Мягкий Свет

 

Автор - Эндрью Вейденхаммер, www.3dlight.com

Перевод - Мирон

В кино стало популярным использование мягких источников света. Это стало возможно частично благодаря усовершенствованию аппаратуры в последнее время. Один из методов использует контраст между светом с четкими тенями (Hard Light) и Мягким Светом (Soft Light). Этой техникой великолепно владеет Дариус Хонжи ("Деликатес", "Город потерянных детей", "Семь", "Воскрешение Чужого").

Источники света в компьютерной графики изначально имеют четкие границы теней. Особенно когда используются рейтрэйсовые тени. Название "Мягкий свет" говорит само за себя - Линия между светом и тенью нечеткая. Она мягче и как бы окутывает весь объект. Раньше только размытие тени с помощью Карты Тени (Shadow Map) было единственной возможностью имитировать мягкие источники света. В жизни все не совсем так. Свет исходит больше чем из одной точки. Поэтому все одноточечные источники света с картой тени имитируют природные весьма условно. Однако Питера Вотье - исключение, так как на самом деле это массив источников света, которые просто обозначаются как один.

В компьютерной графике настоящий источник мягкого света называется Area Light (зональное освещение). Использование этого эффекта увеличивает время рендеринга. А если быть честным, то на это может уйти очень много времени. Недавно я разговаривал с техническим директором PDI. И на вопрос об использовании Зонального Освещения в "Муравей Зет" ("AntZ") он ответил отрицательно. Сказал, что на это ушло бы слишком много времени. Так что это в принципе не выход. Лучше экспериментировать и в зависимости от результатов уже решать, чем вы можете пожертвовать. Но мне кажется, что мягкий свет иногда играет решающую роль в сцене. Есть некоторые плагины, которые создают и рендерят мягкий свет эффективней.

В реальности такого понятия как точечный источник света не существует. Любой свет исходит более чем из одной точки, являясь, таким образом, мягким источником. По крайней мере, в сравнении с компьютерной графикой. В принципе это и дает компьютерный вид изображению. Я стараюсь избегать этого как могу. Вот где помогают мягкие источники света. Компьютерные источники света с Картами Тени (Shadow Maps) для имитации мягких теней реального мира. Иногда этого вполне достаточно для достижения нужного вам уровня реализма. Но это не все, что можно сделать.

Теперь я попробую на пальцах объяснить, что такое зональное освещение. Посмотрите на вашу тень. Я имею в виду на вашу настоящую тень. Она очень четкая возле самого объекта. И с увеличением расстояния до объекта граница тени размывается все больше и больше. Такого никогда не будет с одноточечным источником в мире 3d. Если разобраться, то становится ясно почему. Так как в реальности источником света выступает поверхность лампочки (или другая поверхность - в зависимости от источника), то лучи выходят из большого количества точек и под разными углами. Когда эти лучи света создают тень рядом с объектом, они почти не расхождения. А с увеличением расстояния между объектом и его тенью, лучи расходятся все больше и больше. Тень размывается.

Перед тем как пойти дальше я бы хотел привести несколько наглядных примеров. (Все отрендерено в 3ds Max 2.5, и для дальнейшего обсуждения я буду использовать эту же программу).

Рис 1

Рис 2

Рис 3

Рис 4

Рис 1 - Обычный источник

Рис 2 - плагин SoftSpot Питера Вотье

Рис 3 - Поддельный Радиосити

Рис 4 - плагин LumaObject

Первая картинка показывает, как освещают свои сцены начинающие 3d-дизайнеры. Обычно необходимо использовать гораздо больше источников света. Но ради простоты на всех рисунках кроме третьего только есть только один источник. На третьем рисунке дополнительные источники используются для эмуляции эффекта Радиосити (об этом чуть позже).

На рисунке 1 максовский источник света с немного измененными настройками. Размер Карты Тени - 1024, диапазон выборки (Sample Range) - около 15. Размер карты тени следует всегда увеличивать, чтобы тень не шла ступеньками при рендеринге. Карта тени представляет собой растровую картинку, которая проецируется из источника и создает тень таким образом. Чем больше размер карты тени, тем больше деталей появится в самой тени. Однако вместе с этим понадобится и больше памяти для рендеринга. Диапазон Выборки используется для смягчения границ тени и дает красивый эффект... Но гляньте еще раз на первый рисунок - это мягкость тени почти при максимальном значении Диапазона Выборки.

На втором рисунке источник использует значения цвета и яркости обычного точечного источника света со значениями Карты Тени и Диапазона Выборки по умолчанию. Однако сам источник- это плагин SoftSpot Питера Вотье. Плагин можно взять с его сайта. Как вы видите, он создает более мягкую, реалистичную тень. Секрет довольно прост. Он создает вокруг себя спиральный массив источников света , которые невидимы в окне просмотра (viewport).

Настройка "Радиус" в СофтСпоте непосредственно определяет диаметр спирали, и таким образом размер зоны освещения. Чем больше радиус, тем мягче будут тени. Хотя н стоит с этим перебарщивать - при слишком большом диаметре появляются артефакты в виде светлых пятен на объектах, которые отбрасывают тень. При использовании СофтСпота время рендера увеличивается в 3 раза. На первую картинку ушло 10 секунд, на вторую - более 30 секунд. Вроде бы немного, но в нормальной сцене все будет намного медленнее. Хотя если нужна реалистичность, то это стоит потраченного времени.

Теперь я думаю, вы согласитесь. Рисунок 2 явно лучше первого в плане реализма. Но давайте глянем на рисунки 3 и 4. Они очень похожи и выглядят лучше предыдущих. Это потому, что в них имитируется радиосити. При рендеринге с этим эффектом учитываются не только лучи, которые исходят от источников света, но и которые отражаются от объектов сцены. Как это и происходит в реальном мире. Цвет лучей изменяется при переходе от одного объекта к другому. Так как отражающиеся от объекта лучи света всегда окрашиваются в цвет объекта. Кстати, в 3 и 4 картинке тоже использован СофтСпот как источник освещения.

Третий рисунок имеет синий общий оттенок. Так как свет, который отражается от синего шара, синий. На этой картинке радиосити эмулируется расположением точечного источника с затуханием синего цвета в середину шара. Яркость источника очень мала (в районе 0,2 - 0,3). Рамки начала затухания и полного затухания установлены так, что свет начинает затухать возле поверхности шара и полностью затухает за пределами комнаты. Все видно на скриншоте вида сверху. Синий бокс - это границы комнаты. Коричневый круг - граница полного затухания точечного источника света. Фиолетовый круг в середине - это шарик. Хотя видно плохо, но желтый круг рядом с фиолетовым - это граница начала затухания света. Узнать больше о затухании света вы можете из моих других туториалов, а так же из хелп-файлов вашей программы.

В дополнение к синему источнику света на рисунке 3 Я добавил немного окружающего света (ambient light) для общей освещенности и придал ему синий оттенок. Как вы видете это довольно простой способ добавлять эффект радиосити в сцены, к тому же он очень эффективен в плане времени рендеринга в сравнении с последним методом. Многие 3d-дизайнеры посоветуют вам повысить общую освещенность для эмуляции радиосити. Это легко сделать и иногда дает приемлемые результаты. Однако этот метод уменьшает контрастность сцены.

Если по умолчанию у вас включено общее освещение, ради бога выключите его полностью! Установите источники света в сцене и только после этого установите нужный уровень заполняющего света. Основная задача заполняющего освещения - удаление черных зон из сцены. Значение, которое вы устанавливаете в заполняющем освещении, будет самым темным цветом в вашей сцене.

Из всех картинок на рисунке 3 самая светлая тень - установки заполняющего света осветляют ее. Это может быть очень полезно, но если вы переберете, то сцена будет выглядеть плоской. Обратите внимание, темные зоны шара с третьего рисунка светлее, чем в остальных картинках. Все выглядит довольно хорошо так как уровень заполняющего света правильно подобран. Но если его поднять чуть выше, то картинка будет выглядеть тускло.

Картинка 4 - моя самая любимая. Но рендерилась она дольше всех. Кстати, на шарике - кубическая карта отражений. Так что, чем больше уйдет времени на рендер всей сцены, тем больше рендерится будут отражения на шарике. Так как автоматическая кубическая карта отражения создается рендерингом всей сцены с 6 сторон куба. И наложением полученного материала текстурой на шар. На рендеринг третьей картинки ушла минута. Тогда как четвертая (из-за дополнительного подсчета отражающегося света LumaObject для всех 6 сторон) заняла около 3 минут. Притом, что разрешение всех картинок - 320х200.

Да, конечно на рендеринг LumaObject уходит много времени. Но он же дает самый реалистичный результат в простой сцене с окружением из стен. Хотя разница между третьей картинкой и четвертой минимальна. Это доказывает, что эмуляция радиосити затухающими цветными источниками света и регуляцией заполняющего света может быть очень эффективна. Единственная проблема это то, что с дополнением источников света для эмуляции радиосити блекнут тени. На рисунке 3 видно, что возле шара тени светлее и имеют синий оттенок. Естественно это из-за синего точечного источника света. Хотя в принципе эти проблемы устраняются тонкой настройкой расположения, мощности и затухания синего источника света.

Я надеюсь, все вышеизложенное помогло вам лучше понять технику освещения 3d-сцен. Если есть вопросы - пишите. Удачи всем.