Предисловие

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.

Введение

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.

Основные концепции освещения

Голливудский треугольник

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

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

Заполняющий свет

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

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

Основные способы освещения

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

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

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 (силуэтное) 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

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

Контрастные области

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.

Расположение контрастных областей

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

Практические примеры

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.

Основные типы световых источников

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

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 (точечный) источник света

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 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

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

Настройки световых источников

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 (Multiplier)

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 (Attenuation)

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

Тени

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

Исключение/Включение (Exclude/Include)

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.

Методология Включения/Исключения

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.