Данный урок предназначен для того, чтобы дать Вам основные понятия о применении световых источников в трехмерной графике и принципах их размещения и настройки. Он не содержит точных инструкций "шаг за шагом", поскольку не существует способов расстановки света, пригодных на все случаи жизни. Скорее это - концептуальная статья, описывающая общие приемы освещения. Не смотря на то, что примеры, приведенные в ней, базируются на 3ds max, пользователи других пакетов трехмерной графики найдут в ней для себя немало полезного.
Освещение - чрезвычайно важный аспект, который надо тщательно обдумывать при проектировании как реалистичных, так и стилизованных работ. Это не только способ осветить Вашу модель, свет создает атмосферу и настроение сцены и является ключевой составляющей ее эстетического восприятия. К сожалению не все художники, работающие в области трехмерной графики, понимают это. Я встречал немало работ, при выполнении которых освещению явно не уделялось должного внимания. Расставив в произвольном порядке несколько осветителей, их авторы доверяют всю дальнейшую работу компьютеру.
В кино- фото- и театральном деле часто применяется метод расстановки осветителей треугольником. Во многих случаях такая расстановка, еще называемая голливудским треугольником, служит основой для создания более сложных осветительных систем. [Рис. 1]. Чаще всего этот метод используется, когда надо осветить отельный объект или компактную группу объектов, и может быть с успехом использован при работе с программами трехмерной графики. Как Вы можете видеть, базовая расстановка довольно проста и содержит три осветителя - ключевой (key light), заполняющий (fill light) и обратный (back light). Каждый из этих световых источников решает свои задачи.
Рис. 1: Голливудский треугольник
Ключевой свет (key light)[Рис. 2], как видно из названия, является основным осветителем сцены. Чаще всего его размещают за камерой, под углом к ее оси от десяти до пятидесяти градусов. Обычно этот световой источник ставят в сцене первым.
Рис. 2: Объект, освещенный ключевым светом
Второй световой источник, входящий в голливудский треугольник, называется заполняющим (fill light) [Рис. 3]. Главная роль этого света - ослабить контраст и выявить детали, находящиеся в тени объекта или персонажа. Заполняющий свет должен быть слабее ключевого и располагаться под углом от тридцати до семидесяти градусов от оси камеры, со стороны, противоположной ключевому.
Рис. 3: Объект, освещенный ключевым и заполняющим светом
Обратный свет (back light) [Рис. 4] является третьим типом осветителей, применяемых при треугольном оформлении. Иногда его еще называют обводящим (rim light). Он имеет две главные задачи. Во-первых, он добавляет глубины к сцене, отделяя объект переднего плана от фона, что является важной задачей, если фон достаточно сложно организован. Во-вторых, этот осветитель используется для того, чтобы осветить контуры объекта. Обратный свет обычно располагается позади и выше объекта и направлен точно против камеры. Чаще всего, его интенсивность выше, чем заполняющего и ключевого.
Рис. 4: Объект, освещенный ключевым,заполняющим и обратным светом
Эти три источника являются сердцевиной треугольной расстановки осветителей и базой для создания сложных систем освещения. Важно понимать, что описанный метод вовсе не единственно верный. Ключевой источник - совсем не обязательно основной свет сцены, а заполняющий или обратный могут и вовсе отсутствовать. Стандартный треугольник - всего лишь база для построения сложных расстановок осветителей. Вот некоторые из наиболее часто используемых способов освещения: фронтальное, боковое, обратное (силуэтное) и высококонтрастное.
Фронтальное освещение [Рис. 5] встречается весьма часто и очень похоже на базовую треугольную расстановку. В этом случае ключевой источник света ставится примерно там же, где и камера и освещает объект со стороны зрителя.
Если применяется фронтальное освещение, то есть опасность, что Ваша модель будет выглядеть плоской по причине отсутствия переходов от света к тени на объекте. Поэтому лучше размещать свет хотя бы под небольшим углом к оси камеры.
Рис. 5: Фронтальное освещение
Боковое освещение [Рис. 6] характеризуется тем, что основной источник света или ключевой свет располагается слева или справа от объекта (перпендикулярно к оси камеры). Такой способ хорошо подчеркивает контур объекта, но должен применяться с осторожностью, чтобы не получить "односторонней" композиции, так как все объекты сцены будут освещены с одной стороны.
Рис. 6: Боковое освещение
Обратное освещение [Рис. 7]существенно отличается от стандартных способов, описанных выше. В то время как фронтальное и боковое освещение призвано обратить внимание зрителя на текстуру и объем объекта, обратное подчеркивает его силуэт, создавая эффект плоского изображения. Объекты, а особенно персонажи, освещенные таким образом, часто имеют таинственный или страшный вид.
Рис. 7: Силуэтное освещение
Высококонтрастное освещение [Рис. 8] применяется редко, однако это довольно интересный метод. Этот способ назван так потому, что в нем применяется очень слабый заполняющий свет, или же его нет вовсе. Такой прием обеспечивает высокий контраст между освещенными и затененными областями сцены. Например, на рисунке 8 используется источник света, освещающий объект с одной стороны, вторая же, почти полностью затененная, подчеркнута с помощью обратного света. Высококонтрастное оформление - мой любимый способ освещения.
Рис. 8: Высококонтрастное освещение
Существует, конечно, много вариаций основных расстановок света. Их Вы можете найти сами, поэкспериментировав с осветителями. Выбор конкретного оформления для конкретной работы зависит от Ваших пристрастий и настроения, которое Вы хотите передать в своей сцене. Общее правило здесь одно - чем лучше модель, тем большей ее выразительности можно добиться с помощью освещения. Если у Вашего персонажа плохо проработаны черты лица, то и тени, которые они отбрасывают, скорее всего, будут выглядеть неестественно. В большинстве случаев для получения качественной картинки требуется качественная же модель.
Важным следствием выбора системы освещения будет расположение на картине контрастных областей. Контрастные области [Рис. 9a] не всегда видны на картине с первого взгляда, однако они всегда там присутствуют. Их расположение использует каждый художник (сознательно или нет), чтобы сбалансировать композицию своей работы. Если картина, не смотря на высокое качество прорисовки, выглядит неважно, очень часто причиной тому - неудачное расположение контрастных областей на ней. Правильное расположение заставляет взгляд зрителя двигаться по картине именно так, как хочет автор [Рис. 9b]. Взгляните, например, на Рис. 9.b. Достаточно бросить взгляд на картину, чтобы увидеть построение композиции, которую использовал Рембрандт. Динамичное зигзагообразное оформление заставляет Ваш взгляд передвигаться по изображению. Фигуры, образуемые контрастными областями, должны быть просты и могут повторяться.
Рис. 9a: Расположение контрастных областей
Рис. 9b: Расположение контрастных областей
Хороший художник фотограф или скульптор всегда досконально знает свойства инструмента, с которым он работает. Художник, работающий с программой трехмерной графики, тоже должен знать свой инструмент.
Если обычный художник хочет обвести объект освещенным контуром, он берет нужную кисть и нужную краску и делает это. Задача 3D художника в некотором смысле даже несколько сложнее. Если первый сам рисует то, что он хочет, то второй должен знать, как система рендеринга нарисует то, что он смоделировал в видовом окне. Чтобы знать, как осветить объект, сначала необходимо уяснить, какие световые инструменты имеются в Вашем распоряжении.
3D Studio MAX и большая часть других пакетов трехмерной графики предоставляют в распоряжение пользователя четыре основных типа световых источников: прожектор (spotlight), всенаправленный (omni), направленный (directional) и рассеянный (ambient) свет. Эти четыре базовых типа предоставляют достаточно возможностей для создания любого задуманного Вами эффекта и имеют различные характеристики.
Прожектор [Рис. 10а] один из основных типов, используемых в 3ds max и других программах. Луч такого источника имеет форму конуса. Чем дальше от источника, тем большую площадь он освещает. Чем ближе объект к свету, тем большую тень он отбрасывает. Луч содержит внутреннее, ярко освещенное пятно и область, где интенсивность освещения плавно спадает к краям (полутень). Величина области максимального освещения и полутени может настраиваться на панели Modify с помощью задатчиков Hotspot и Falloff [Рис 10b]. Другие программы имеют аналогичные возможности.
Рис. 10a: Прожектор
Рис. 10b: Настройки прожектора
Всенаправленный осветитель [Рис. 11] (в некоторых программах трехмерной графики он называется точечным) так же применяется довольно часто. Он излучает свет во все стороны, подобно небольшой лампочке и часто используется для моделирования сцен с имитацией электрического освещения. Поскольку всенаправленные источники не излучают свет в виде конуса, для них нельзя настроить параметры области максимального освещения и спада яркости к краям, как у прожектора. Осветители этого типа часто используются для создания заполняющего света.
Рис. 11: Всенаправленный источник света
Направленный свет похож на прожектор [Рис. 12]. Подобно ему он имеет области максимальной освещенности и полутени, но лучи от него распространяются параллельно и тени, отбрасываемые им, проецируются на поверхности параллельными лучами.
Рис. 12: Направленный источник света
Рассеянное освещение [Рис. 13] отличается от трех вышеперечисленных типов и обсчитывается по совершенно другой методике. Обычно оно применяется для имитации рассеянного света, существующего в реальном мире. В 3ds max рассеянное освещение не является объектом, который размещается в некотором месте сцены. Это всего лишь настройка системы рендеринга. При установке этой настройки меняется яркость и общий цвет сцены. Например, при разработке сцены с имитацией естественного освещения рассеянный свет может быть довольно ярким и иметь голубоватый оттенок.
Рис. 13: Настройки рассеянного освещения
Несмотря на разность описанных типов освещения, имеются и параметры, которые настраиваются для них одинаково. Это, например, такие характеристики как интенсивность, ослабление с расстоянием и параметры тени.
Интенсивность [Рис. 14], возможно одна из самых используемых характеристик света в 3ds max (и других программах). Интенсивность позволит Вам настроить мощность (яркость) светового источника в 3D сцене и, соответственно, добавить или убавить контраста в изображение модели. Манипуляции этой настройкой - лучшее средство для того, чтобы притушить заполняющий осветитель или прибавить яркости обратному.
Рис. 14: Сцена с разными значениями интенсивности света:0.5, 1.0 (по умолчанию), 2.0, 100.0
Затухание [Рис. 15a] - другая важная настройка осветителя. В реальной жизни объект, далекий от осветителя, выглядит менее ярко, чем расположенный к нему близко. Большинство программ, включая 3ds max, по умолчанию не используют эту характеристику. Затухание должно быть включено и настроено вручную на панели Modify. Параметры затухания настраиваются с помощью средств интерфейса, расположенных в группах Near Attenuation и Far Attenuation. Обычно они используются для всенаправленных источников, чтобы легко управлять областью их действия.
Рис. 15a: Сцена с разными значениями затухания
Контраст (Contrast) и смягчение границ диффузной освещенности (Soften Diffuse edge)
Контраст и смягчение границ диффузной освещенности [Рис. 15b] два средства, помогающих настроить переход от света к тени. Контраст помогает увеличить разницу между затененными и освещенными областями объекта. Смягчение границ диффузного освещения организует плавный или более резкий переход между ними. Совместной регулировкой этих параметров можно добиться нужного Вам эффекта освещения.
Рис. 15b: Сцена с разными значениями контраста: 0(по умолчанию), 50 и 100 и смягчения границ диффузной освещенности: 0(по умолчанию) и 100
Есть два способа создания теней в 3D графике – трассировка лучей и карта теней. Трассировщик лучей рисует тени прямым расчетом проекции объекта, а при использовании карты тени сначала рассчитывается изображение тени, а затем оно накладывается на объекты подобно текстуре. В последнем случае свойства картинки с тенью могут быть настроены с помощью параметров Size (Размер), Bias (Смещение) и Sample range (диапазон усреднения). Размер [Рис. 15c] определяет разрешение картинки с тенью.
Рис. 15c: Сцена с разными значениями размера карты тени: 128, 512 и 2048
Больший размер приводит к сглаживанию ступенчатого края тени во время рендеринга, однако при этом расходуется больше памяти и затрачивается больше времени. Смещение определяет, насколько близко тень будет находиться к объекту, ее отбрасывающему. Меньшее значение приближает тень к объекту.
Диапазон усреднения [Рис. 15d] позволяет сделать края тени размытыми (при увеличении значения) или четкими (при уменьшении).
Рис. 15d: Сцена с разными значениями диапазона усреднения: 1, 5 и 20
Настройки включения и исключения объекта в освещение крайне важны. Они позволяют для каждого осветителя выбрать объекты, на которые он не будет действовать, несмотря на то, что свет от него попадает на эти объекты. Можно так же отключать отбрасывание конкретным объектом тени. Окно настройки включения/исключения содержит два списка. [Рис. 15e].
Рис. 15e: Окно настройки Исключения/Включения
В левом перечислены все объекты сцены, а в правом объекты, включенные или исключенные из области действия источника.
Рассмотрим пример. Представьте себе, что Вам поручили проект с изображением трех яиц [Рис. 16a].
Рис. 16a: Композиция, освещенная обратным светом
В нем Вы применили силуэтное освещение, для чего установили обратный свет. Как видите, контуры объектов освещены и выделяются на черном фоне. Однако Ваш руководитель считает, что они подчеркнуты недостаточно и требует, чтобы освещенные контуры были толще, ярче и занимали большую часть объектов. Можно увеличить интенсивность обратного осветителя и поднять его повыше, но это изменит освещение плоскости, на которой стоят объекты, что может быть и не желательно [Рис. 16b].
Рис. 16b: Увеличение интенсивности обратного света
Здесь может прийти на помощь метод раздельного освещения. Настроив свет так, чтобы он действовал только на центральные объекты сцены (в данном случае яйца), Вы можете не беспокоится о действии, которое он окажет на остальные предметы. В некоторых случаях, в частности в этом примере, целесообразно осветить объект не одним, а двумя источниками, по одному с каждой стороны. Это позволит увеличить длину освещенного контура [Рис. 16c].
Рис. 16c: Избирательное действие двух световых источников на объекты
Теперь, поскольку пара осветителей прекрасно справляется с освещением яиц, но не освещает поверхности, на которых они стоят, Вам потребуется третий источник света, который должен освещать пол и отбрасывать на него тени от яиц, но не освещать их [Рис. 16d].
Рис. 16d: Исключение объектов из действия дополнительного источника света
Этот осветитель располагается сзади и выше объектов, там, где первоначально и находился Ваш обратный свет. Он будет создавать иллюзию того, что это освещение объектов осталось прежним. Таким образом, требования Вашего руководства будут выполнены без особых проблем [Рис. 16e].
Рис. 16e: Окончательный вид композиции
Процесс назначения осветителей каждому объекту индивидуально позволяет Вам легче управлять светом, не заботясь о том, что изменения в освещении затронут те объекты, которые уже настроены. Этот прием позволяет обмануть систему рендеринга и получить тот результат, который Вы хотите, а не тот, который должен получится в строгом соответствии с математикой. Художник, работающий с кистью и холстом, может легко провести линию там, где ему это надо. Умело манипулируя группировкой света, Вы можете получить аналогичную возможность при работе с компьютерной 3D графикой.
Если Вы освоили принцип индивидуальной настройки освещения для каждого объекта, можно создавать сложные световые системы, например для имитации отраженного света. Отраженный свет - исключительно важный прием, особенно если Вам нужно добавить реализма в 3D сцену. Дело в том, что системы рендеринга, кроме тех, что используют Radiosity, не совсем точно рассчитывают поведение световых лучей.
Большинство рендереров, в том числе и стандартный рендерер 3ds max считают, что луч света останавливается сразу после того, как встречает первое препятствие. В реальной жизни свет отражается от встреченной поверхности (в зависимости от свойств ее материала, например, зеркало отражает свет почти полностью, а черный бархат почти ничего не отражает) и продолжает распространяться дальше.
Посмотрите, как учтено действие отраженного света на картине Рембрандта [Рис 17]. На воротнике и левой руке персонажа можно разглядеть области, освещенные именно им. Таким образом, свет частично отразившись от одного объекта, освещает другой, от него третий и так далее, каждый раз теряя интенсивность и первоначальный цвет, пока окончательно не рассеется в атмосфере.
Рис. 17: Пример учета отраженного освещения
Чтобы изобразить действие отраженного света, нужно научиться мысленно трассировать световые лучи и определять, где и каким образом они должны освещать объекты. Рассмотрим, например две сферы, созданные в 3ds max [Рис 18а].
Рис. 18a: Исходная сцена со стандартным освещением
Предположим, что для их освещения применяется боковая расстановка осветителей. Разместим ключевой источник света слева, включим режим теней и увеличим его интенсивность с 1.0 до 2.9. Справа поместим заполняющий осветитель, чтобы слегка осветить затененные области. В данном случае можно не применять заднего света, так как наша задача научиться имитировать отраженный свет, сделав это на несложном примере. Как видите стандартный рендерер 3ds max рассчитывает действие только прямого освещения от двух источников [Рис. 18b].
Рис. 18b: Исходная сцена с улучшенным освещением
Теперь добавим реализма к сцене за счет имитации отраженного освещения. Для этого нужно определить, где луч осветителя попадает на первый встреченный объект и как, отразившись, освещает второй. Представьте себе, что каждая часть объекта, на которую попадает первичный свет, становится сама по себе осветителем. Как Вы можете видеть на рис. 18.c, ключевой источник света создает на сфере B освещенный участок слева.
Рис. 18c: Освещение сферы B ключевым источником
Здесь он отражается в обратном направлении и освещает правую сторону сферы A, правда в значительно меньшей степени. Установим всенаправленный источник света справа вверху сферы A и исключим из его воздействия поверхность пола и сферу B [Рис. 18d].
Рис. 18d: Освещение сферы A светом, отраженным от сферы B
Примечание переводчика. Билл Флеминг, известный специалист в области компьютерной графики, в одной из своих книг справедливо отмечает, что отраженный свет не порождает зеркальных бликов. Для данной сцены, где применяются стандартные материалы, это не важно. Но если в материалах Вашей сцены уровень зеркальности (Specular Level) не равен нулю, лучше всего для источников, имитирующих отраженный свет, отключить флажок Specular в свитке Advanced Effects
Что еще будет отражать свет? Конечно пол. Свет, отраженный от пола будет освещать нижнюю часть обеих сфер [Рис 18e]. Вы можете добиться этого эффекта, например, создав под каждой сферой по одному всенаправленному источнику света или один прожектор, исключив из его действия пол.
Рис. 18e: Действие света, отраженного от пола, на сферу B
Теперь посмотрим на тени, отбрасываемые сферами. Могут ли они в действительности быть такими черными, какими их рисует рендерер. Если учесть свет, отраженный от сферы B, то он должен освещать и эту часть пола. Чтобы учесть и этот эффект, создадим еще один источник света с небольшой интенсивностью над областью тени, которую отбрасывает сфера A [Рис. 18f].
Рис. 18f: Ослабление тени отраженным светом ключевого источника
Из его действия надо исключить обе сферы. Его интенсивность можно подрегулировать настройкой затухания (Attenuation). Еще один всенаправленный источник, созданный справа от сферы B, будет освещать область ее тени и имитировать действие заполняющего света, отраженного этой сферой [Рис. 18g].
Рис. 18g: Ослабление тени отраженным светом заполняющего источника
Чтобы сделать тени менее насыщенными, можно включить в системе рендеринга и рассеянное освещение. Учтите, однако, что в этом случае повысится освещенность не только тени, но и всех прочих объектов.
Итого имеется семь источников света, из которых пять используется для имитации вторичного освещения - отраженного света первых двух. Так же важно иметь в виду цвет отраженного света. Обычно он имеет тот же цвет, что и поверхность, его отразившая [Рис. 18.h].
Рис. 18h: Изменение цвета отраженного света
На этом рисунке я сделал сферу B из зеленого материала и поместил красный листок под сферу A. Этот красный лист отражает красный же свет на нижнюю часть сферы. Зеленая сфера, в свою очередь, отражает зеленый свет на правую сторону сферы A и затененную область между сферами. Тень справа от сферы B так же должна иметь зеленый оттенок, вызванный отражением света от заполняющего источника. Цвет отраженного света регулируется цветом источника, его имитирующего. Можно так же поэкспериментировать с его интенсивностью и насыщенностью. Практика имитации отраженного света с помощью дополнительных световых источников представляет собой неплохую альтернативу программам рендеринга, использующим Radiosity (к тому же со значительно меньшими затратами времени на рендеринг).
Следует помнить, что именно такие мелкие детали, как учет отраженного света отличают по настоящему хорошую картину. Если они применены правильно и в меру, то хорошая картина становится прекрасной, а прекрасная - шедевром.
Все ранее описанные примеры очень просты, но дают общее представление о технике, позволяющей достичь хороших результатов при использовании освещения в 3D программах. Теперь рассмотрим более сложный пример. При этом большее внимание будет уделено общим задачам композиции сцены, которые должны быть решены перед тем, как Вы начнете заниматься мелкими деталями, например, учетом отраженного света.
Посмотрите на картинку, которую я сделал, чтобы показать, как знания, полученные при рассмотрении простых примеров, могут применяться при создании более сложных работ. Полученную с помощью Rhinoceros 3D модель я отрендерил в 3ds max [Рис. 19a] сначала с источниками света, установленными по умолчанию.
Рис. 19a: Сцена, освещенная стандартным светом
Расположение контрастных областей (особенно в области лица и ног персонажа) не выдерживает никакой критики [Рис. 19b].
Рис. 19b: Расположение контрастных областей при стандартном освещении
Чтобы исправить ситуацию, я создал ключевой свет светло-голубого цвета с интенсивностью 1.6. Точка, на которую направлен этот источник, привязана к персонажу. Поиграв с местоположением источника, я нашел два варианта, которые меня устроили [Рис. 19c.].
Рис. 19с: Возможные варианты освещения сцены
Из этих двух я выбрал тот, результат рендеринга которого приведен справа, так как тень персонажа выглядит более выигрышно и не отвлекает внимание от фона. Таким образом, окончательно было выбрано расположение ключевого источника света справа вверху. В этом случае расположение контрастных областей [Рис. 19d] (справа) выглядит существенно лучше, чем при использовании начального расположения света (слева).
Рис. 19d: Сравнительное расположение контрастных областей при разном освещении
Чтобы несколько ослабить контраст между затененными и освещенными участками изображения, я решил добавить заполняющий источник света [Рис. 19e].
Рис. 19e: Влияние заполняющего источника света
Его интенсивность я установил равной 0.5. Ни для ключевого, ни для заполняющего источника никакие объекты из области действия не исключались.
С заполняющим светом получилось лучше, но общая композиция показалась мне несколько скучной. Особенно терялась на фоне обувь персонажа. По замыслу одежда, обувь и оружие должны быть черными с отблеском. Я решил сильнее подчеркнуть их силуэт, что поможет решить сразу две задачи: выделить сами объекты и сделать сцену более драматичной и таинственной. Для этого я разместил всенаправленный источник света (интенсивность 1.2) за персонажем и слева от него [Рис. 19f].
Рис. 19f: В сцену помещен дополнительный источник света
Как Вы можете видеть на этом рисунке, новый осветитель хорошо высветил сцену и пол. В результате этого персонаж стал ярче выделяться на фоне, а кроме того, лучше проявилась текстура бетонного пола. Другой всенаправленный источник светло-голубого цвета расположен так же сзади и справа от персонажа, чтобы дать небольшую подсветку его ногам выше сапог [Рис. 19g].
Рис. 19g: В сцену помещен еще один дополнительный источник света
Наконец я расположил обводящий (обратный) свет, который даст несколько преувеличенный эффект света, отраженного от стены. Это будет яркий прожектор (интенсивность 2.0) сзади и слева - против ключевого света [Рис. 19h].
Рис. 19h: Действие обратного осветителя
Как видно на этом рисунке, контур персонажа осветился неплохо, но появилось нежелательное освещение пола. Чтобы исправить ситуацию, я исключил пол из области действия этого светового источника [Рис. 19i].
Рис. 19i: Пол исключен из области действия обратного света
Обводящий свет увеличивает выразительность картины и помогает подчеркнуть некоторые детали - правое бедро, руку и оружие. Можно было бы продолжить работу над освещением сцены, например, осветить отраженным от пола светом сапоги. Однако я решил удовлетвориться полученным результатом. Итак, окончательно сцена содержит пять световых источников: ключевой, заполняющий, обводящий (прожекторы) и два вспомогательных всенаправленных для освещения фона [Рис. 19j]. При этом только обводящий использует исключение объектов из области действия.
Рис. 19j: Окончательное расположение осветителей в сцене
Перевод: Алексеев В. (heshang)
Автор: Brian Michael Nestor
Источник: http://3dcenter.ru
Нажмите чтобы добавить Новый урок. После одобрения администрацией он станет доступен для публики.
Комментарии
Отправить комментарий