3ds Max: Источники света в сцене.

Вс, 07/10/2011 - 18:31.

Общие сведения об освещении в трехмерной графике В любом редакторе трехмерной графики (Lightwave 3D, Maya, Softimage, 3ds Max и др.) реалистичность визуализированного изображения зависит от трех главных факторов: качества созданной трехмерной модели, удачно выполненных текстур и освещения сцены. Одна и та же сцена, просчитанная при различном освещении, может выглядеть совершенно по-разному. При изменении положения источников света в сцене искажаются окрашивание объектов, форма отбрасываемых теней, возникают участки, чересчур залитые светом или слишком затемненные. Создание реалистичного освещения в сцене — одна из самых больших проблем при разработке трехмерной графики. В реальности падающий луч света претерпевает огромное количество отражений и преломлений, поэтому очень редко можно встретить резкие, неразмытые тени. Другое дело — компьютерная графика. Здесь количество падений и отражений луча определяется только аппаратными возможностями компьютера. До определенного момента в трехмерной графике преобладали резкие тени. Сцена, с которой работает дизайнер, является лишь упрощенной физической моделью, поэтому визуализированное изображение далеко не всегда походит на настоящее. Но, несмотря на это, освещение в трехмерной сцене все же можно приблизить к реальному. Для этого нужно соблюсти два правила: * установить источники света и подобрать их яркость (параметры) таким образом, чтобы сцена была равномерно освещена; * задать настройки визуализации освещения.

ПРИМЕЧАНИЕ Несмотря на то, что чаще всего источники света используются для освещения объектов в сцене, иногда свет применяется как самостоятельный объект, например для имитации далекого огонька в ночи, маяка, звезды на небе и т. д.

Проблема освещения в изображениях возникла задолго до появления трехмерной графики. Первыми задачу правильного освещения решали художники и фотографы, позже — кинооператоры, теперь она стала насущной и для разработчиков трехмерной графики. Самым распространенным способом является освещение из трех точек (трехточечная система). Такой подход удачен при освещении одного объекта (например, портреты в фотостудии), для сложных трехмерных сцен он может не подойти. Выбор освещения зависит от количества объектов, отражательных свойств их материалов, а также от геометрии сцены. Для освещения также является важным, какой тип источника света используется. Например, направленный источник света позволяет сконцентрировать внимание на каком-то определенном объекте, а всенаправленный точечный источник — осветить сцену целиком.

Освещение сцены Итак, чтобы трехмерные модели выглядели естественно в визуализированном изображении, их необходимо правильно осветить. По умолчанию 3ds Max 8 использует свою систему, которая равномерно освещает объекты трехмерной сцены. При такой системе освещения в финальном изображении отсутствуют тени, что выглядит неестественно. Чтобы объекты отбрасывали тени, в сцену необходимо добавить источники света. Сразу после того, как в сцене появляются источники света, система освещения, используемая 3ds Max 8, автоматически выключается. Источники света в 3ds Max 8 делятся на направленные (Spot) и всенаправленные (Omni). К первой категории относятся Target Spot (Направленный с мишенью), Free Spot (Направленный без мишени) и mr Area Spot (Направленный, используемый впзуалнзатором mental ray). К BCCHIтравленным источникам света относятся Omni (Всенапраиленный) и mr Area Omni (Всенаправленный, используемый визуализатором mental ray). Направленные источники используются в основном для того, чтобы осветить конкретный объект или участок сцены. При помощи направленных источников света можно имитировать, например, свет автомобильных фар, луч прожектора или карманного фонарика и т. д. Всенаправленные источники света равномерно излучают свет во всех направлениях. Используя их, можно имитировать, например, освещение от электрических ламп, фонарей, свет пламени и др. Независимо от того, какой источник света используется в сцене, он характеризуется такими параметрами, как Multiplier (Яркость), Decay (Затухание) и Shadow Map (Тип отбрасываемой тени) (рис 13.1). По умолчанию Multiplier (Яркость) любого источника света равна 1, а параметр Decay (Затухание) выключен. Поскольку в реальной жизни свет от источников подчиняется законам физики, то интенсивность распространения света зависит от расстояния до источника света. Если нужно смоделировать реалистичный источник света, то в настройках источника света необходимо установить функцию Decay (Затухание), которая определяется обратной зависимостью света от расстояния или квадрата расстояния. Второй вариант наиболее точно описывает распространение света. При создании освещенности сцены применительно к источникам света часто используются следующие эффекты. * Volume Light (Объемный свет) — свет, создаваемый источником, окрашивает пространство в цвет источника. В реальной жизни такой эффект можно наблюдать в темных запыленных или задымленных помещениях. Пучок света, пробиваясь в темноте, хорошо заметен. * Lens Effects (Эффекты линзы) — напоминает эффект, который в реальной жизни получается на изображении при использовании специальных объективов с различными системами линз. Это могут быть блики различной формы, отсветы и т. д. Чтобы использовать эффект, в свитке настроек Atmospheres Effects (Атмосфера И эффекты) источника света нажмите кнопку Add (Добавить) и выберите требуемый эффект в окне Add Atmosphere or Effect (Добавить эффект или атмосферное явление.

СОВЕТ Вы также можете добавить в сцену эффект, выполнив команду Rendering -- Environment (Визуализация -- Окружение) или нажав клавишу 8. В окне Environment and Effects (Окружение и эффекты) перейдите на вкладку Environment (Окружение) (чтобы добавить эффект Volume Light (Объемный свет)) или на вкладку Effects (Эффекты) (для добавления Lens Effects (Эффекты линзы)), после чего, нажав кнопку Add (Добавить), добавьте в сцену один из эффектов.

Для настройки эффекта используйте кнопку Setup (Настройка) в свитке настроек Atmospheres Effects (Атмосфера и эффекты) источника света. При этом вы перейдете в окно Environment and Effects (Окружение и эффекты). Чтобы программа могла просчитывать эффект, в его настройках необходимо указать, к какому источнику света используется выбранный эффект. Нажмите кнопку Pick Light (Выбрать источник света), после чего щелкните мышью на источнике света в окне проекции.

Правила расстановки источников света в сцене Существует множество приемов, с помощью которых можно осветить сцену таким образом, чтобы скрыть мелкие недостатки и подчеркнуть важные детали. Например, чтобы придать объем трехмерной модели, ее достаточно осветить сзади. При этом появится отчетливая граница, визуально отделяющая объект от фона. Другой пример: если требуется осветить половину объекта, то вторая его половина должна быть также подсвечена источником света с малой интенсивностью. Иначе затененный участок трехмерной модели будет неестественно скрыт в абсолютной темноте. Особенно это будет заметно, если объект расположен темной стороной к стене. В этом случае свет должен отразиться от стены и слабо подчеркнуть контур затененной стороны объекта (так происходит в реальности). Наряду с такими приемами существуют и общие рекомендации, как не нужно освещать сцену. Например, источник света не должен располагаться намного ниже освещаемого объекта, поскольку это придаст модели неестественный вид. В действительности чаще всего мы видим объекты, освещенные люстрой пли солнцем, поэтому и в трехмерных сценах источник света должен располагаться сверху. Это придает сценам реалистичность. Следует очень осторожно использовать источники света с большой интенсивностью. Освещение, созданное с их помощью, может вызвать сильные засветы и исказить текстуру объекта. По умолчанию параметр Multiplier (Яркость) всех источников света в 3ds Max 8 имеет значение 1. Старайтесь по возможности избегать значений, превышающих это число, а использовать параметр Decay (Затухание.

Реалистичные источники света, искусственные и естественные, излучают свет, интенсивность которого по мере удаления от этих источников уменьшается. Все стандартные источники света в 3ds Max 8 могут использовать различную степень затухания — Inverse (Обратная зависимость) или Inverse Square (Обратно-квадратичная зависимость). Ее можно выбрать из списка Туре (Тип) свитка настроек Intensity/ Color/Attenuation (Интенсивность/цвет/затухание) источника света. Больше всего соответствует реальности степень затухания Inverse Square (Обратно-квадратичная зависимость), однако ее не всегда удобно использовать из-за того, что возле источника могут возникать слишком сильно освещенные участки, а на удалении от него — совсем темные. Решением этой проблемы может служить повышение значения параметра Multiplier (Яркость) при одновременном увеличении расстояния между источником света и объектом. Для освещения сцены удобно использовать один главный источник света и несколько вспомогательных. В качестве основного источника можно применить, например, один из имеющихся в арсенале 3ds Max 8 направленных источников света. Интенсивность вспомогательных источников света должна быть значительно меньше, чем основного. Кроме этого, вспомогательные источники не должны создавать тени от объектов в сцене. Большое количество теней может внести беспорядочность в сцену.

СОВЕТ Работая над освещением, не забывайте, что в свойствах любого источника света можно указать, какие объекты он будет освещать, а какие нет. Для этого необходимо нажать кнопку Exclude (Исключить) в свитке настроек General Parameters (Общие параметры) и в открывшемся окне выполнить необходимые настройки. Такая возможность нужна для того, чтобы рационально использовать ресурсы программы и не перегружать и без того сложный процесс визуализации. Исключение объектов из области воздействия источников света можно считать своего рода оптимизацией сцены.

Таким образом, выбор положения источников света в сцене — достаточно сложная задача. Неудачное расположение источников света может создать слишком темные участки в сцене, а сами объекты могут быть плохо видны из-за недостаточной освещенности или, наоборот, слишком яркого света. Поскольку каждая трехмерная сцена обладает своими уникальными геометрическими характеристиками, расположение источников будет разным для различных сцен. По этой причине трудно разработать определенные правила, следуя которым можно было бы оптимально осветить сцену. Несмотря на это, есть несколько общих советов, которым необходимо следовать, чтобы не испортить трехмерную композицию неумело установленным освещением. * Не стоит без реальной необходимости устанавливать значение яркости источников света больше или равным 1, так как из-за этого могут возникнуть засвеченные участки и нежелательные блики. * Следует помнить, что объекты, на которые сзади падает несильный свет, в финальном изображении кажутся немного более объемными. * При наличии в сцене нескольких источников света яркость в отдельно взятой точке равняется суммарной яркости всех источников в сцене. * Наличие большого количества источников света в сцене может вызвать множество хаотичных теней, которые будут лишними в визуализированном изображении. * Если вы желаете добиться фотографической реалистичности, то для визуализации сцены лучше использовать специальные подключаемые фотореалистичные визуализаторы, которые по точности просчета на порядок выше стандартного модуля визуализации (Default Scanline Renclerer.

Характеристики света и методы визуализации теней Свет имеет три главные характеристики: яркость (Multiplier), цвет (Color) и отбрасываемые от освещенных им объектов тени (Shadows). При расстановке источников света в сцене, обязательно обратите внимание на их цвет. Источники дневного света имеют голубой оттенок, для создания же источника искусственного света нужно придать ему желтоватый цвет. Также следует принимать во внимание, что цвет источника, имитирующего уличный свет, зависит от времени суток. Если сюжет сцепы подразумевает вечернее время, освещение может быть в красноватых оттенках летнего заката. Различные визуализаторы предлагают свои алгоритмы формирования теней. Отбрасываемая от объекта тень может сказать о многом — как высоко он находится над землей, какова структура поверхности, па которую падает тень, каким источником освещен объект и т. д. Кроме этого, тень может подчеркнуть контраст между передним и задним планом, а также «выдать» объект, который не попал в поле зрения объектива виртуальной камеры. В зависимости от формы отбрасываемой объектом тени, сцена может выглядеть реалистично или не совсем правдоподобно. Как мы уже говорили выше, настоящий луч света претерпевает большое количество отражений и преломлений, поэтому реальные тени всегда имеют размытые края. В трехмерной графике используется специальный термин, которым обозначают такие тени, — мягкие тени. Добиться мягких теней довольно сложно. Многие визуализаторы решают проблему мягких теней, добавляя в интерфейс 3ds Max 8 неточечный источник света, имеющий прямоугольную или другую форму. Такой источник излучает свет не из одной точки, а из каждой точки поверхности. При этом чем больше площадь источника света, тем более мягкими получаются тени при визуализации. Существуют разные подходы к визуализации теней — использование карты теней (Shadow Map), трассировки (Raytraced) и глобального освещения (Global Illumination). Рассмотрим их по порядку. Использование карты теней позволяет получить размытые тени с нечеткими краями. Главная настройка Shadow Map (Карта теней) — это размер карты теней (параметр Size (Размер) в свитке настроек Shadow Map Params (Параметры карты теней)). Если размер карты уменьшить, четкость полученных теней также снизится. Метод трассировки позволяет получить идеальные по форме тени, которые, однако, выглядят неестественно из-за своего резкого контура. Трассировкой называют отслеживание путей прохождения отдельных световых лучей от источника света до объектива камеры с учетом их отражения от объектов сцены и преломления в прозрачных средах. Метод трассировки часто используется для визуализации сцен, в которых присутствуют зеркальные отражения. Начиная с 3ds Max 5, для получения мягких теней используется метод Area Shadows (Распределение теней), в основе которого лежит немного видоизмененный метод трассировки. Area Shadows (Распределение теней) позволяет просчитать тени от объекта так, как будто в сцене присутствует не один источник света, а группа равномерно распределенных в некоторой области точечных источников света. Несмотря на то, что метод трассировки лучей точно воспроизводит мелкие детали сформированных теней, его нельзя считать идеальным решением для визуализации из-за того, что полученные тени имеют резкие очертания. Метод глобального освещения (Radiosity) позволяет добиться мягких теней в финальном изображении. Этот метод является альтернативой трассировке освещения. Если трассировка визуализирует только те участки сцены, на которые попадают лучи света, то глобальное освещение просчитывает рассеиваемость света и в неосвещенных или находящихся в тени участках сцены на основе анализа каждого пиксела изображения. При этом учитываются все отражения лучей света в сцене.

СОВЕТ Глобальное освещение позволяет получить реалистичное изображение, однако процесс визуализации сильно нагружает рабочую станцию и к тому же требует много времени. Поэтому в некоторых случаях имеет смысл использовать систему освещения, имитирующую эффект рассеиваемого света. При этом источники света должны быть размещены таким образом, чтобы их положение совпадало с местами прямого попадания света. Такие источники не должны создавать теней и должны иметь небольшую яркость. При таком методе, безусловно, не получается настолько же реалистичное изображение, какое можно получить, используя настоящий метод глобального освещения. Однако в сценах, которые имеют простую геометрию, он вполне может пригодиться.

Существует несколько алгоритмом просчета глобального освещения, один из способов расчета отраженного света — фотонная трассировка (Photon Mapping). Этот метод подразумевает расчет глобального освещения, основанный на создании так называемой карты фотонов. Карта фотонов представляет собой информацию об освещенности сцены, собранную при помощи трассировки. Преимущество метода фотонной трассировки заключается в том, что единожды сохраненные в виде карты фотонов результаты фотонной трассировки впоследствии могут использоваться для создания эффекта глобального освещения в сценах трехмерной анимации. Качество глобального освещения, просчитанное при помощи фотонной трассировки, зависит от количества фотонов, а также глубины трассировки. При помощи фотонной трассировки можно также просчитать эффект каустики.

С любезного разрешения авторов, по материалам книги С. Бондаренко, М. Бондаренко. 3ds Max 8 Сайт авторов.