Das mental ray-Material "Arch & Design" (Architektur & Design) dient der Verbesserung der Bildqualität beim Rendering von Architektur. Es verbessert Arbeitsablauf und Leistung im Allgemeinen und im Besonderen bei glänzenden Oberflächen (z. B. Böden).
Zu den besonderen Funktionen des Arch & Design-Materials gehören Selbstillumination, erweiterte Optionen für Reflektivität und Transparenz, Umgebungsokklusionseinstellungen sowie die Möglichkeit, scharfe Kanten und Ecken als Renderingeffekt abzurunden.
Auszug aus den mit dem Arch & Design-Material verfügbaren Materialeffekten
Bei 3ds Max Design ist Arch & Design das Vorgabematerial in den Musterfeldern des Material-Editors.
Verschiedene Vorschläge zur Verwendung des Materials für die Erstellung spezieller Effekte finden Sie unter Arch & Design-Material (mental ray): Tipps und Tricks.
Übersicht über das Arch & Design-Material
Das mental ray Arch & Design-Material ist ein monolithischer Material-Shader, der die meisten bei Architektur- und Produktdesign-Rendervorgängen verwendeten Materialien unterstützt. Es unterstützt die meisten harten Oberflächen wie Metall, Holz und Glas. Es ist speziell abgestimmt auf Hochglanzreflexionen und -refraktionen.
Hauptfunktionen:
- Benutzerfreundlich, aber flexibel: Die Steuerelemente sind logisch angeordnet, wobei die am meisten verwendeten Elemente am günstigsten platziert wurden.
- Vorlagen: Die Vorlagen ermöglichen den schnellen Zugriff auf Einstellungskombinationen für gängige Materialien.
- Physikalisch korrekt: Das Material ist Energie erhaltend, sodass es unmöglich ist, Shader zu erstellen, die nicht den physikalischen Gesetzen entsprechen.
- Leistungsverbesserungen: Zu den Leistungsoptimierungen zählen Interpolation, Hochglanz-Nachahmung und Wichtigkeits-Sampling.
- Anpassbare BRDF-Funktion (Bidirectional Reflectance Distribution Function): Sie können die Winkelabhängigkeit der Reflektivität definieren.
- Transparenz: "Festkörper" oder "Dünne Wand": Transparente Objekte wie Glas können entweder als Festkörper (bestehend aus mehreren Oberflächen, Lichtstrahlen werden gebrochen) oder als dünne Wände (bestehend aus einer Oberfläche, Licht wird nicht gebrochen) behandelt werden.
- Abgerundete Ecken: Eckabrundungen werden simuliert, sodass das Licht bei scharfen Kanten realistisch eingefangen wird.
- Steuerung der indirekten Illumination: Die Final Gather-Genauigkeit bzw. die indirekte Illumination kann für jedes Material eingestellt werden.
- Oren-Nayar-Streuung: Ermöglicht eine "puderige" Oberfläche wie bei Lehm.
- Integrierte Umgebungsokklusion: Für Kontaktschatten und zur Hervorhebung kleiner Details.
- Multifunktions-Shader: Photonen- und Schattenshader sind integriert.
- Gewachste Böden, mattiertes Glas und gebürstete Metalle: Schnell und kinderleicht einzustellen.
Physikalische Genauigkeit und Anzeige
Das Arch & Design-Material ist für physikalische Genauigkeit ausgelegt, wodurch die Ausgabe einen großen Dynamikbereich (High Dynamic Range, HDR) erhält. Wie das Material aussieht, hängt davon ab, wie die Farben im Renderer den Bildschirmfarben zugeordnet sind.
Es wird empfohlen, beim Rendern mit dem Arch & Design-Material eine Tone Mapping-Lösung (Belichtungssteuerung) wie die mr - Fotografische Belichtungssteuerung in Verbindung mit Gamma- und LUT-Einstellungen oder zumindest die Gamma-Korrektur zu verwenden.
Hinweis zur Gamma-Korrektur
Es folgt ein kurzer Überblick über die Gamma-Korrektur, da eine detaillierte Erläuterung den Rahmen dieses Themas sprengen würde.
Der Farbraum eines normalen Computers aus dem Einzelhandel ist nicht linear. So ist die Farbe mit dem RGB-Wert 200 200 200 nicht zweimal so hell wie die Farbe mit dem RGB-Wert 100 100 100, wie vielleicht erwartet.
Dies ist kein Fehler. Da das menschliche Auge Licht nichtlinear wahrnimmt, erscheint die erste Farbe etwa zweimal so hell wie die zweite. Somit wird der Farbraum eines normalen Computerbildschirms in etwa gleichmäßig wahrgenommen. Dies erklärt auch, warum 24 Bit-Farbe (mit nur je 8 Bit oder 256 getrennten Stufen für die Komponenten Rot, Grün und Blau) für unsere Wahrnehmung ausreichend ist.
Das Problem besteht darin, dass für physikalisch genaue Computergrafiken ein linearer Farbraum verwendet wird, in dem ein Wert die tatsächliche Helligkeit wiedergibt. Der an den Renderer ausgegebene Farbbereich kann also nicht einfach eins zu eins auf den Bereich von 0 bis 255 der einzelnen RGB-Farbkomponenten übertragen werden.
Die Lösung besteht in der Verwendung eines geeigneten Abbildungsverfahrens. Die Gamma-Korrektur ist ein solches Abbildungsverfahren.
Die meisten Monitore haben einen Gamma-Wert von etwa 2,2 (bekannt als sRGB-Farbraum). Niedrige Gamma-Werte lassen alles dunkler erscheinen, besonders mittlere Töne. Das Licht wirkt "unstimmig".
Wenn der theoretisch korrekte Gamma-Wert von 2,2 verwendet wird, werden die physikalisch linearen Lichtwerte im Renderer richtig auf dem Monitor angezeigt werden.
Da fotografischer Film sich jedoch auch nichtlinear verhält, wird die Darstellung mit diesem theoretisch korrekten Wert manchmal als zu hell empfunden. Ein gängiger Kompromiss ist die Verwendung des Standardwerts 1,8. Hiermit sehen die Bilder so aus, als wären sie fotografiert und dann entwickelt worden. Für optimale Ergebnisse beim Exportieren und Importieren von Bildern (zum Beispiel als Textur-Maps) aus bzw. in ein externes Bildbearbeitungsprogramm, setzen Sie alle Gamma-Werte unter 
Gamma- und LUT-Einstellungen auf 2.2.
Belichtungssteuerung (Tone Mapping)
Eine andere Methode zur Umwandlung der physikalischen Werte im Renderer in visuell ansprechende Pixelwerte ist die Belichtungssteuerung, oder das Tone Mapping. Dazu ist das Rendern in ein Gleitkomma-Dateiformat und externe Software oder aber ein Plug-In erforderlich, mit dem der Vorgang direkt im Renderer ausgeführt werden kann. In 3ds Max werden solche Plug-Ins als Belichtungssteuerung bezeichnet. Sie können über das Dialogfeld "Umgebung" darauf zugreifen.
Verwenden von "Final Gather" und "Globale Illumination"
Das Arch & Design-Material ist für die Verwendung in Umgebungen mit realistischen Lichtverhältnissen mit voller direkter und indirekter Illumination konzipiert.
mental ray verfügt über zwei grundlegende Methoden zur Erzeugung indirekter Illumination: "Final Gather" und "Globale Illumination". Die besten Ergebnisse erzielen Sie, wenn Sie wenigstens eine dieser Methoden verwenden.
Aktivieren Sie zumindest "Final Gather", oder verwenden Sie zur Erzielung bester Ergebnisse "Final Gather" in Kombination mit "Globale Illumination" (Photonen). Weitere Tipps zur optimalen Verwendung von "Final Gather" und "Globale Illumination" finden Sie hier.
Wenn Sie eine Umgebung für Reflexionen verwenden, achten Sie darauf, dieselbe Umgebung (oder eine unscharfe Kopie) bei der Verwendung von "Final Gather" für die Beleuchtung der Szene zu verwenden. Um dies in 3ds Max durchzuführen, schließen Sie ein Himmelslicht in Ihre Szene ein und aktivieren "Szenenumgebung verwenden", oder Sie verwenden Tageslichtsystem und legen Himmelslicht mit "mr-Himmel" fest.
Verwenden von physikalisch einwandfreien Lichtquellen
Bei den herkömmlichen Lichtquellen in Computergrafiken ändert sich die Intensität des Lichts mit der Entfernung nicht. Diese Vereinfachung ist mit der Realität nicht konform. Die Intensität des Lichts nimmt mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle ab, da die Lichtwellen divergieren und eine immer größere Fläche durchsetzen. Diese Abnahme wird bei einer Punktlichtquelle mit der Formel 1/Entfernung2 ermittelt, das heißt, die Lichtintensität verhält sich umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung von der Quelle.
Einer der Gründe für diese traditionell angewandte Vereinfachung besteht in der Tatsache, dass Tone Mapping in den Anfängen der Computergrafik nicht verwendet wurde und Farben oft ins Weiß verliefen. (Der Rohschnitt im sRGB-Farbraum ist für das Auge unangenehm, besonders wenn ein Farbkanal eher verarbeitet wird als die anderen. Durch das Tone Mapping wird dieses Problem in der Regel durch "weiches Zuschneiden" in einem geeigneteren Farbraum behoben.)
Wenn jedoch nur Final Gather (FG) als indirekte Illuminationsmethode verwendet wird, entstehen durch solche herkömmlichen Vereinfachungen keine Probleme. Selbst Lichtquellen ohne Abnahme ergeben angemessene Renderergebnisse. Grund hierfür ist, dass FG nur den Lichttransport von einer Oberfläche zur nächsten, nicht aber den Lichttransport von der Lichtquelle zur Oberfläche berücksichtigt.
Zu Problemen kommt es, wenn Sie mit der globalen Illumination (GI) (d. h. mit Photonen) arbeiten.
Bei Aktivierung von GI strahlen Lichtquellen Photonen aus. Damit das Arch & Design-Material (bzw. ein anderes mental ray-Material) ordnungsgemäß funktioniert, muss die Energie dieser Photonen unbedingt mit dem ausgestrahlten direkten Licht übereinstimmen. Und da Photonen Licht auf physikalische Weise erzeugen, ist die Abnahme gegeben.
Beachten Sie bei Verwendung von GI also Folgendes:
- Lichtquellen müssen Photonen mit der richtigen Energie ausstrahlen.
- Die Abnahme des direkten Lichts muss physikalisch genau sein und mit der Abnahme der Photonen übereinstimmen.
Aus diesem Grund müssen Sie sicherstellen, dass der Licht-Shader und der Photonen-Shader aufeinander abgestimmt sind.
Verwenden Sie in 3ds Max zu diesem Zweck am besten fotometrische Lichtquellen. Bei diesen Lichtquellen ist gewährleistet, dass Photonenenergie und direktes Licht aufeinander abgestimmt sind. Diese integrierte Funktion arbeitet automatisch und muss nicht konfiguriert werden.
Funktionen zur Leistungsverbesserung
Das Arch & Design-Material umfasst eine große Auswahl an integrierten Funktionen für optimale Leistung, darunter:
- Erweitertes Wichtigkeits-Sampling mit Grenzwerten für die Zurückweisung von Strahlen
- Anpassbare Glanz-Sample-Anzahl
- Interpolierte Hochglanzreflexion/-refraktion mit Detailverbesserungen
- Extrem schnelle Darstellung von Hochglanzreflexionen (Modus "Nur Glanzlichter+FG")
- Die Option, interne Reflexionen für Glasobjekte zu ignorieren
- Auswahl zwischen herkömmlichen transparenten Schatten (geeignet für Objekte wie Fensterscheiben) und refraktiven Caustics (geeignet für massive Glasobjekte) auf Materialbasis.
Vorgehensweisen
So erstellen Sie eine ordnungsgemäße selbstilluminierte Oberfläche
- Erstellen Sie die Geometrie sowie eine fotometrische Datei der Lampe, oder rufen Sie diese ab. Ermitteln Sie die vom Hersteller bereitgestellte oder gemessene Lampenfarbe und -intensität. Beispiel: 1.500 cd/m2 und 3.700 Grad Kelvin. Aktivieren Sie Belichtungssteuerung und globale Illumination.
- Erstellen Sie eine fotometrische Lichtquelle (die Halogenlampe), und legen Sie deren Farbe und Intensität fest.
- Deaktivieren Sie die Eigenschaft "Glanzfarbe beeinflussen" der Lichtquelle.
- Erstellen und platzieren Sie die Lichtschattengeometrie, und wenden Sie ein Arch & Design-Material darauf an.
- Legen Sie im Rollout "Selbstillumination (Leuchten)" dieselbe Farbe und Intensität wie für die Lichtquelle fest. Deaktivieren Sie auch das Kontrollkästchen "Beleuchtet die Szene (bei Verwendung von FG)" im Bereich "Leuchtoptionen".
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Rendern Sie die Szene.
Ein Beispiel für diese Anwendung ist eine realistische Halogenhängelampe mit einem transluzenten Schatten, wie etwa Flitter.