分层渲染在CG生产中的应用研究

摘要

分层渲染是一种被用于制作3D动画、游戏、建筑动画以及静帧真实感图像的关键渲染技术。分层渲染容易调整图象，便于进行颜色校正，添加后期特效，在保证质量的同时加快渲染速度。在CG生产中，分层渲染技术在产品最终渲染输出时所起的作用日趋显著。伴随着科技的不断革新，从电影特效技术人员、网络工作者、建筑游历动画制作者到动画制作艺术家，各个层次的用户在工作中都可以借助最强大的渲染工具和渲染技术，提升自己的工作品质。分层渲染技术在整个CG生产流程中可能是一个不太起眼的部分，加上后期合成制作一部分需依靠硬件，所以更多的制作人员把精力都花在了前期工作中。因此，借助Maya强大而且先进的分层渲染功能，同时参考一些实际案例，然后再通过具体案例的操作和测试分析，希望能够对分层渲染技术有更进一步地了解。可能方法观点还不够成熟，但也可以作为进一步研究发展的依据。

关键词：分层渲染合成

Abstract

Render Layer is a kind of critical rendering technique that is being used to createn 3D cartoon,computer games

construction cartoon and still rendering graphics.Render Layer resize Image easily, correct color conveniently, add the later period special effect manufacture, which guaranteed quality while to fast rendering speed.In the process of produce CG, the useage in rendering the final output of Render Layer is more and more obvious.Within the develpment of science and technology, all different－level users included Film special effects technician、Network workers、Architectural tour animation producers and Animation artist can get help from the all powerful Render tool to upgrade the quality of work.since Render Layer is a less important part in the assembly line of production CG, plus to make part of Synthetic production of the late depends on the hardware, more producers will concentrate more on the early stage of the entire work.Therefore，get help from the all powerful and advanced Maya Render function and refer to the actual cases simul taneously are what we wish to better underst and Render Layer in furture.It is not proven in some perspective，but all we have studied is for the next step.

Keywords: Render Layer CG Composite

1.分层渲染概述

1.1 背景概述

在当今CG生产制作中，分层渲染是很热门的一个课题,也是一个很传统的问题，相信很多参与过动画或影视项目的人都使用过分层渲染来解决最终的渲染问题。因为现在许多动画创作者制作的动画越来越复杂，复杂的程度已经大大超过了硬件渲染可以承受的程度。当动画开始渲染的时候，渲染器会先读入场景的数据资料，然后将其放在内存里。如果制作的场景十分复杂，需要的内存就会成倍地增加，尤其是当内存不足的时候系统会使用虚拟内存，但是使用虚拟内存会大大减慢渲染速度，在渲染动画的时候这种减速是绝对致命的。

分层渲染技术很早就被广泛使用了，不光我们熟知的三维动画电影都使用了分层渲染技术，在游戏、建筑动画以及静帧真实感图像也同样用到了。那么分层渲染能为我们带来什么呢？答案是效率与质量的保证，可以在极高的工作效率情况下保证优秀的画面质量。分层渲染的好处是在保证质量的同时加快渲染速度。我们知道在CG动画生产过程中要渲染好一部完整的动画必须要有大量的时间，但在国内做动画，一般制作周期短，客户又要求极高的质量，所以在没有分层渲染技术之前，往往不能够及时得完成任务。直到分层渲染技术的出现和它的日益成熟和完善，时间和质量也终于画上了等号。

1.1 层的概念

一般接触过后期软件的人，对于素材这个概念应该都不会陌生。因为在CG生产流程中，无论是实际拍摄还是三维软件生成，在最终的合成阶段它们可能充当的是某一“层”的素材。如把后期比作是调味料，那么各层素材就是“原料”，这些“原料”必须需要加入调味料的烹调，最终才会变成一道美味可口的大餐。

在CG生产过程中，“层”也是一个比较重要的概念，在我们熟悉的软件中，有像Photoshop作为一个较早引入图层概念的软件，其强大的图层功能，我相信已经令无数人为之着迷了吧。比如用Photoshop 的层制作单帧真实感很强的静帧图像，也可以用层画制分镜。现今，随着科技的不断进步，很多三维软件也都有了“层”的操作概念。其中的一个三维软件——Maya也不例外,从Maya7.0版本之后，引入了全新的分层渲染概念，功能变得更加强大和容易操控。直到今天Maya 已经有了2009版本，其较于先前版本而言，它对层的操作有了一部分的改变，但是其功能仍然如之前版本那样很大。

在Maya里我们又把层分为显示层（Display layer）和渲染层(Render layer)，其实这不过是功能的更加细分话而已，并没有本质的变化。Maya的显示层，通过它可以快速地将物体隐藏或变成参考物体；渲染层，是在渲染动画的时候制定分层渲染，方便后期合成。在后期合成中，有了层的帮助，更容易调整图象，有更多控制力，便于进行颜色校正和添加效果。

层最大的优点就是所在层里的每个对象都相对独立，彼此间工作不受干扰。使用户的后期调节变的更加方便灵活，大大的提高了工作

效率。

1.2 分层渲染的概念

很多教程和书籍中都会提到 Rendering in Layers（分层渲染）、Rendering in Passes（分通道渲染）两种功能，有时这两种方法可以互换使用，在CG生产制作上是很普遍的,他们的功能是类似的。如在一个复杂的场景里，可以分开成不同的层来渲染，在后期里可以控制不同的层和通道，而不需要再回到3D里去渲染，可以个别调教偏色、模化等。

Rendering in Layers：

是把在同一个场景中的物体分拆出来渲染，如根据镜头内容可以分为角色层、道具层、背景层，或者根据景别分为前景层、中景层、背景层。这种分类方式主要适用

于长篇剧集的动画制作，由于整

体工作量大，不需要太多调整细

节，但又要掌控整体效果，而采

用这种分层方式便于后期制作

人员整体控制，如图1-1所示。

图1-1 三维商业动画制作Rendering in Passes：

是在同一个三维场景中按物体的视觉属性分拆出来渲染。通道的类型：Color pass——又称为beauty pass（颜色通道）。这是一个

最基本及主要的通道，包含了物体的颜色、颜色贴图和扩散光照。Diffuse pass（漫射通道）——这一层是严格负责渲染的颜色，关系到任何反射或物体自身阴影，一般称作固有色。Highlight pass（高光通道）——又称为specular pass。这一层只渲染物体的高光。Reflection pass（反射通道）——把附近的物件及环境透过反射渲染出来。Occlusion pass（也叫阴影通道，习惯叫作AO通道）——特殊的通道，这是经常被用来添加一个更高层次的深度图像的技巧。通过物件之间的距离计算，视觉上来看就像越近就会越黑，主要用以模拟真实环境下物件之间的光子衰减。Mask pass（遮罩通道）——根据物体本身的不同材质需求，渲染遮罩以方便在合成中作出更多调整。Shadow pass——（投影通道）通常是把物体在地上或背景的阴影独立渲染。Depth pass（深度通道）——又称为depth map or Z-depth，里面每点也包含了场景中深度的数值。Effect passes（特效通道）——应情况的需

要，通常作为一个单独的通

道，一般指optical

effect(光学特效)中的

light fog（光灰雾气）、

lens flare（镜头眩光）、

particle effect(粒子特

效)烟、尘等。

当把一个物体视觉属图1-2 三维静帧图像

性分为如此多的层次后，后期控制的可能性大大增强，可以调节出非常丰富的效果。这种分层方法适用于比较精细的制作，比如广告、电影、动画,或单帧真实感很强的静帧图像等。其强大的后期操控性，使得当今许多优秀CG作品在渲染成品和后期合成时都使用到了这种分层方法，如图1-2所示。

1.3 分层渲染的重要性

分层渲染的原理就是将场景中的元素按照一定的方式，分别列于不同的层，然后将其分开渲染。如果做单帧的话，Photoshop就可以处理比渲染整张更好的图片，如果是做动画的，在一般情况下你可以用后期软件更好地处理渲染出来的序列帧图片，可以使用一系列的后期软件，比如像 AfterEffect, Shake, Combustion等后期软件处理更好的特效。当然这不是分层渲染最重要的作用，作为一种好的技术来说，为大家解决最棘手的问题和提高工作效率才是最重要的。当我们进行一个复杂而且多变化的工程文件时，当我们渲染一个场景要花上整天时间时，重复的工作会让你觉得枯燥乏味，让你有再多的劲也使不出来。正好分层渲染可以把一张复杂的图片更有细节的按照你的要求输出，并且当你改变主意后可以重新渲染而节约大量的时间。分层渲染可以分别对场景里的所有对象进行相对独立的渲染。甚至连物体的通道也可以进行独立的渲染。这也是我们常说的分层分通道渲染。这样不仅方便了后期的调节，增大后期的调节空间，而且大量的节省了时间，提高了工作效率。

现今大多三维软件都针对分层渲染提供了优秀的解决方案，比如Maya,自Maya7.0版之后，引入了全新的分层渲染概念，功能也更加强大，更容易操作。在现阶段的CG生产中，分层渲染已经是动画渲染人员的必修课，熟练地掌握好这项技术，才能大大提高实际工作中的效率。

2 分层渲染在CG生产中的应用实践

2.1 分层渲染在CG生产中的应用概述

2.1.1 CG的定义

CG (computer-generated，数码工艺品)，原意为电脑图形（Computer Graphics）,核心意思是数码图形。随着以计算机为主要制作工具来进行视觉设计和生产的一系列相关产业的形成。现今CG 这个概念也正随着应用领域的拓展在不断扩大。CG，包括技术也包括艺术，几乎囊括了当今电脑时代中所有的视觉艺术创作活动，如平面印刷品的设计、网页设计、三维动画、影视特效、多媒体技术、以计算机辅助设计为主的建筑设计及工业造型设计等。国际上习惯将利用计算机技术进行视觉设计和生产的领域通称为CG——由CG和虚拟真实技术制作的媒体文化，都可以归于CG范畴。CG行业已经形成一个以技术为基础的可观的视觉艺术创意型经济产业。

2.1.2 CG生产制作中的分层渲染技术

在CG生产中，最终渲染输出的时候几乎都要用到分层渲染。在

3D动画、游戏、建筑动画以及静帧真实感图像制作过程中，合理的分层渲染不仅能够提高速度，而且可以方便地在后期软件中调节出各种效果，因此分层渲染是CG生产流程中必不可少的一项技术。

分层渲染技术在三维动画制作中的运用是最为普遍的，如图2-1

所示。一般的制作流程都会

花大量的精力在前期准备和

动画制作过程中，最后的渲

染合成也许可能会被忽视，

但是恰恰这个环节是最至关

重要的。所以在最后的关键

时刻，渲染制作人员通常制作图2-1 三维动画制作渲染合成

都会使用分层渲染技术。在动画、灯光制作完成后，由渲染人员根据后期合成师的意见把各镜头文件分层渲染，提供合成用的图层和通

道，方便后期合成的调

整，如图2-2所示。

因分层渲染在同一

个场景中不仅可以粗略

地按照物体的类别分层，

还可以精细地按照物体的图2-2三维动画分层渲染合成

视觉属性分层。当把一个场景分如此多层时，就大大增强了后期的操控性，所以被当今许多CG艺术家所使用在制作静帧真实感图像中，所图2-3所示。

在创作CG静帧作品中，制作者充分利用了分层渲染的强大分层功能，使Rendering in Layers、Rendering in Passes两种功能各尽其能，物尽其用。

2.2 利用分层渲染制作复杂场景的案例解析

2.2.1以《亚马逊之战》为例

在CG生产中，把分层渲染技术运用得淋漓尽致的应当属于制作静帧真实感图像了。下面就以静帧作品《亚马逊之战》为例，简单介绍在制作中如何运用分层技术进行分层渲染。

“在美丽的亚马逊雨林，一场亚马逊女战士与巨大的猿人遭遇而引发的搏斗已经展开了数个回合，面对力大无穷，手握重器的猿人。女战士的几次进攻都没有将对手致死，就在双方都伤痕累累，近将力竭时刻，女战士奋力跃起，拉弓瞄准猿人的头部……这件静帧作品就是描绘了作者所编写的故事中的关键一瞬，如图2-3所示”——引自宫振宇，数码艺术杂

志2006年6月第六

期。

作者对这静帧作

品从概念设计、模型

设计、材质以及灯光

设置、后期处理和整

体调整都作了概述，图2-3 亚马逊之战

着重讲述了分层渲染在这个作品中的运用。

一般的初学者会以观察现实生活中的物体的眼光来观察虚拟的三维物体，其实这种方法是错误的，当我们渲染三维模型时经常会遇到这样的情况,因为三维模型上做了很多的设置而导致渲染的时候很麻烦。对于制作三维静帧作品而言去承受光线追踪加上上百千万毛发是很有难度的。因此比较经济和节省时间的制作方式就是采用分层渲染，及将模型分为多个单独的层文件来对其进行分阶段的渲染制作。

如《亚马逊之战》就分了以下层进行渲染制作：

模型层——它是最基础层级，是一切表现的基础，如图2-4所示。

在模型的制作时就应该

多考虑作品的角度、结

构、构图等因素，摄像

机的角度也是十分重要

的因素。一般为了避免

制作过程中因为摄像机位置的移图2-4《亚马逊之战》——模型层

动而造成视图的移动错误，要将摄像机的位置锁定。

Color层——色彩层,它是模型的“衣服”，及模型的材质贴图。贴图大致可以分为色彩、凹凸、高光，三个大的方面。在为模型增加贴图时应当注意灯光的色彩和贴图颜色的关系变化，再色调调整好之后，完成色彩层的制作，如图2-5所示。

图2-5《亚马逊之战》——色彩层

Occlusion层——阴影层，一般称为全局层，在该作品中，主要

是运用了Maya7.0中的Mentalray

渲染器新添加的节点制作完成的。

它主要计算物体与物体之间连接处

的阴影色彩深度，表现模型体积感

的一种方法，如图2-6所示。

图2-6《亚马逊之战》——阴影层Shadow层——投影层，如图2-7所示。在Maya中它的作用主要

是物体在灯光的照射下提

取阴影，方便作品在后期做

调整和编辑。投影层，在这

个作品的制作过程中也是

十分重要的一个因素。

图2-7《亚马逊之战》

Fur层——毛发层,如图2-8所示。Maya的Fur工具是制作动物柔软毛发的一种工具，它对模型制作时的操作要求十分严格规范的，而且渲染速度相对比较慢，对渲染器的要求也比较特殊，所以渲染时

将其放入单独

的文件中进行

单独的渲染。

图2-8《亚马逊之战》——毛发层

如果想作品进一步地深入刻画，还可以将其分出高光层，发射层，景深层，特效层等。经过这么多的分层单独渲染之后，然后利用Photoshop软件将不同的层阶进行合层。后期的色彩调整也可以使用后期合成软件AfterEffect,Shake,Combustion等对其进行通道叠加和处理，完成最终的静帧作品。

2.3 三维动画场景中分层渲染的应用

2.3.1 以动画片《Huge》制作花絮为例

我们都知道在国内做动画，尤其指商业动画，一般制作周期短，而且客户又要求极高的质量，所以在没有分层渲染技术之前，往往因为后期渲染合成所花费太多时间以至不能及时得完成任务。分层渲染可以分别对场景里的所有对象进行相对独立的渲染，如在一个固定的场景中，只需要把背景层和角色层单独渲染，这样做不但节省了大量的不必要的重复渲染时间，而且方便了后期的调整修正，增大后期的调节空间，大大提高了工作效率。因此分层渲染在制作三维动画中是一个非常重要的步骤，也是制作三维动画必不可少的一部分。下面的这个动画作品《Huge》就充分利用了分层渲染技术在三维动画制作中所具有的优越性，在制作中灵活运用分层技术，再经过后期合成处理，

一部优秀的三维动画作品就诞生了。

动画《Huge》在制作中分了以下几层：

Background beauty——背景层，如图2-9所示。在三维动画场景中背景层一般

是除了角色之外

不运动的物体，

也可以包括一些

道具在内。在三

维动画渲染时，图2-9《Huge》——背景层

如果渲染每一帧都要被角色和所在的场景计算一次，将会大大增加渲染时间。

Character beautry——角色层（在动画《Huge》中此层也是中景层）如图2-10

所示。在三维动画

制作中，动画中的

角色是银幕形象

的主体,在动画制

作中学会塑造一个或图2-10《Huge》——角色层

几个个性鲜明独特的动画角色是极其重要的环节。而且角色的动作是赋予生命体的灵魂，因此角色动画在制作流程中也是极其重要的。通常要将角色层单独分层渲染，不但加快整个动画的渲染速度，而且在后期合成时可以很方便地调整色差，添加特效等，使角色更加丰富。

Shadows——投影层，如图2-11所示。每个物体在灯光的投射下都会产生投影，物

体上的阴影有物

体自身的阴影和

的其他对象投到

物体上的阴影，所

以有效控制投影的密图2-11《Huge》——投影层

度和范围，在三维动画制作中会把投影提取出来作为单独的一层渲染，给后期的调整和编辑提供了很大的帮助，更具灵活性。

Occlusion——是一特殊的通道，如图2-12所示。它主要计算物体与物体之间连

接处的阴影色彩

深度，用以模拟真

实环境下物件之

间的光子衰减，表

现场景模型体积感图2-12《Huge》——Occlusion层

的一种方法。这个通道层是制作动画必不可少的一部分。

Effect——特殊效果层，一般作为一个单独的通道层渲染，它的元素有光学特效中的光灰雾气、镜头眩光、粒子特效、烟、尘等。在此动画中就分了Fire（获）层、Fog（雾）层、Smoke（烟）层Glow(光效)层，如图2-13所示。有了这些效果，在三维动画制作中可以说是锦上添花，使动画更富有观赏性。

图2-13《Huge》——特效层

Front ground——前景层，如图2-14所示。在三维动画制作中通常会把场景分为

前景、中景、和远

景，前景相对处在

视觉前，所以前景

中的物体都需要比

较高的精细度。图2-14《Huge》——前景层

Fur——毛发层,如图2-15所示。Maya的Fur工具是制作动物柔软毛发的一种工

具，在动画《Huge》

的前景中的老人身

上的衣物是动物皮

毛做的，要用到毛

发的制作，而毛发的图2-15《Huge》——前景毛发层

渲染速度又是非常慢的，为了不影响整个场景的渲染速度，所以渲染时将其放入单独的文件中进行单独的渲染

3 实例解析分层渲染

3.1 如何在Maya中实现分层渲染

3.1.1 进入分层渲染界面

此课题的分析都会用到Maya2008软件，首先打开Maya2008软件，在界面的最右方点击（图层编辑器）就会弹出窗口栏，上方一般是通道栏，下方是图层编辑栏。下方的图层编辑器中的第一个

Display是像PS一样的图层，而第二个

Render就是分层渲染。而且这里一般要

注意的是，删除Display和Render的

图层都不删除场景中的任何一个物体。

下方就是分层渲染通道栏，如图3-1所

示。

图3-1分层渲染界面另外在主菜单栏里也可以找到。我们所建立的图层都会在分层渲染通道栏中显示；如图3-1，只要点图层右击，便可以添加、移除物体或删除图层等。通常我们习惯的操作是，选择Maya透视窗中的场景中的任何一个物体，然后再右键点击layer1就可以选择命令添加、移除或删除图层了。

3.1.2 创建渲染层

在分层渲染通道栏中的左边一个为“建立空白层”，右边一个为“建立层并加入选中物体”，在制作三维动画的过程中，在进行分层渲染时通常使用右边一个。在建立好你需要选择物体的第一个图层后，我们就会看到，下面出现两个层，一个是“layer1”（层1）和“master Layer”（全体层）；而“layer1”就是我们刚刚建立的图层，“master Layer”是自动生成的全局渲染层，这个层中包含了场景中的所有物体，包括摄像机，灯光等。

3.1.3 分层渲染步骤

分层渲染的第一步就是把物体按照不同的类型分层（这个要按照个人制作的需要而定），一种可以点击“建立空白层”，然后回到“master Layer”，在当前层中选中你所需要添加分层的物体回到刚才建立的层，如“layer1”右键点击“Add Selected Objects”；另一种是在透视图中选中你要选择的物体，点击右边图标“建立层并加入选中物体”。

分层渲染第二步选中“master Layer”全局层，打开渲染设置（Window >> Rendering Editors >> Render Settings） ,打开渲染设置窗口后，我们会看到和以前不一样的地方；最上方标题栏会显示“（master Layer）”，而渲染类型下面还有“Maya Software”、“Maya Hardware”“Maya Mental ray”（这项要在打开Window >> Settings/preferences >> Plug-in Manager窗口后读取才会有效）

三项；我们在制作动画的过程中根据渲染场景的需要通常是不可能同时用上这些渲染器的，要注意的是“master Layer”是全局的，在这里设置会成为你要渲染层的默认值，除非你使用“Override”（这项是指可以每层根据需要独立选择渲染器，不会影响其他层）。

首先要说的是每图层最前方的“R”代表着将要被渲染的层，默

“master Layer”是不被渲染的，

你可以单击它取消渲染。如图3-2

所示。

图3-2渲染层界面点“layer1”左边的第二个图标：一个球，这时会跳出“Hypershade”超图编辑器，通常说是材质编辑器。在图层layer1选中的情况下,可以给这层的物体创建一个材质，在给予了物体材质以后，这个小球就会变成蓝色，表示已经设置过了。点“layer1”的第三个图标：一面旗，这时会跳出属性编辑器窗口，在里面可以修改“Member Overrides”选项卡里的值：投射阴影--Casts Shadows、接受阴影--Receive Shadows、运动模糊--Motion Blur、主要可见性--Primary Visibility、平滑着色--Smooth Shading、折射中可见--Visible In Refractions、反射中可见--Visible In Reflections、双面--Double Sided、相反—Opposite、深度抖动--Depth Jitter、忽略自阴影--Ignore Self Shadowing。

接着就是右键点击“layer1”不放，鼠标移动到“Presets”出现Luminance depth（景深）、Occlusion（全局或AO）、 Normal map、Geometry matte（几何凹凸）、Diffuse(固有色)、Specular（高光）、

Shadow（投影）等属性，根据不同场景和不同物体的不同属性，可以选择这些属性中的任何一个进行渲染。

3.2结合毕业设计动画中的分层渲染应用实践

3.2.1 根据物体类别进行分层

分层渲染在我们毕业设计的制作过程中是必不可少的一部分，下面就取毕业设计动画中的一个镜头实例解析下这项技术。一般根据镜头内容可以分为角色层、道具层、背景层，或者根据景别分为前景层、中景层、背景层。

如图3-4所示，是毕业设计动画中的角色层，或者是前景层，通常提到的角色层大部分是指镜头中的角色或者运动相对背景比较大的物体因为角色会有动画，比如人物，自行车，飞机等。所以把这层

单独分出来，与背景层分开渲

染，在后期制作时，就很容易

控制角色层的明暗、色调、透

明度等等。图中的角色层中还

包含了一张信纸,没有和中景

层一起渲染，是因为角色有动

画，要把相框翻到压在纸上，而图3-4角色层

且这样做更易于后期修改。

中景层，或者是道具层，如图3-5所示中的办公桌和窗台以及收音机、墨水瓶、茶杯等道具。在这个镜头中，虽然角色是有动画的，