核心内容摘要
亚洲视觉盛宴：探索“黄色电影”背后的文化与情愫
为什么要用 rayshader当我们打开一张普通的地图时看到的往往是平面的线条和色块。
虽然我们可以通过等高线去想象山脉的起伏或者通过蓝色的深浅去猜测湖泊的深浅但这始终缺乏一种身临其境的震撼感。
rayshader 的出现就是为了打破二维平面与三维世界之间的那堵墙。
它不仅仅是一个绘图工具更像是一位精通光影艺术的数字雕刻家。
它能将那些枯燥的地理高程数据转变为栩栩如生的微缩景观。
rayshader 最大的价值在于化繁为简它依托于 R 语言将极其复杂的 3D 渲染流程封装成了极简的指令。
你不需要懂得如何计算光线的折射角度也不需要手动去构建每一个山峰的模型你只需要告诉它“这里是数据给我加上早晨 8 点的阳光”它就能自动帮你完成剩下所有的任务。
而且rayshader 最迷人的地方在于它对真实感的追求。
普通的 3D 地图往往看起来像是由塑料堆砌而成的玩具缺乏质感。
而 rayshader 引入了光线追踪与环境光遮蔽技术它能精确模拟阳光是如何洒在山脊上的云层的阴影是如何投射在深谷中的甚至能模拟出大气层的雾气感和水面的波光粼粼。
这种对光影的细腻处理能让一张普通的地形图瞬间拥有艺术摄影般的质感。
因此其特别适合在GIS相关工作中应用。
数据读取与转换首先打开RStudio从开始菜单中或桌面快捷方式打开都可以图1 找到RStudio并打开我们以示例数据集为例将附件的数据集名字重命名为satellite_image.csv然后将其粘贴到R的工作目录内。
由于目前我们并不知道工作目录在哪因此需要现在R studio中输入代码进行寻找getwd()输入后便能够得到返回结果找到当前的工作目录图2 返回的工作目录将获得的地址粘贴到此电脑的地址栏中回车进入图3 粘贴到地址栏回车进入目录将示例数据集改名并粘贴到这一目录图4 改名并粘贴rayshader 并不直接分析 TIF 文件它需要矩阵数据。
因此我们需要在 RStudio 中复制并粘贴运行以下代码#
安装工具包 install.packages(c(rayshader, terra)) #
加载必要的工具包 library(rayshader) library(terra) #
读取您的本地数据文件 # 这里我们使用 terra 包的 rast() 函数就像把文件从硬盘里“拿”出来 # 注意请确保 satellite_image.tif 文件在您的当前工作目录下或者填写完整路径 tif_data - rast(satellite_image.tif) #
关键步骤将地理文件转换为 rayshader 能识别的“矩阵” # rayshader 提供了一个贴心的函数 raster_to_matrix专门负责这个翻译工作 elmat - raster_to_matrix(tif_data) #
检查一下是否成功 # 我们看看这个“表格”的大小 dim(elmat)运行代码后可以看到已经输出了结果图5 输出的检查结果
第一次 3D 渲染数据准备好了现在我们开始生成模型。
rayshader制作 3D 地形就像是搭建积木但我们不需要一块一块去搭只需要两步简单的指令先给它上色再把它拉起。
在 R 语言中我们经常使用一个像管道一样的符号 %%。
可以把它想象成工厂里的传送带数据从左边进去经过加工后传给下一个环节。
这样写代码就像在读句子一样自然。
复制并粘贴运行以下代码# 这里的 elmat 是我们在上一节生成的矩阵数据 elmat %% height_shade() %% # 第一步根据高度生成基础颜色皮肤 plot_3d( # 第二步根据矩阵数值构建 3D 模型骨架 elmat, # 告诉它用哪个数据来决定山的高度 zscale 30, # 【关键参数】海拔缩放比例详见下文解读 fov 0, # 摄像机视野0 代表正交视图像地图70 代表透视像人眼 theta 45, # 摄像机的水平旋转角度
度 phi 45, # 摄像机的俯视角度
度90是垂直俯视0是平视 windowsize c(1000,
, # 弹出的 3D 窗口大小 zoom
7 # 初始缩放级别 )代码中height_shade() 代表根据高度给地图上色。
低的地方涂上代表水的蓝色或平原的绿色高的地方涂上代表山峰的白色或褐色。
这相当于给模型穿了一层基础的皮肤。
plot_3d() 则是 rayshader 的重要函数。
它会根据我们之前的 elmat 高度矩阵把平面的颜色“顶”起来形成 3D 实体。
生成的结果如下图图6 生成的3D结果按住鼠标左键拖动可以旋转模型从东南西北各个角度观察山脉。
按住鼠标右键拖动可以拉近或推远像无人机一样俯冲进山谷或者飞到高空概览全貌。
按住鼠标中键拖动则是平移视图。
虽然现在的地形看起来还比较简单只有颜色过渡但它已经是一个真正的三维实体了。
接下来我们通过叠加图层和光影处理让它变得像照片一样真实。
叠加图层给地形穿衣服如果说 plot_3d 是构建骨架那么这一步就是给骨架穿上衣服。
在专业的地图绘制中我们很少只用一种颜色。
通常我们会把“光照质感”和“海拔颜色”混合在一起甚至如果有卫星照片也可以直接贴在模型表面。
rayshader 强大的地方在于它允许我们像 Photoshop 一样一层一层地叠加图片。
在上一节我们用了 height_shade按高度上色。
现在我们使用更高级的函数sphere_shade()。
它会模拟光源照射在起伏地面上的效果生成一张带有明暗阴影的“浮雕图”。
这会让地形即使在平面状态下看起来也有立体的质感。
这个函数的搭配按照以下方式进行
底图使用 sphere_shade 生成的黑白浮雕提供纹理细节。
覆盖层使用 height_shade 生成的彩色高度图提供直观的海拔信息。
混合使用 add_overlay 将两者融合类似给照片上色。
复制并粘贴运行以下代码install.packages(magick) #
加载必要的库 library(rayshader) library(terra) library(magick) # 【关键】加载图像处理包解决报错问题 #
制作“内衣”基于光照的黑白浮雕层 base_layer - sphere_shade(elmat, texture bw, sunangle
#
制作“外套”基于高度的彩色层 color_layer - height_shade(elmat, texture terrain.colors(
) #
穿衣并渲染 elmat %% sphere_shade(texture bw, sunangle
%% add_overlay(color_layer, alphalayer
0.
%% # 现在有了 magick这一步就能成功了 plot_3d( elmat, zscale 30, fov 0, theta 45, phi 45, windowsize c(1000,
, zoom
7 )可以看到结果已经被自动生成图7 生成的结果现在3D 地形图既有丰富的颜色又有清晰的山体脉络。
接下来我们用阴影让它变得更加深邃。
添加阴影层在现实世界中光线不仅仅是直射的。
在一个深邃的山谷底部即使阳光没有直接照进去也会因为周围山壁的遮挡而显得比较暗而在开阔的山顶光线则非常充足。
这种“因为周围物体遮挡而产生的阴影”在计算机图形学中叫做环境光遮蔽。
如果不加这一层生成的山脉就像是用塑料做的每个角落都很亮加上这一层山脉的皱褶感、深邃感会得以显现就像给素描画加上了重重的阴影线条。
我们需要用到两个生成阴影的函数
ray_shade()模拟太阳光产生的直接投影比如山峰挡住了背后的光。
ambient_shade()模拟环境光遮蔽比如山谷缝隙里的暗部。
接下来我们将底色 太阳阴影 环境阴影叠在一起。
复制并粘贴运行以下代码#
计算太阳光阴影Ray Shade # 模拟太阳从西北方向sunangle 315照射产生的硬阴影 # zscale 30 必须与 plot_3d 中的一致否则阴影位置会跑偏 ray_shadow - ray_shade(elmat, sunangle 315, zscale
#
计算环境光遮蔽Ambient Shade # 模拟山谷缝隙里的软阴影这会让地形看起来更深邃 amb_shadow - ambient_shade(elmat, zscale
#
混合所有图层并渲染 elmat %% sphere_shade(texture bw, sunangle
%% # 底层黑白光照 add_overlay(color_layer, alphalayer
0.
%% # 中层彩色高度上一节做的 add_shadow(ray_shadow, max_darken
0.
%% # 顶层1叠加太阳阴影 add_shadow(amb_shadow, max_darken
0.
%% # 顶层2叠加环境阴影 plot_3d( elmat, zscale 30, fov 0, theta 45, phi 45, windowsize c(1000,
, zoom
7运行这段代码后能够发现山谷的深处和山脊的背光面质感变得厚重了。
这种充满电影质感的画面就是光影魔法的魅力。
接下来我们进一步开启光线追踪模拟真实的大气和光线反弹。
开启光线追踪到目前为止我们在 RGL 弹出窗口中看到的 3D 地形只是一个实时预览版。
为了保证拖动鼠标时画面流畅电脑省略了很多复杂的光影计算。
现在我们要使用 render_highquality() 函数启动光线追踪技术计算每一束光线在山谷间的反射、折射和散射。
运行这段代码前必须保持之前的预览 3D 窗口RGL窗口处于打开状态并调整好最佳角度。
运行代码后R 会开始计算可能需要几十秒具体取决于电脑性能。
复制并粘贴运行以下代码#这里的参数不再是控制模型而是控制“摄影棚”的灯光和相机 render_highquality( lightdirection 315, # 阳光照射的方向西北方 lightaltitude 45, # 阳光的高度45度角类似上午9点的太阳 lightintensity 800, # 阳光的强度 samples 200, # 【关键】采样数数值越高噪点越少画质越细腻但速度越慢 clear TRUE # 渲染完成后自动关闭那个 3D 预览窗口以释放内存 )生成的结果如下所示图8 完成渲染的图出现在右下角观察结果可以发现阴影不再是完全黑暗而是带有柔和的过渡软阴影原本生硬的棱角现在被光线包裹得更加自然。
这一步生成的图片已经具备了作为壁纸或海报的潜质。
但如果想让它看起来更像微距摄影作品我们还可以加上最后一道滤镜——景深与虚化。
景深与虚化在 rayshader 中实现景深与虚化效果不需要昂贵的相机镜头只需要调整一个参数光圈。
光圈越大背景虚化越强烈。
在 render_highquality() 函数中我们只需要加入 aperture 参数
aperture 0默认值。
全图清晰没有虚化像手机拍风景。
aperture 10 到 30适合地形图。
会让远处和近处的山峰模糊焦点集中在画面中心产生强烈的微缩模型感。
复制并运行以下代码# --- 第一步重新构建 3D 窗口--- # 这一步和之前一样只是为了确保有一个东西可以被拍摄 elmat %% sphere_shade(texture bw, sunangle
%% add_overlay(color_layer, alphalayer
0.
%% add_shadow(ray_shadow, max_darken
0.
%% add_shadow(amb_shadow, max_darken
0.
%% plot_3d( elmat, zscale 30, fov 0, theta 45, phi 45, windowsize c(1000,
, zoom
7 ) # --- 第二步带景深的“微缩摄影” --- render_highquality( lightdirection 315, lightaltitude 45, lightintensity 800, samples 200, # 【新增核心参数】 aperture 30, # 光圈大小。
数值越大虚化越强。
建议尝试
。
# 焦点位置默认情况下rayshader 会自动对焦在模型中心。
clear TRUE # 渲染完关闭窗口 )完成渲染后的效果如图所示图9加入景深与虚化后的效果观察图片可以发现画面中的山峰具有了清晰锐利的效果画面边缘则呈现出了朦胧的模糊感。
这种虚化效果能有效消除计算机生成的生硬感让地形图看起来就像是专业插图。
现在我们已经完成了一幅作品最后一步就是把它保存下来。
导出与分享rayshader 提供了专门的函数能以原始分辨率保存作品确保每一个像素都清晰可见。
如果刚刚运行完光线追踪渲染图片显示在 Plots 面板里则需要在 RStudio 右下角的 Plots 面板上方点击右键然后选择Save Image as图10 右键并保存随后选择保存目录点击 Save 即可完成保存图11 选择保存目录另外我们还可以生成一段航拍视角的旋转视频。
复制并粘贴运行以下代码install.packages(av) library(av) library(rayshader) #