Lý thuyết render vật lý: exposure, tone mapping, dải sáng

[nhatminh]

Có một loại câu hỏi mà mò mẫm bao nhiêu năm cũng không tự trả lời được: vì sao kéo phơi sáng trong cửa sổ render lại cứu được vùng cháy trắng, trong khi kéo sáng cùng tấm ảnh đó trong Photoshop thì không? Vì sao vật liệu tải trên mạng cắm vào cảnh của mình lại lệch màu? Vì sao ảnh đẹp trên máy mình mà in ra thì tối om? Ba câu này cùng một gốc — cách con số ánh sáng đi từ trình render tới con mắt người xem. Bài này không dạy thao tác, nó giải thích cái nền phía dưới mọi thao tác ở các bài trước.

Ba khái niệm làm nên tất cả

Thứ nhất: Corona tính toán trong không gian tuyến tính, không giới hạn trên.

Khi Corona tính ánh sáng, mỗi điểm ảnh không phải một con số từ 0 tới 255 mà là một số thực không có trần. Bầu trời có thể là 3, tường trắng dưới nắng là 1,2, còn đĩa mặt trời là 50.000. Con số này gấp đôi thì lượng ánh sáng thật cũng gấp đôi — đó là ý nghĩa của "tuyến tính". Mọi phép cộng ánh sáng, mọi lần ánh sáng nảy từ bề mặt này sang bề mặt khác đều diễn ra trên các con số như vậy, và đó là lý do kết quả đúng vật lý.

Khoảng cách giữa giá trị nhỏ nhất và lớn nhất trong một cảnh gọi là dải sáng. Cảnh nội thất có cửa sổ ban ngày có dải sáng rất rộng. Màn hình thông thường thì ngược lại — nó chỉ hiển thị được một dải hẹp. Cả bài toán nằm ở chỗ nhét cái rộng vào cái hẹp.

Thứ hai: tone mapping là phép nén dải sáng, không phải bộ lọc màu.

Tone mapping quyết định giá trị tuyến tính nào ra thành mức xám nào trên màn hình. Đây là chỗ tất cả các thao tác quen thuộc thực sự diễn ra: phơi sáng, nén vùng sáng (bóp phần trên của dải lại để giữ chi tiết thay vì cắt phẳng thành trắng), nâng vùng tối, tương phản, cân bằng trắng, đường cong. Từ Corona 8, các phép này xếp thành một chuỗi toán tử trong cửa sổ render, thêm bớt và sắp lại thứ tự được.

Điểm mấu chốt: chúng chạy trên dữ liệu tuyến tính còn nguyên. Đó chính là câu trả lời cho câu hỏi ở đầu bài — trong Photoshop, tấm JPG đã bị cắt mất phần trên của dải, thông tin trong vùng cháy đã biến mất và không kéo lại được. Trong Corona, thông tin đó vẫn còn, kéo phơi sáng xuống là nó hiện ra. Đây cũng là lý do nên lưu file .cxr hoặc EXR: chúng giữ dữ liệu tuyến tính, còn JPG và PNG thì không.

Thứ ba: quản lý màu quyết định con số nào ứng với màu nào.

Một tấm ảnh texture nạp vào cảnh mang giá trị điểm ảnh, nhưng giá trị đó nghĩa là gì thì phụ thuộc không gian màu của nó. Bản đồ màu nền là dữ liệu màu, thường ở không gian sRGB và cần chuyển về tuyến tính trước khi tính. Bản đồ roughness, metalness, pháp tuyến, displacement là dữ liệu số chứ không phải màu — chuyển đổi chúng như màu là sai ngay từ đầu vào, và cái sai đó đi xuyên suốt tới ảnh cuối.

3ds Max hiện đại có hệ quản lý màu riêng, và các bản 3ds Max mới dùng OCIO làm mặc định, với không gian làm việc ACEScg — rộng hơn sRGB nhiều, giữ được các tông rất sáng và rất bão hoà mà không mất thông tin. Corona tôn trọng thiết lập màu của 3ds Max, và hỗ trợ OCIO từ Corona 12 trở đi (Corona 11 hỗ trợ chưa đầy đủ). Nếu văn phòng đang chuyển sang quy trình ACES, đây là mốc phiên bản cần lưu ý.

Một bẫy đáng nhớ: đừng chồng hai lần biến đổi màu. Nếu 3ds Max đã áp một view transform và anh em lại thêm một toán tử ACES nữa trong tone mapping, dữ liệu bị biến đổi hai lần và màu sẽ sai. Chọn một nơi làm việc đó, không làm cả hai.

Ứng dụng trong kiến trúc và thiết kế

• Bộ ảnh hồ sơ đồng nhất về màu — cả văn phòng cùng một thiết lập quản lý màu, cùng một preset tone mapping. Không có nền tảng này thì mỗi hoạ viên ra một tông và bộ hồ sơ trông chắp vá, dù từng tấm riêng lẻ đều đẹp.
• Ảnh ngược sáng cửa kính lớn — hiểu dải sáng là hiểu vì sao không thể vừa thấy nội thất vừa thấy vườn nếu không nén vùng sáng. Xem cách xử lý ở Render ngược sáng — cảnh khó nhất của ảnh nội thất.
• Ảnh in khổ lớn cho bảng dự thầu — bản in có dải sáng hẹp hơn màn hình đáng kể, vùng tối trên màn hình rất dễ thành đen kịt trên giấy. Biết trước điều đó thì chừa dư địa ở vùng tối ngay từ khâu tone mapping.
• Nhận texture PBR từ nhà cung cấp vật liệu — biết bản đồ nào là dữ liệu màu và bản đồ nào là dữ liệu số quyết định vật liệu ra đúng hay lệch. Đây là nguyên nhân âm thầm của rất nhiều vật liệu "nhìn sai mà không biết sai chỗ nào".
• Bàn giao file cho khâu hậu kỳ hoặc cho studio khác — giao EXR dải rộng cùng thông tin không gian màu, chứ không giao JPG. Người nhận còn dư địa để chỉnh; giao JPG là giao một sản phẩm đã đóng.

Cách áp dụng vào việc hằng ngày

1. Chốt thiết lập quản lý màu một lần cho cả văn phòng và ghi thành văn bản. Đây là quyết định mang tính hạ tầng, không nên để mỗi người tự đặt.
2. Luôn lưu bản dải sáng rộng. Bật ghi tự động .cxr, và xuất EXR cho ảnh cuối. JPG chỉ là bản giao cuối cùng.
3. Chỉnh phơi sáng trong cửa sổ render, không chỉnh bằng cường độ đèn. Cường độ đèn dùng để chỉnh tương quan giữa các nguồn sáng; phơi sáng dùng để chỉnh độ sáng tổng thể của ảnh.
4. Dùng chế độ soi vùng cháy sáng trước khi kết luận ảnh ổn. Mắt người rất dễ bỏ qua một mảng cháy trắng, nhưng nó lộ ngay khi in.
5. Kiểm tra không gian màu của từng bản đồ khi dựng vật liệu. Chỉ mất vài giây và nó chặn được một lớp lỗi khó chẩn đoán.
6. Lưu preset tone mapping theo loại ảnh — nội thất ban ngày, nội thất buổi tối, ngoại thất nắng, ngoại thất chiều.

Mẹo và lưu ý

• Không có "thiết lập đúng tuyệt đối", nhưng có "thiết lập nhất quán". Cả bộ ảnh cùng một quy tắc quan trọng hơn từng tấm hoàn hảo riêng lẻ.
• Nén vùng sáng quá tay là lỗi thẩm mỹ phổ biến. Ảnh mất hết điểm trắng, xám xịt, nhìn như ảnh HDR điện thoại đời cũ. Ảnh thật vẫn cần có điểm sáng nhất và điểm tối nhất.
• Ánh sáng nảy nhiều lần khuếch đại sai lệch màu. Một bức tường có màu nền quá bão hoà sẽ nhuộm màu cả căn phòng qua ánh sáng gián tiếp — xem Vật liệu Corona: CoronaPhysicalMtl và tư duy PBR.
• Bảng màu LUT không phải quản lý màu. Nó là hiệu ứng thẩm mỹ chồng lên trên. Đừng dùng LUT để sửa một quy trình màu đang sai.
• Coi chừng video hướng dẫn cũ về gamma. Cách làm gamma 2.2 thủ công của thời trước khác hẳn hệ quản lý màu hiện nay của 3ds Max. Đối chiếu phiên bản trước khi làm theo.

Dùng kèm hoặc thay thế

• Thao tác cụ thể trong cửa sổ render: Corona Frame Buffer và LightMix — chỉnh ảnh ngay trong render
• Cảnh ngược sáng — ứng dụng trực tiếp của lý thuyết dải sáng: Render ngược sáng — cảnh khó nhất của ảnh nội thất
• Phơi sáng theo ngôn ngữ máy ảnh: Camera vật lý: tiêu cự, khẩu độ, phơi sáng cho ảnh kiến trúc
• Không gian màu của từng loại bản đồ vật liệu: Vật liệu Corona: CoronaPhysicalMtl và tư duy PBR
• Gamma và quản lý màu ở mức thực hành: Gamma và quản lý màu — sai một lần hỏng cả bộ ảnh
• Tách lớp và bàn giao cho hậu kỳ: Render Elements — tách lớp để hậu kỳ chủ động

Video tham khảo (YouTube)

• Tone Mapping with Chaos Corona for 3ds Max (Chaos Corona)
• 3DS MAX - EXPOSURE EV in CORONA RENDER (Architect Alpha)
• Chaos Corona within ACES color management (piotrus3333 CGI)
• How to switch over to ACES (ICIO) color space in 3DsMax and Corona Render (Pixel Wave)
• Stop Using Gamma 2.2 — Why ACES Makes Your Renders Look Real (HM STUDIO)

Tài liệu tham khảo

• Color, Color space, and Color Management Basics — nền tảng về không gian màu, viết cho người làm hình ảnh chứ không cho lập trình viên.
• Tone Mapping Operators — danh sách đầy đủ các toán tử nén dải sáng và thứ tự áp dụng.
• Working with the 3ds Max color management (new OCIO defaults) — quy trình màu OCIO/ACEScg hiện hành của 3ds Max và cách Corona làm việc với nó.
• Color Management in Corona 11 for 3ds Max — mốc phiên bản quan trọng, đọc để biết bản nào hỗ trợ tới đâu.
• How to configure gamma for rendering in Corona for 3ds Max? — thiết lập gamma cho quy trình cũ, cần khi mở lại cảnh xưa.