include "architectural.mi"

برای استفاده از این کتابخانه نیاز به Mental ray با نسخه ۳.۵ به بالا است.

Mia-material چیست ؟
Mia-matrial یک ماده سایه زنی یک پارچه است که برای رفع احتیاجات کاربرد های معماری و طراحی محصولات سه بعدی به صورت واقعی ایجاد گردیده است این کتابخانه اکثر سطوح جسم سخت مانند چوب ، فلز و شیشه را می تواند باز سازی نماید.به صورت خاص این کتابخانه برای بازتابهای سطوح بسیار صاف و صیقلی و همچنین انعکاسهای معمولی و همچنین شیشه با کیفیت بالا طراحی گردیده است.
خصایص اصلی این کتابخانه:
۱- راحتی استفاده از آن
۲- چهار چوپ دقیق و صحیح
۳- الگوهای متعدد
۴- امکان مانور BRDF – کاربر می تواند جهت بازتاب و چگونگی آن را مشخص نماید
۵- شفافیت مواد جامد و ظریف
۶- امکان سایه زنی لبه های اشیاء به صورت واقعی
۷- کنترل غیر مستقیم نور دهی
۸- حالت انتشار Oren-Nayar : حالت پودری دادن به اشیائ همچون خاک
۹- نمایش سطوح براق و صیقلی
۱۰- یک سیستم سایه زنی همه کاره
۱۱-شبیه سازی سطوح براق و واکس خورده ، انعکاس شبنم، فلزهای رنگ خورده و...

این مقاله به چندین بخش تقسیم می گردد.بخش اول شامل نکات پایه و اساسی ، بخش دوم شامل پارامترها و بخش سوم شامل نکات و مسائل مهم می باشد.

اصول و بنیادها:
هدف اولیه mia-matrial ایجاد مواد کاملاً واقهی است از این رو خروجی این مواد HDR(High Dynamic Range) می باشد.چگونگی نمایش مواد به صورت کاملاً واقعی و صحیح بستگی به قرار گیری رنگ ها در هنگام رندر صحنه ای که شما می بینید دارد.
زمانی که با mia-matrial کار می کنید.این کتابخانه به شما اطمینان می دهد که عملیات tone mapper/exposure و تصحیح گاما به خوبی انجام پذیرفته یا خیر؟

در خصوص گاما:
تشریح کلیه نکات و جزئیات مربوط به گاما از حوصله این گفتار خارج است فقط به بازگویی نکات ضروری و مهم بسنده می کنیم.
فضای رنگی نمایشگر کامپیوتر در حالت نرمال خطی نمی باشد.برای مثال میزان روشنایی رنگها در محیط RGB با مقادیر R=۲۰۰,G=۲۰۰,B=۲۰۰ دو برابر رنگها در حالت RGBبا مقادیر R=۱۰۰,G=۱۰۰,B=۱۰۰ نمی باشد یعنی حالت اول روشنتر از حالت دوم نیست.
این ایراد از سیتم نمی باشدبه خاطر اینکه چشم انسان تنها نور فضا های غیر خطی را می تواند ببیند و به همین خاطر در مثال فوق معمولاً در ک این نکته که حالت اول باید دو برابر روشنتر از حالت دوم باشد مشکل است و همچنین فضای رنگی در نمایشگر کامپوتر به صورت نرمان غیر معمول می باشد.علت اصلی که فضای ۲۴ بیتی به اندازه چشم انسان خوب عمل می کند نیز همین است.مشکل اینجاست زمانی که می خواهید در فضای کاملاً خطی کار کنید باید کارت گرافیک و سایر ابزار الات مربوط را به درستی تنظیم نمایید.
راه حل این موضوع و شناساندن ترسیم های درست به سیستم را در اصطلاح تصحیح گاما یا gamma correction می گویند.
اکثر نمایشگرها گاما یی در حدود ۲.۲ دارند ولی اکثر نرم افزارها به صورت پیش فرض میزان گاما را برابر ۱ قرار می دهند و این باعث می گردد که رنگهای میانی تصویر کمی تاریک به نظر برسندو مناطق روشن به خوبی نمایش داده نشوند.با توجه به اینکه تصحیح گاما امری کاملاً صلیقه ای است و بستگی به نظر و تجربه کاربر دارد چنانچه میزان گاما را در نرم افزار مربوطه چیزی در حدود ۱.۸ قرار دهید ممکن است مناسب باشد.
منبع اصلی هم احتمالا : designator.ir

.:. soroosh .:. · Apr 20, 2010

Tone mapping :
یکی دیگر از روشهای ترسیم و نمایش خواص داخلی مواد از طریق رندر صحیح میزان پیکسلها به صورت tone mapping می باشد.یکی از سایه زنها ساده که در کتابخانه mental ray موجود می باشد شامل tone mappingمی گردد کتابخانه ای به نام mia_exposure_simpl است.
Final Gathering and Global Illumination :
مواد برای این ساخته و طراحی می شوند تا در محیط های نورپردازی شده به صورت واقعی اجسام را نمایش دهند حال چه این نور مستقیم و یا غیر مستقیم تابیده شوند.
در mental ray دو روش جهت نورپردازی مورد استفاده قرارمیگیرد

۱-Final Gathering(FG)
۲-Global Illumination(GI)

برای کسب نتیجه بهتر باید یکی از حالتهای زیر استفاده نمائید.نهایتاً شما باید یا Final Gathering را فعال نمایید و یا از Global Illumination جهت کسب کیفیت بهتر استفاده نمایید. در مورد نحوه استفاده از این دو روش در جای خود بحث خواهد شد.
نحوه استفاده صحیح از نورها :
در اکثر کارتونهای که معمولاً ساخته می شوند میزان شدت نور زمانی که از منبع آن دور یا نزدیک می شوید تغییر نمی کند . در دنیای واقعی به همین سادگی نیست . شعاع های نور زمانی که از یک منبع نور واقعی دور می شوند از یک دیگر دور شده و پراکنده می شوند و شدت نور با توجه به فاصله تغییر می کند . این از هم پاشیدگی توسط فرمول ۱/d^۲ محاسبه می گردد. شدت نور با مربع فاصله نسبت عکس دارد.
یکی از دلایل اینکه به صورت بسیار ساده ازاین روش نور پردازی استفاده می شده عدم وجود tone Mapping در گرافیک کامپیوتری سنتی و اشکال در متمایل شدن رنگها به سمت رنگ سفید بوده که علارغم خواسته ، طراحان مجبور به استفاده از آن بودند.
به هر حال از زمانی که FGبه صورت یک روش جهت نورپردازی غیر مستقیم استفاده می شده است اما روشهای سنتی نیز هنوز کاربرد دارند. هر منبع نور که بدون پراکندگی رند می شود ممکن است دلیل معقولی برای آن وجود داشته باشد.این به خاطر آن است که FGتنها روشی برای انتقال نور از یک سطح به سطح دیگری است و نه از یک منبع نور به یک سطح و اگر با Gi مورد استفاده قرار گیرد موجب آشفتگی خواهد شد.
زمانی که GI را فعال می کنید منبع نور از خود فوتون متصاعد می نماید که برای کار با mia_matrial امری ضروری است . انرژی فتونها منبع نور با نوع آن باید یکسان باشد تا از پاشیدگی و تفرق داخلی خود بتواند استفاده نماید.از این رو زمانی که از GI استفاده می نمایید :

۱- منبع نور باید فوتونهایی با انرژی صحیح تولید نمایند.
۲- نور مستقیم باید پاشیدگی مناسب ایجاد نماید تا با تفرق فتونها یکسان شوند.
بنابر این باید مطمئن شوید که Light Shader و Emission Shader با نوری که وجود دارد به خوبی کار می کنند.

مشخصات:

Shading Model – مدل سایه زنی :

از دید پرسپکتیو مدل سایه زنی از سه قسمت تشکیل گردیده است :
*diffuse –پراکندگی کانالها و استفاده از سطوح ناهموار Oren Nayar
*Reflection- انعکاس سطوح صاف و صیقلی anisotropic
*refraction- شفافیت سطوح صاف و صیقلی anisotropic

نور مستقیم و غیر مستقیم از یک صحنه هر دو باعث پاشیدگی و پراکندگی انعکاسها به خوبی یک سطح نیم شفاف (translucency) می شود.همچنین نور مستقیم باعث ایجاد Highlight های رایج خواهد شد.
Raytracing برای جلوه های انعکاس و انکسار و ایجاد انعکاس و انکسار پیشرفته از سطوح صاف و صیقلی مورد استفاده قرار می گیرد.
سرعت رندر در جلوه های انعکاس و انکسار به خوبی رندر انعکاسها به کمک FG می باشد.
نگهداری انرژی-energe Conservasion :
یکی از مشخصات مهم مواد این است که به صورت خود کار انرژی را نگهداری می نمایند. این بدین معناست که : Diffuse+Reflection+Refraction<=۱ می باشد و انرژی به صورت خودکار تولید نمی شود و انرژی نور به صورت صحیح میان Diffuse, Reflection ,Refraction توضیع خواهد شد . این یکی از اولین و مهمترین قوانین ترمودینامیک می باشد.
برای مثال چنانچه میزان Reflection افزایش یابد دو قسمت دیگر یعنیDiffuse, Transparnecy کاهش می یابد.

قوانین:

*Transparnecy انرژی خود را از Diffuse می گیرد در حالتی که میزان Transparnecy برابر ۱۰۰% باشد Diffuseبه هیچ وجه وجود ندارد
*Reflection انرژی خود را از Diffuse , Transparnecy میگیرد زمانی که Reflection برابر ۱۰۰% باشد دیگر نه Transparnecy و نه Diffuse داریم.
*Translucency نوعی از Transparnecy میباشد و refr_trans_w میزان درصد Tranclucency با Transparnecy را مشخص می نماید.

این بدین معناست که میزان Highlight با Glossiness رابطه مستقیم دارند. میزان refl_gloss بالا باعث انعکاس باریکتر و شدت Highlight بیشتر و همچنین میزان کمتر آن باعث انعکاس عریض تر و شدت Highlight کمتر می شودو به همین خاطر در حالت اخیر انرژی گسترش یافته و گسترده تر از زاویه حجمی اجسام می گردد.

.:. soroosh .:. · Apr 20, 2010

قسمت سوم
BRDF – انعکاس بر اساس زاویه:
در دنیای واقعی انعکاس سطوح اغلب بر اساس زاویه دید ، از شیء صورت می گیرد.BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) روشی است برای تشخیص اینکه چه مقدار مواد از زوایای مختلف نور منعکس می نمایند .

بسیاری از مواد مانند شیشه ، آب و غیره را رفتاری شبیه آن چه گفته شد دارند.مواد با جلوه های frensel بهترین مثال می باشد اما مواد لایه ای دیگر همانند چوب با لایه ای از لاک الکل ، پلاستیک و ... همچنین رفتاری را دارند.
Mia-matrial جلوه های دو گانه ای از انعکاس را توسط شاخص Reflection در دو زاویه تعریف می نماید:

*صفر درجه(سطوح موازی با دوربین).
*۹۰ درجه (سطوح عمود بر دوربین).

مشخصات Reflection :
انعکاس نهایی هر سطحی از سه عنصر زیر تشکیل یافته است:

۱- جلوه ی Diffuse
۲- انعکاس ساده
۳-درخشش ناشی از انعکاس منبع نور در سطوح

در دنیای واقعی highlight انعکاس منبع نور می باشد. ولی در گرافیک کامپیوتری به گونه دیگری تعریف می شود ، به هر حال برای حفظ دقت طبیعی، مواد به صوررت خودکار شدت( intencity ) ، جلا (glossy ) و Anisotropy و ...highlight را نگهداری می نماید. در هماهنگی میان شدت ، جلا و انعکاس Anisotropy هیچ گونه کنترل کننده های مجزایی برای تنظیمات انعکاس ندارد.

مشخصات Transparency :
مواد به صورت کامل انعکاس Anisotropic یک جسم شفاف را به خوبی مانند یک جزء نیمه شفاف پشتیبانی می نماید.

مواد جامد و مواد نازک:
transparency/translucency در اجسام جامد و یا نازک اعمال شوند. تمامی اشیاء همانند یک جسم جامد در تمام حالتها رفتار نمی کنند گاهی یک شیشه پنجره در مدل های معماری باید به صورت دو وجهی طراحی شود:سح ورودی(که نور از آن به آرامی از یک سو وارد می شود)و سطح خروجی (جایی که نور شکسته شده و مقداری از آن به صورت بازتابش بر می گردد).
چنانچه قرار بود سطوحی همانند آنچه گفته شد به روشی معمولی طراحی شونداولاً وقت گیر بوده و در ثانی منابع رندر را جهت عبور درصدی از نور هدر می دهند.از این رو مواد اجازه می دهند که طراحی یک شیشه پنجره مانند یک سطح تخت یک رو انکسار واقعی از نور را داشته باشد.

در تصویر فوق سایبان شیشه ای هلیکوپتر ، شیشه پنجره ، تصویر پرده نیمه شفاف در پنجره و کره سمت راست همه از خاصیت transparency/translucency مواد نازک یا Thin-walled استفاده شده و در حالیکه کره سمت چپ ، اسب پلاستیکی و جام شیشه ای از transparency/translucency مواد جامد و یا Solid استفاده شده است.
ورای شفافیت طبیعی (مدلهای دارای خواص واقعی مواد) یک کانال غیرطبیعی کاملاً جداگانه ای به نام cutout Opacity وجود دارد که اجازه می دهد اشیاء یی همانند درختان و یا اشیاءجداشده از یکدیگر مانند حضاری زنجیری فلزی با یک ماسک نیمه شفاف به یکدیگر مرتبط باشند.

Ambient Occlusion داخلی :
Ambient Occlusion یا AO شیوه ای است که در صنعت فیلم برای شبیه سازی نور پردازی همه جانبه که به وسیله سایه زنها یی که از ورود نور به منطقه ای جلوگیری می نماینئ ، استفاده می شود.
زمانی که به تنهایی از سایه زن AO استفاده می شود خروجی رندر ، یک تصویر خاکستری رنگ است که در نقاط کم نور تیره تر و در نقاطی که نور بیشتری وجود دارد روشنتر است.

به عنوان مثال تصویر فوق یک نتیجه کلی از AO میی باشد که در شکاف ها و درزها ، تاریک و مناطق دیگر روشن هستند.یکی از ویژگی های مهم AO این است که می تواند فاصله میان نقطه دید تا جایی که مانعی وجود دارد را هماهنگ نماید.

از radius جهت تمرکز جلوه های AO استفاده می شود. یعنی تنها سطوحی در منطقه ای که توسط radius معین می شود ، واقع شوند ، اثر می گذارد. نتیجه عملی AO این است که سایه های مرتبط ایجاد نموده و باعث می شود که شکاف ها و درزهای کوچک به خوبی نشان داده شوند
دو روش برای استفاده از AO داخلی در کتابخانه mia_matrial وجود دارد:

۱- روش سنتی AOاین است که ابتدا یک ambient light ایجاد نموده و سپس با کاهش AO جزئیات را ایجاد نمایید.
۲-استفاده از AO برای افزایش جزئیات با کمک روش نور پردازی غیر مستقیم موجود همانند final gathering, global illumination .

روش دوم بسیار مفید خواهد بود مخصوصاً زمانی که میزان Photon radius را افزایش داده و یا final gather density را کاهش دهید.زمانی که AO را با پرتو های نور کوتاهتر استفاده نمایید جزئیات کمتر نمایش داده خواهد شد.

مشخصات کلی:
در نهایت کتابخانه mia_matrial شامل دسته بزرگی از توابع داخلی با کارکرد بسیار عالی می باشد که به موارد ذکر شده محدود نمی شود مانند:
۱-Advanced importance sampling با ray rejection thresholds
۲- تبدیل محاسبات glossy sample
۳-وارد کردن glossy reflection/refraction با جزئیات کامل
۴- شبیه سازی بسیار سریع اننعکاس در سطوح بسیار صاف ( در حالتrefl_hl_only )
۵-امکان غیر فعال کردن انعکاس داخلی برای اشیاء صاف و صیقلی
۶-امکان انتخاب میان transparent shadows سنتی( مناسب برای شیشه پنجره) و refractive caustics (مناسب جهت اشیاء جامد شیشه ای) برای هر ماده اساسی.

.:. soroosh .:. · Apr 20, 2010

ارامترهای مواد:

انتشار – Diffuse :
Diffuse_weight میزان انتشار انعکاس را به دلخواه شما تنظیم می نماید . موادی که انرژی را ذخیره می نمایند میزان انتشار واقعی را بر اساس انعکاس و شفافیت مورد استفاده قرار می دهند.
انتشار اجزای اجسان از مدل سایه زنی Oren-Nayar تبعیت می نماید. زمانی که میزان diffuse_roughness برابر صفر تنظیم گردد سایه زنی دقیقاً شبیه ماده lambert خواهد بود.اما با افزایش این میزان سطح شیء حالت پودری پیدا می نماید. به تصویر زیر دقت نمایید:

برای ديدن تصویر در اندازه واقعی بر روی آن كليك كنيد. اندازه واقعی: 400 * 800

انعکاس – Reflaction :
Reflactivity و refl_color هر دو با هم میزان انعکاس را تعیین می نمایند. همانند intensity که میزان highlight را مشخص می نماید و همچنین specular highlight .
این مقدار که حداکثر میزان انعکاس می باشد معمولاً به منحنی BRDF و زاویه سطح بازتابنده بستگی دارد. این منحنی میزان brdf_۰_degree_refl و brdf_۹۰_degree_refl را تعریف می نماید.

برای ديدن تصویر در اندازه واقعی بر روی آن كليك كنيد. اندازه واقعی: 400 * 800

به تصویر فوق توجه نمایید:
* فنجان سمت چپ هیچ نوع انعکاسی نداشته و میزان diffuse آن بسیار کم می باشد.
* فنجان وسطی میزان brdf_۰_degree_refl برابر ۰.۱ و میزان brdf_۹۰_degree_refl برابر ۱.۰ می باشد.
* در فنجان سمت راست میزان brdf_۰_degree_refl و brdf_۹۰_degree_refl برابر ۰.۹ میباشد و انعکاس در سطح فنجان پیوسته و سراسری می باشد.

میزان انعکاس بالا به صورت خودکار از میزان انتشار رنگ سفید می کاهد. اگر چنین اتفاق رخ ندهد این ماده به صورت غیر طبیعی بسیار روشن و نورانی می شود.
پارامتر refl_gloss میزان جلا و صیقل سطح را میان عدد صفر الی یک تعیین می نماید.

برای ديدن تصویر در اندازه واقعی بر روی آن كليك كنيد. اندازه واقعی: 400 * 800

پارامتر refl_samples حداکثر تعداد پرتئهای که یک سطح براق از خود منعکس می نماید را تعیین می کند. میزان بیشتر باعث کند شدن سرعت رندر شده اما سطح بسیار نرم تر و بهتر به نظر می آید و بالعکس.و به طور کلی مقدار۳۲ در اکثر موارد بهترین نتیجه را به همراه دارد.
دو انتخاب خاص وجود دارد:
*میزان refl_gloss برابر با ۱.۰ بهترین حالت برای اجسام آیینه ای است.
*زمانی که refl_samples برابر صفر تنظیم گردد انعکاس شیء حالت آیینه ای خواهد داشت علی رغم اینکه میزان refl_gloss به چه میزانی تنظیم گردد. این حالت برای سطوحی که انعکاسی صیقلی دارند مورد استفاده قرار می گیرد.میزان highlight از میزان glossiness پیروی می نماید.

اشیاء فلزی معمولاً رویرنگ نوری که منعکس می گردد تاثیر می گذارد بالعکس سایر مواد.برای مثال یک شمش طلا یک انعکاس زرد دارد در صورتی که یک گوی شیشه ای قرمز رنگ انعکاس قرمز رنگ ندارد. این خاصیت توسط refl_is_metal قابل تنظیم می باشد:
*زمانی که غیر فعال باشد پارامتر refl_color پارامتر های رنگ و انعکاس را تعیین می نماید.
*زمانی که فعال باشد.پارامتر diffuse میزان رنگ و انعکاس را تعیین نموده و پارامتر reflectivity توازن میان انعکاس و حالت فلزی اشیاء را برقرار می نماید.

برای ديدن تصویر در اندازه واقعی بر روی آن كليك كنيد. اندازه واقعی: 400 * 800

به تصویر بالا دقت کنید:
*فنجان سمت چپ انعکاس فلزی ندارد و میزان refl_is_metal غیر فعال می باشد . مشاهده می نمایید که انعکاسها فاقد هر نوع رنگ بوده و رنگ فنجان تاثیری بر انعکاس آنها ندارد.
*فنجان وسطی از انعکاس فلزی استفاده نوده و refl_is_metal فعال می باشد .اکنون مشاهده می نمایید که رنگ انعکاس از رنگ فنجان تاثیر پذیرفته است.
*فنجان سمت راست متفاوت می باشد میزان relectivity برابر۰.۵ می باشد در این حالت انتشار انعکاس و انعکاس رنگ در حدود پنجاه پنجاه می باشد.