2021-4-10 | 机械设计论文
1概述
工业设计软件对渲染质量的要求高于机械设计软件，但其渲染模块效果较差，要求高时可调用专业渲染软件进行渲染。导出过程采用中间通用格式，如igs或stp，其中igs描述是面，igs转入后，复杂模型可能面临大量破面修补的问题，占用时间较长，stp格式标准晚于igs，在曲面与实体及组合件都得到更好完整的定义，转换时很少出现丢面现象，效果优于igs。渲染软件(又称渲染器)主要在三维动画后期、影视、建筑工业中应用广泛，主流的有：AUTODESK公司的Lightscape,法国Advent公司的Artlantis，NextLimit公司的MaxwellRender，SplutterFish团队的Brazi，美国RobertMcNeel公司AccuRender，Chaos-group和Asgvis公司VRay，德国MAXON公司C4D和LuxionApS发行的Keyshot等。随着技术的推进，不少渲染软件都推出了针对机械设计软件和工业设计软件的专用接口模块。专业渲染软件相对机械设计软件渲染模块来说具备HDR（高动态光照渲染High-DynamicRange），焦散等功能。HDR让图片无论高光还是阴影部分细节都很清晰，相当拍摄光比较大的摄像时，缩小光比，达到高光不过曝，暗调不欠曝，使立体场景更加逼真。
焦散是指透明物体被灯光照射以后所反射或折射出来的影像，如一束光照射透明的玻璃球，在球体后的投影表面出现光线明暗偏移，就是折射焦散。此功能可仿真3D模型中透明材质的光照，大幅提升渲染效果的真实感。渲染器根据的专业需求的有不同侧重范围，工业设计领域一般选择C4D和VRay来做渲染，主要因为效率高，简单方便；室内设计更多使用VRay或者是MaxwellRender渲染，效果华丽，光影映射逼真；室外建筑多采用Lightscape渲染，功能丰富，表现到位。以上软件都能满足机械设计领域对于渲染效果的大多数需求，尤其VRay渲染器提供了工业设计软件的专用接口，如VrayforRhino和3DSMAXVray，在机械设计渲染应用中最为热门，但获得良好的渲染效果的同时，存在着格式转换不便，操作繁琐、渲染时间过长问题。Keyshot是互动性的光线追踪与全域光渲染程序，无需复杂的设定即可产生照片的品质。Keyshot相对于VRay而言，不需通过频繁切换和转换格式操作，同时又能达到较好渲染效果，操作复杂度和渲染效果较平衡，而且相比其他软件学习效率高。以下着重分析Keyshot渲染软件的特性。
2Keyshot渲染应用
Keysho（tTheKeytoAmazingShots）基于LuxRen-der内核的实时光线跟踪和全局照明程序。LuxRender根据物理方程模拟光线流，产生出逼真的图像。基于LuxRender技术开发的软件，上手简单，效果逼真。同Photoview操作流程相似，对材质-环境-光照-贴图进行模块化设定即可得到即时的效果。
2.1直接操作3D模型数据
Keyshot具有直接打开三维模型功能。Photoview360只能渲染Solidworks文件，Keyshot能很好的支持多种3D软件格式。动画设计软件3DSMax、Maya、C4D，工业设计软件Rhino、Inventor和机械设计软件Creo、Solidworks、NX中数据文件都能方便的导入其中，文件的兼容性在主流渲染软件里表现优秀。并提供了部分机械设计软件的插件，可以直接从Creo、SolidWorks或Rhino等软件中链接到KeyShot中，同时又保留了颜色、名字以及结构。新版KeyShot可以在渲染的时候为您在3D几何体上实现调整小圆角半径的边缘功能，不需要返回Solidworks或Creo中进行模型的编辑，提高创作速度同时更好的控制模型的边缘效果，以补充照明。这是一个完全可视化的操作，并没有增加文件的大小和渲染时间。
2.2配置材质
自带丰富材质样式近200种材质类型，通过集中操作面板以图标方式显示、选择，渲染中将材质图标拖至模型表面，就可以添加所需材质效果。支持SolidWorks的纹理贴图坐标，并且通过在编辑栏修改材质贴图生成操作者所需材质。在KeyShot4中改进了半透明材料，提供更精确的次表面散射。高光贴图的支持，焦散与物理灯的照明和科学正确的交互，其半透明的材料被称为行业中的佼佼者。并提供卡通着色功能，使描绘物体表面平滑、生硬的金属质感与柔和的散光、炫光等反射光有机结合，大大提高了图片的层次。需要注意的是，Keyshot中无法对片面进行识别并赋予不同材质。当使用者将材质拖放到模型上时，往往整个模型都会被赋予同一材质。因此，使用者在模型制作阶段，需要通过三维设计软件给需要分别上色的部分预先赋予材质或色彩，当模型被调入Keyshot时，原软件所赋予的材质不会显示，但却可以用作曲面分色的依据。
2.3HDR贴图和配色
支持HDR环境贴图，使金属、塑料等材质达到良好的反光效果，提供交互工具进行光照操作、即时进行光影跟踪和结果处理。同时使用者可以自定义自己需要的HDR贴图和背景贴图，从而使产品的光影效果与背景环境相融合，达到最好的相片级效果。改进KeyShot中引入任意几何形状的物理灯光和色卡，简单的导入或者使用现有的几何体为光源，可移动、控制、动画等，让工作流程增加了更大的灵活性，颜色选择器，可连接到KeyShotProject面板上的任何颜色选项。配色到完全独立的材料上，只需点一下鼠标，可在屏幕的任何一个地方挑选颜色，而且将所选的颜色保存到一个新的调色板内。
2.4渲染即时急速
Keyshot与Photoview360的MentalRay、VRay是有名的急速工业渲染器。将材质使用SHIFT+右键拖放到窗口中的模型表面，从而不改变默认的材质，在渲染光滑反光材质时软件进行即时着色，所见即所得，运算迅速。通过如图4中减速器模型渲染表明Keyshot比Photoview360要高效，Photoview360中20min完成渲染，Keyshot中半分钟完成。输出选择JPG、TIFF等类型格式，新版Keyshot4.0引入了新的渲染选项，支持Alpha通道、深度通道、法线通道或Clown通道，方便后期Photoshop操作。渲染层选项可以将每一个层单独的呈现出来，还可以输出立体模式，在屏幕上通过立体眼镜查看模型3D效果，把渲染和动画以虚拟3D的形式呈现给他人，进一步扩展虚拟现实中的视觉体验。
2.5使用缺陷
开启Keyshot软件，CPU使用率接近100％，相对于硬件的配置要求较高。keyshot伴随着鼠标拖动、旋转、缩放等操作，keyshot渲染不是很流畅，造成很卡的感觉，实时性不是很强。
3结束语
产品渲染是虚拟现实中展示产品外观特点的有效方法。自带渲染器操作方便但渲染效果不佳，专业渲染器效果突出但操作复杂，不能很好地短时间内将设计思路展示出来。Keyshot小巧快速但预设丰富，满足了机械设计产品渲染的要求，兼顾了工业设计和机械设计中专业应用。采用Keyshot进行产品渲染，是机械设计软件中渲染的好方法。但渲染不完全等同机械设计软件中外观设计，所需理论知识同摄影有很大关联，笔直认为所谓渲染软件是用计算机来模拟摄影场景工作的一种方式，最大限度的降低成本和提高效率，所以除了采用上述合适的渲染工具外需要了解专业摄影的概念，包括平面构图、颜色搭配、光的运用、材质特性、HDRI技术。渲染软件只是表现设计者的思路一种手段和工具，把渲染的理论特性了解清楚，才能更好的驾驭这个工具，有效的发挥它的作用。
作者：郝骏刚 赵娜 单位：北方自动控制技术研究所