【Maya】Arnold渲染器的学习（1）：基础介绍

 

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【Arnold阿诺德渲染器简介】

Arnold渲染器同MentalRay渲染器一样，都属于基于物理的光线追踪渲染器。相对于MentalRay，Arnold舍弃了会造成渲染错误的算法，简化了生产流程，提高了工作效率。如果仅从渲染速度和质量上， Arnold不一定比MentalRay有优势，但它在人工时间上的节省，受到了广大艺术家的欢迎。

基于Maya平台， MentalRay比Arnold具有更高的兼容和稳定性，但在MentalRay停止开发和Arnold日益完善的情况下，即使是对MentalRay情有独钟的用户，也不得不转向Arnold的学习。

*Nvidia2007年收购了MentalRay，于2017年11月20日停止对MentalRay的后续开发，仅提供至2018年的维护工作。官方解释提到，是为了专注发展Iray这个基于GPU的渲染器。不过很明显，Nvidia作为开发和销售GPU硬件的厂商，提供CPU渲染器并不能给他的硬件产品带来更好的销售份额。

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【软件版本】

最新的Arnold 5.0版本，进一步简化了参数设置，并舍弃或将舍弃（软件中标记为Legacy）某些功能。所以旧版用户在使用新版软件时，需要转变一些操作思路。

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【技术点】

1. 高度优化，无偏差；
2. 使用蒙特卡洛（Monte Carlo）路径跟踪方式；

*蒙特卡洛是一种真实模拟实际物理过程的方法，它使用符合一定规则的随机数来解决计算问题，当采样数越大结果就越准确，它的优点是简单快速。

3. 精确的能量守恒原则；
4. 全局和局部的控制都基于采样级别和光线追踪深度；
5. 非现实的效果也能够实现。
6. Viewport2.0能实时显示Arnold着色器效果。

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【局限性】

Maya2018内置的Arnold插件，仅支持渲染视图中单帧或者序列帧渲染，如果进行后台、命令行或者网络批渲染，需要购买新的授权协议。

不支持Maya一些内置元素，例如OceanShader海洋着色器、RampShader渐变着色器，半数工具节点，AmbientLight环境光和VolumeLight体积光。

相比MentalRay，Arnold的焦散效果（causticEffect）很弱，在制作透明物体的焦散照明效果时要谨慎。

*焦散是光线穿过透明物体时，光线折射后在投影出现分散的光点的现象。例如玻璃底部地面上的亮光、较浅水底的波光粼粼现象。

默认Arnold渲染噪点很多，而渲染噪点的种类划分较细，参数的采样数设置需要不断尝试。

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【相关概念】

1.着色器

着色器（shader）就是用来实现图像渲染的可编辑程序，在三维动画软件中以材质球（material）的形式显示，也就是我们常说的材质。通俗的举例，就是米（着色器）和饭（材质）的关系。在Maya的Arnold插件中，Arnold的内置着色器都会添加“ai”的前缀，例如aiStandardSurface。

Arnold着色器和MentalRay着色器的属性大同小异，而更像是针对MentalRay的不足，Arnold的着色器加入了一些MentalRay无法简单实现的功能。尤其是AmbientOcclusion白模效果的渲染，Arnold比MentalRay更快更精确。

 

2.灯光

Arnold灯光没有光子控制功能，采用基于物理算法的光线反弹，简化了照明操作。Arnold自带有区域光（AreaLight）、天穹光（SkydomLight）、网格灯光（MeshLight）、光度学灯光（PhotometricLight）。除了特殊的聚光灯，布光时很少会采用其他Maya内置灯光。

室内场景多用区域光模拟人造光源的直接照明或者墙体反弹光线的间接照明；室外场景则使用天穹光模拟自然天光；网格灯光用于制作一些人造发光体，它产生的画面噪点比着色器自发光要少得多，例如荧光棒、广告灯箱；光度学灯光使用真实世界灯光测量得到的数据，由灯泡制造商提供，需要使用例如Erco、Lamp、Osram 和 Philips 等公司的 IES 数据图。

 

3.摄像机

支持透视、鱼眼、球形、圆柱形、正交以及VR摄像机（通过球形和VR摄像机，可以进行HDR全景图片的渲染）。摄像机可以使用过滤器贴图生成渐晕式效果，同时支持景深和散景效果调节，可以自定义镜头扭曲的UV重映射。

 

4.几何体

Arnold对场景比例要求较高，通常情况下，建议按真实世界比例1：1进行建模。Arnold支持庞大的多边形网格，并且占用内存较少。类似MentalRay的细分代理功能，Arnold也可以在模型执行渲染时候进行圆滑级别的设置，甚至可以根据几何体外观进行局部圆滑。为了优化渲染速度，Arnold默认所有几何体是不透明的，当需要制作透明或者蒙版效果，需要同时在几何体形节点下的Arnold栏关闭Opaque选项，而不仅仅是在着色器中开启Transmission功能。

 

5.AOVs

全称：ArbitraryOutputVariables（AOVs），任意输出变量。渲染着色器的多通道，便于后期合成效果，和MentalRay的多通道渲染技术RenderPass类似。配合Maya新的RenderSetup分层技术，可以轻松分离渲染图的多个通道。

 

6.Mipmap分片纹理

默认情况下，Arnold自动使用Mipmap分片纹理格式进行贴图的转换，渲染前会在同一个贴图路径中产生同名的.tx文件（.tx文件就是.exr或.tif文件的另一种命名格式，只是多了几个额外的自定义属性以提高渲染速度，可以通过看图软件浏览）。这个纹理技术是将纹理贴图进行分片，只有在需要的时候才加载片段到内存中，减少内存的消耗。根据官方说明，.tx格式的贴图渲染速度比用.jpg的贴图格式提升了7倍。如果不需要自动转为.tx格式的功能，可以在Maya渲染设置的ArnoldRenderer选项卡下的Textures栏关闭Auto-convertTextures to TX。

 

7.渲染设置

Arnold5提供了专门的渲染视图窗口ArnoldRenderView，比Maya自带的渲染视图要强大，具有前台渲染AOVs和实时调整镜头的功能。

*在使用一些特殊着色器时，可能需要关闭窗口重开才能更新渲染视图。

MentalRay使用了多重全局光技术，加上复杂的参数设置，会增加新手用户困扰；使用Arnold只需要考虑采样数和光线深度的设置。MentalRay分通道渲染中的Diffuse指的是物体自身的漫反射，而Arnold中Diffuse则是直接和间接照明的结果，所以Arnold渲染设置中的Diffuse采样数，决定着直接和间接照明的画面噪点级别。

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【总结】

Arnold具有以下特点：友好的用户界面，精确的光线跟踪算法，较低的内存占用，易于上手的操作流程。除了广泛性上稍弱于MentalRay，Arnold的优异表现足以取代MentalRay成为生产主力，因为MentalRay已经成为历史，而Arnold还在不断发展中。