Gamma值在三维软件maya的mentalray中的运用

　　摘要：在动画兴起的今天，对动画的制作要求越来越高，高级渲染引擎的运用越来越受到青睐，针对maya的mental ray渲染引擎普遍遇到的问题，由此引入计算机渲染的两大色彩区域从而提出正确认识gamma值在mental ray中的概念以及准确运用Gamma校正的方法，从而提高三维动画渲染效率和效果。
　　关键词：mental ray；Gamma值；Gamma校正
　　1 Gamma值的研究背景
　　21世纪最热门的词汇莫过于CG，computer graphic 计算机图像学，其分布之广，运用之多涉及面之广，而受到关注。自从1994年三维动画片《玩具总动员》热播以来，三维动画悄然走进了动画历史舞台。以三维动画创作为主的动画设计公司也相继成立了，梦工厂、皮克斯等，甚至曾经的二维动画领军迪斯尼也跻身三维领域。计算机制图尤其三维动画的流行，越来越多人开始对maya 软件青睐，而在maya 软件中，最为强大的内置高级渲染引擎器 mental ray[1]就随之越来越受到创作人员的喜爱.但对于如何设置软件渲染值达到最佳效果值得探讨.
　　针对亮部特别亮而暗部又特别漆黑的图像信息，其实大多不是参数或者灯光设置上，而是Gamma值的调节未经调试。原因在于即使渲染参数都对，但由于计算机在渲染时的进位制，与人眼接收图像信息的程度不一致导致的。Gamma 值就是一个转换值也可以说是个平衡值，让我们预想提亮和压暗的预想值，跟电脑计算渲染效果吻合达到预期效果而产生的。简单地说就是计算机渲染的图片和我们人眼接收到的图像信息不一致，所得非所看，所以图片信息中间需要一个转换值那就是Gamma值。换句话说最关键就是对计算机的渲染原理以及重要参数不了解，尤其在计算机图像学中的Gamma值忽视，而导致动画渲染图片做到理想效果。
　　2 被忽略的Gamma值
　　查阅资料以及图书，如《maya易经-mental ray渲染原理与技术》、《Maya2011白金手册―MENTAL RAY渲染篇》、《Maya＼Mental Ray材质与渲染大揭秘》等等书籍着重讲解灯光，模型合理布线问题，却忽略Gamma值概念的介绍和Gamma校正调试，造成对Gamma值的忽略。误认为学习渲染是只学习灯光设置，贴图材质的运用就大功告成了。Gamma值知其存在便可以，渲染时可有可无，无需调试和学习。殊不知，所有的计算机图形学，只要有计算渲染与显示器的存在，就要对Gamma值进行调试，所以对Gamma值的不理解或者不会运用，将直接导致渲染效果的色差。有部分人也认为Gamma值只是硬件显示器输出的范畴与软件渲染无关系或者无直接关系，但对于高级渲染引擎，Gamma值的概念以及运用至关重要起着举足轻重的作用。
　　2.1 Gamma值在mental ray 中的概念
　　那究竟Gamma值是什么，其在maya的高级渲染引擎中的定义和作用是什么呢？Gamma在不同的上下文环境中，有不同的含义，一个意思是表示对原始信号的一种变换，另一个意思是表示这种变换的度量参数，还可能表示显示器Gamma，系统Gamma，文件Gamma三个概念中的某个具体概念。[2]而今天主要讨论的是系统Gamma所表示的变换，是计算机系统在读取了照片数字文件之后，在输出到显示器之前的一种变换，对于windows系统它存在于显卡中，是可调节的，可校正的。这正是今天我们要讨论的重点。系统Gamma挪用到在软件maya内置高级渲染引擎中的运用。其原理如下：Gamma存在的原理：在低照度下，人眼更容易分辨出亮度的变化，随着照度的增加，人眼不易分辨出亮度的变化，而摄像机感光与输入光强呈线性关系， 而计算机与摄影机原理一样，所以要进行转化，转化为人眼适应的影像阴影、颜色关系。[3]
　　maya中的高级渲染引擎mental ray正是运用此原理处理图像信息。所以在动画图片渲染的时候未经过Gamma校正的图片，即使图像信息都正确，但并非符合人眼对图片信息接收的审美，需要转化才可渲染出理想的图像。这也正是Gamma值存在的意义所在，用来方便调试图片信息，方便人眼接收的图片信息，以及与计算机渲染信息图像的交流调试。
　　2.2 mental ray渲染引擎中两大不同的色域
　　Gamma值的意义，不仅说明其重要性以及必要性，更需要掌握的是明确maya的mental ray渲染引擎中，存在着两套颜色管理空间。其分别是Gamma值为1的线性颜色空间和Gamma值为2.2的SRGB[4]空间，其函数计算的数值曲线如图所示。换句话说，就是一个颜色空间便于计算机数值计算的空间；另外一个颜色空间就是利于显示器显示符合人眼适应的影像关系的空间（如图1所示）。
　　Gamma值为1的线性颜色管理空间，其存在是因为三维渲染器在计算时所产生的影像是应用的线性数学而产生的。为了方便运算，所以图像数学算法都是针对线性色彩空间，如图层Screen（屏幕）、MUTIPLY（相乘）的图层模式的计算，而且常用的CG图像都是以线性色彩空间存储的。常用图片的格式为高动态图，格式如hdr 、32位tiff等等，其储存亮度信息多，符合计算机渲染计算公式易于在计算机中渲染输出，缺点占用空间大、不符合人对图片观察的阴影的关系习惯，人眼看Gamma 值为1的图片未经校正，图片亮部信息较亮，暗部信息发黑。
　　然而，我们的显示设备，如监视器，不会使用线性数学的方式来将这个数据图像化。所以又有与之相对的SRGB颜色管理空间。正因如此，符合人眼接收的信息颜色空间，其经过推算，
　　于1996年为Gamma值2.2的颜色空间， 孕育而生其图片格式如jpeg 、png 等等就是存在于此颜色空间管理的图片格式，其优点符合人眼看图习惯，但颜色信息会因转换而丢失，尤其亮部图像信息和暗部的图像信息。   如何平衡才是计算机渲染质量的关键所在。换句话说这就是需要我们管理好此两个颜色空间中图像的转换，致力避免不必要颜色在转换中的信息丢失和发挥其各自的长处，彼此取长补短。
　　2.3 Gamma值 2.2 与0.45的设置的叙述
　　模拟用户使用环境，测试，最终把显示器调到一个看起来舒服的值，最终实验出来是2.2，据此，微软和惠普于1996年发布了SRGB标准，规定了8位图片的标准是Gamma 2.2，从此以后，本来Gamma百花齐放的显示器和摄像机的Gamma就都沿用了2.2。 [5]
　　Gamma校正的目的是为了人眼的需求而设置的，图像信息的参数都是目测调的，人眼才是决定者。所谓＂非线性＂即意味着，如果施加在阴极摄像管的电压强度 V 增加1倍，屏幕表面所输出的光强度，并不会很理想的相应增加一倍[6]。所以利用Gamma值转化与其函数，用公式应用到了maya的高级渲染引擎mental ray中。
　　曲线间数值的互换如下 ：
　　线性计算机图像信息值*0.45 人接收的图像信息值；
　　人接收的图像信息值*2.2 线形计算机图像信息值。所以就有了2.2与0.45数值的设置。
　　2.4 Gamma 校正过度出现的原因
　　而知道转换的必要，也明确转化的参数，但未必就可利用好Gamma值运用渲染出好的动画图片。其中的一大难点就是过度矫正。因为Gamma校正一次最为理想，二次校正就会让图片变得苍白丢失图像信息细节。
　　过渡校正是许多初学动画渲染创作者经常的犯错点。原因有三：第一点区别两个色彩颜色空间各自管理的图片格容易混淆。二为两者图片转化的之多容易出现错漏。第三渲染细节调试难于把控数值，因在maya 内置mental ray渲染的显示与计算渲染是分开的，就是所看不是所得，调控的数值如没经过Gamma值转换也很难调试出我们需要的效果。
　　3提出方法解决
　　针对上述易犯错的原因，为了避免两颜色管理区域的混淆和避免过度校正带来的图像信息丢失，在maya 的mental ray中提出以下方法：
　　1）了解计算机色彩空间的划分，理解低动态范围图与高动态范围图的联系与区别。
　　区分低动态范围图与高动态范围图像[7]的格式，明确两颜色管理的区分和明白存在的意义。所谓的Dynamic Range（动态范围）是指一个场景的最亮和最暗部分之间的相对比值。一张HDR图片是由不同曝光值的普通动态范围图像信息组成，其记录的图像信息远远超出256个级别的实际场景的亮度值。低动态图就是8位通道图像，也就是显示器可以显示的色彩数量。分别把两种动态图的格式记录下，归类划分好不同的色彩管理空间，明确图像信息。
　　2） 要把mental ray中的光线以及材质都先变成线性颜色管理的图片信息，如在默认的jpeg ，png、png、tga等普通动态范围图像也称LDR[7]需要通过Gamma校正用，图像节点乘以2.2使其响应值是1。如果是材质运用程序纹理生成的图像则不用校正，避免二次校正也就是我们所说的过渡校正，而且要确保maya中mental ray的光线也是线性色彩空间中。
　　3） 确保后，在全部用maya 色彩管理一次性校正回响应值为2.2的Gamma值，让光线材质一致为SRGB中的图片信息适合人眼的需求。
　　这种方法的优点避免二次校正也称过度校正，有效提高效率，避免两个空间色彩管理的混淆，先统一把图像通过Gamma校正放置线性颜色空间中，用适合计算机计算的线性颜色管理空间，有利于节省时间提高效率。最后转换成SRGB颜色图像信息，渲染效果可视化可调控，因为都在SRGB色彩中所看即所得，对于光线明暗的调节，方便调适把控渲染细节微调。
　　4局限性
　　未能应用于所有的三维软件中，只适合maya渲染引擎mental ray主流软件使用，对于其他三维软件的渲染，虽然Gamma值校正的原理一样，但细节设置未能相同。因为上述是原理讲解以及方法的提出，具体参数调节未能一一道明，意图在于阐述渲染原理提出方法，而不是制定规章制度，希望提出的方法能为动画创作者提供新的正确的思路，为中国动画腾飞作铺垫。
　　参考文献：
　　[1] 楚云.maya易经――mental ray渲染原理与技术[M].北京：电子工业出版社，2009.
　　[2] 火星时代.Maya2011白金手册―MENTAL RAY渲染篇[M].北京：人民邮电出版社，2011.
　　[3] 陈路石.Maya＼Mental Ray材质与渲染大揭秘[M].北京：清华大学出版社，2014.
　　[4] 孔令德.计算机图形学--基于MFC三维图形开发[M].北京：清华大学出版社，2014.
　　[5] 谢远涛，杨娟.广义Gamma分布簇广义线性混合模型理论与应用[M].北京：对外经济贸易大学出版社，2014.