Освещение сцены требует не меньших усилий, чем ее моделирование, ведь в большинстве случаев необходимо обеспечить реалистичный эффект. Это совсем не простая задача, ведь в реальном мире источники света работают совсем не так, как в виртуальном. Например, свет не отражается от поверхностей объектов - в итоге если в действительности единственная лампочка может осветить целую комнату, включая ее скрытые от прямых лучей света области (диффузное рассеивание), то в 3D Studio MAX такие области останутся абсолютно темными. А это значит, что диффузное рассеивание света придется имитировать за счет дополнительного освещения. И наоборот, виртуальные источники света можно настроить так, что они будут не увеличивать, а уменьшать освещенность сцены, что в реальности в принципе невозможно и т.п.

Правильно подобранное освещение является одним из наиболее существенных факторов обеспечения реализма сцены при ее визуализации. Оно создает контрасты между объектами, делает использованные материалы более яркими и выразительными и позволяет настраивать тени объектов. Кроме того, освещение определяет общее настроение сцены - например рассеянный свет создает эффект умиротворенности, тусклое освещение может вызвать страх, мерцающий свет - ощущение тревоги и т.п. С некоторыми наиболее простыми приемами настройки освещения мы ознакомимся сейчас, а более сложные аспекты работы с освещением рассмотрим в одном из ближайших уроков.

Теоретические аспекты

Настройка освещения сцены предполагает создание в ней источников света и определение их положения и параметров. Источники света (как и любые другие объекты сцены) различаются по типам - каждый из них имеет собственные свойства и сферу применения. Работа с источниками ведется параллельно с созданием объектов геометрии, однако окончательная настройка их параметров осуществляется в процессе создания и назначения материалов, поскольку освещение тесно связано с текстурированием и может влиять на особенности отображения материалов, а также приводить к появлению теней. При создании сцены ее объекты освещаются автоматически, однако с добавлением первого источника света установленное по умолчанию освещение отменяется. При удалении всех созданных источников сцена вновь освещается источниками света, используемыми по умолчанию.

К основным источникам света можно отнести следующие (рис. 1):

• Omni (Всенаправленный) - отбрасывает лучи равномерно во всех направлениях от единственного точечного источника подобно лампочке без абажура;
• Target Spot (Нацеленный прожектор) и Free Spot (Свободный прожектор) -распространяют лучи из точки в определенном направлении коническим потоком и освещают область внутри конуса. Различие этих двух источников заключается в том, что направление световых лучей в первом из них строго определено точкой цели (Target ), а второй источник такой точки цели не имеет и потому направление световых лучей в нем может меняться при вращении источника;
• Target Directional (Нацеленный Прямой) и Free Directional (Свободный Прямой) -распространяют лучи из плоскости параллельным потоком в определенном направлении и освещают область внутри прямого или наклонного цилиндров. Данные источники различаются между собой тем, что направление световых лучей в первом из них имеет привязку-цель, а второй направлен свободно (направление отбрасываемых им световых лучей изменяется при вращении источника).

За создание источников света отвечает категория Lights (Источники света) панели Create (Создать), при выборе которой становятся доступными все вышеописанные типы источников (рис. 2). Технология их создания напоминает создание объектов геометрии. Нужно выбрать тип источника и либо просто щелкнуть в точке его создания в одном из окон проекций (для всех источников, кроме типов Target ), либо перетащить мышь при нажатой левой кнопке, указав таким образом не только местоположение источника, но и его Target-точку. Созданным источникам (так же как и объектам геометрии) присваиваются имена: Omni01, Spot01 и т.п., которые лучше сразу заменять на более информативные. Любой источник света можно перемещать, поворачивать и масштабировать на видовых экранах так же, как и все другие стандартные объекты.

Параметры источников либо устанавливаются сразу при их создании на панели Create , либо изменяются позднее через панель Modify . Список параметров весьма внушителен, и в этом уроке мы ознакомимся лишь с некоторыми из них. Все параметры разбиты по свиткам, основными из которых являются следующие:

• General Parameters (Общие параметры) - позволяет изменять тип источника, включать-отключать возможности генерирования падающих теней и исключать отдельные объекты из сферы влияния источника, что актуально при имитации особых световых эффектов (таких как вспышки) либо при выборочной засветке одного или группы объектов;
• Intensity /Color /Attenuation (Интенсивность/Цвет/Ослабление) - предназначен для контроля интенсивности, цвета и пространственного ослабления светового потока, позволяет обеспечить неоднородность освещения, характерную для объектов реального мира;
• Shadow Parameters (Параметры тени) и Shadow Map Parameters (Параметры карты тени) - отвечают за характер генерирования теней. Они позволяют регулировать четкость границы, изменять цвет тени, увеличивать/уменьшать расстояние от объекта до тени, добавлять к карте теней текстурную карту, настраивать тени при внедрении атмосферных эффектов, имитировать размытые тени в туманном освещении или четкие тени, создаваемые ярким полуденным солнцем и т.д.;
• Advanced Effects (Расширенные эффекты) - позволяют управлять четкостью перехода от освещенных источником участков объекта к неосвещенным, включать-отключать блики на объекте от источника света, назначать источнику текстурную карту и т.д.

Источник света Omni

Подготовьте простую сцену из двух объектов: плоскости и шара (рис. 3). Создайте источник света типа Omni , открыв категорию Lights панели Create , щелкните на кнопке с названием Omni , а затем укажите мышью в одном из окон проекций местоположение источника - появится объект, по виду напоминающий восьмигранник, который представляет собой созданный источник света. Инструментом Select and Move отрегулируйте положение источника так, чтобы в проекции Front он находился справа от шара и был расположен гораздо выше его, а затем (при выделенном источнике) в свитке General Parameters панели Modify включите флажок Shadows для генерации теней (рис. 4). Проведите рендеринг - шар окажется освещенным справа и будет отбрасывать тень (рис. 5). Попробуйте поперемещать источник света вокруг шара и увидите, что в зависимости от положения источника будет освещаться та или иная часть шара. По окончании эксперимента верните источник на исходную позицию справа от шара.

Рис. 4. Первоначальная настройка источника света Omni

Рис. 5. Шар с одним Omni -источником

Теперь научимся управлять интенсивностью света. Для этого при выделенном источнике света активизируйте панель Modify и в свитке Intensity /Color /Attenuation увеличьте значение параметра Multiplier (Коэффициент), например, до 2 - освещение сцены станет намного ярче (рис. 6). В этом же свитке (в диалоговом окне Color Selector : Light Color , открываемом при щелчке на поле, расположенном справа от параметра Multiplier ) можно изменить цвет световых лучей. Для примера попробуйте изменить устанавливаемый по умолчанию белый цвет, например, на желтый - при визуализации сцена окажется освещенной «желтой лампочкой» (рис. 7).

Добавьте в сцену еще один Omni-источник и разместите его на проекции Front слева от шара, но так, чтобы он оказался гораздо ниже первого источника (рис. 8). Уменьшите интенсивность второго источника примерно до 0,7, а цвет у него оставьте белым - теперь шар окажется освещенным уже с двух сторон (рис. 9).

Рис. 8. Добавление и настройка второго Omni -источника

Рис. 9. Шар с двумя Omni -источниками

Источник света Free Directional

Удалите оба Omni-источника, что не приведет к затемнению сцены, поскольку вновь включатся источники света, используемые по умолчанию. Создайте один источник света типа Free Directional (для этого проще всего выбрать данный тип источника и щелкнуть в центре шара на проекции Top - тогда источник сразу будет направлен на шар). Затем нужным образом переместите его инструментом Select and Move и подкорректируйте его угол наклона инструментом Select and Rotate (рис. 10). Если провести рендеринг, то окажется, что шар освещается вместе с фрагментом плоскости, причем достаточно интенсивно, другая же часть плоскости вообще не видна (рис. 11). Получается, что яркость источника слишком велика, а вот зона охвата светового потока явно недостаточна. Ситуацию несложно изменить. Вначале разберемся, от каких параметров зависит зона охвата светового потока. Регулируя значения параметров Hotspot /Beam (определяет размер светового конуса для внутреннего, предельно насыщенного луча) и Falloff /Field (устанавливает размер внешних пределов угасания луча к краям) в свитке Directional Parameters , можно изменять размеры появляющегося от светового пучка светового пятна и характер его границы, которая может быть четкой или, наоборот, размытой. По умолчанию пятно отличается четкой границей, что далеко от реальности. Сделайте Hotspot /Beam равным 25, а Falloff /Field - 50, в результате пятно света станет размытым (значения данных параметров в каждом конкретном случае окажутся свои, важно лишь, чтобы значение первого параметра было примерно в два раза больше значения второго) - рис. 12. И наоборот, если значения данных параметров близки, то граница будет четкой. Что касается размеров светового пятна, то они напрямую зависят от значения параметра Hotspot /Beam - чем оно выше, тем размер пятна больше. При желании в этом свитке можно также менять форму сечения светового конуса (а значит, и форму светового пятна) с круглой (Circle ) на прямоугольную (Rectangle ). При выборе последней появляется возможность регулировать соотношения сторон светового прямоугольника параметром Aspect .

Рис. 10. Установка источника Free Directional

Рис. 11. Сцена с одним источником Free Directional

Теперь расширьте границы освещения так, чтобы внутри светового конуса оказался не только шар, но и бо льшая часть плоскости, и не забудьте, что значения параметров Hotspot /Beam и Falloff /Field должны достаточно сильно различаться, чтобы снижение освещенности к краям плоскости осуществлялось постепенно. Уменьшите интенсивность света (Multiplier ) примерно до 0,6 и включите флажок Shadows для генерации теней - сцена окажется освещенной более естественно, хотя уровень освещения будет недостаточным (рис. 13). Чтобы увеличить уровень освещенности, попробуйте создать два дополнительных источника света (рис. 14). Для первого (задача которого - создать общее освещение сцены) выберите тип Omni , желтый цвет и интенсивность порядка 0,8-0,9. Назначение второго - обеспечить эффект вторичного освещения, возникающего за счет отражения падающего света от светлых поверхностей (в данном случае плоскости). В нашем примере такой эффект должен проявиться на нижней поверхности шара в виде некоего цветного блика. Чтобы имитировать подобный эффект, установите под плоскость слабый цветной источник света, не отбрасывающий тень, - подойдет, например, источник типа Free Directional . В нашем случае для него установлен сходный с оттенком плоскости цвет, интенсивность которого равна примерно 1,1, а размер таков, чтобы плоскость полностью оказалась внутри границ внутреннего светового конуса Hotspot /Beam . Окончательный вид сцены представлен на рис. 15.

Источник света Target Spot

Создайте сцену, установив на плоскость шар, цилиндр и куб и назначив для плоскости материал на основе мраморной текстуры (рис. 16). Перед созданием нового источника света предварительно уменьшите масштаб сцены, чтобы поместить источник на достаточно большом расстоянии от ее объектов. Активируйте в категории Lights источник типа Target Spot , переключитесь на проекцию Front , установите указатель мыши в левую верхнюю часть данного окна, щелкните левой кнопкой мыши в данной точке и, не отпуская мышь, направьте ее к объектам - будет создан нацеленный прожектор (рис. 17). Если сразу же провести рендеринг, то результат получится весьма далеким от желаемого (рис. 18): освещаться будет плоскость под объектами, а сами объекты практически не будут видны.

Рис. 17. Создание источника света Target Spot

Рис. 18. Начальное освещение сцены источником Target Spot

Попробуем изменить ситуацию и добиться того, чтобы были освещены обращенные к зрителю стороны объектов. Как было отмечено выше, нацеленные источники света отличаются от свободных наличием цели (Target ) - пустого объекта, на который направлена ось пучка лучей источника света. Изменение особенностей освещения объектов подобным источником возможно как путем воздействия на сам источник, так и на его объект-пустышку. Например, при перемещении объекта-пустышки источник света автоматически меняет свою ориентацию, но при этом будет продолжать оказываться нацеленным на пустой объект. Попробуйте, попеременно воздействуя инструментом Select and Move на источник и на объект-пустышку, расположить источник так, чтобы освещенными оказались грани объектов, размещенные на переднем плане (рис. 19). Визуализируйте сцену (рис. 20).

Рис. 19. Корректировка положения источника Target Spot

В свитке General Parameters увеличьте интенсивность источника, задав параметр Multiplier равным 1,25, и установите флажок Shadow s - сцена станет ярче и объекты теперь даже будут отбрасывать тени, правда слишком темные (рис. 21). Поэтому откройте свиток Shadow Parameters (Параметры тени) и уменьшите плотность тени, установив счетчик Dens (Плотность) равным 0,5 - тени станут выглядеть более естественно (рис. 22). При желании в этом свитке также можно поменять цвет тени в поле Color (рис. 23) или сделать так, чтобы цвет тени формировался с учетом цвета источника - для этого в меню Shadow Parameters потребуется включить флажок Light Affects Shadow Color (рис. 24).

И напоследок для улучшения внешнего вида сцены попробуйте добавить в нее еще два источника света: Omni-источник желтого цвета с интенсивностью порядка 0,3-0,5 для создания общего светового фона и источник типа Target Spot розового цвета с интенсивностью порядка 2 для имитации эффекта вторичного освещения (рис. 25). Кроме того, назначьте плоскости новый материал типа Raytrace и подключите к нему уже использованную текстуру, стараясь создать имитацию полированного мрамора. Окончательный вид визуализированной сцены представлен на рис. 26.

Источник света Free Spot

Свободный прожектор Free Spot отличается от только что рассмотренного источника Free Directional тем, что его лучи расходятся не параллельным пучком, а коническим, подобно свету реальных прожекторов, театральных софитов, карманных фонариков и т.п. Попробуем создать три таких источника, чтобы осветить плоскость с торусом (рис. 27) примерно так, как ее могли бы осветить разноцветные театральные софиты. Вначале установите слабый Omni-источник для общего освещения сцены (рис. 28). Затем добавьте первый свободный прожектор, например с лучами синего цвета и небольшими световыми конусами (в данном случае параметр Hotspot /Beam равен 10, а Falloff /Field -20) - рис. 29. Удобнее всего создавать прожектор в проекции Top , щелкая прямо по объекту, на который он должен быть направлен. В итоге визуализированная сцена станет напоминать рис. 30. Точно таким же образом создайте еще два цветных прожектора (красный и зеленый) с теми же самыми параметрами, а затем отрегулируйте положение всех трех прожекторов в окнах проекций, например так, как показано на рис. 31. Установите для каждого из источников флажок Shadows для генерации теней и визуализируйте сцену (рис. 32). Поскольку тени выглядят слишком черными, уменьшите их плотность (Dens ) в свитке Shadow Parameters примерно до 0,3-0,4 (рис. 33).

Рис. 28. Добавление источника света Omni

И напоследок попробуем воспользоваться интересной возможностью назначения прожектору текстурной карты Projector Map (Проецируемая карта), что позволяет либо совмещать отображение светового пятна с изображением произвольного изображения (если задействована, например, обычная фотография), либо видоизменять определенным образом границу светового пятна (если использовано черно-белое изображение, играющее роль маски). Мы применим второй вариант и назначим прожекторам текстуры, показанные на рис. 34, 35 и 36 соответственно, - сделать это нужно в свитке Advanced Effects (рис. 37). Возможный результат назначения текстурных карт показан на рис. 38, для достижения которого торусу дополнительно был присвоен новый материал, имитирующий пластик.

Среда 3dsMax предлагает нам несколько источников света (ИС), корректно работающих со стандартным сканлайн-визуализатором (Scanline Default Renderer). Все они различаются способом излучения света и, что уже вторично, формой отбрасываемой тени. С помощью них можно иммитировать практически любую схему освещения, доступную в реальном мире. Все стандартные ИС доступные в 3dsMax повторяют свойства источников встречающихся в нашей жизни. На данный момент в 3dsMax доступны: Target Spot (Нацеленный прожектор), Free Spot (Свободный прожектор), Target Direct (Нацеленный прямой ИС), Free Direct (Свободный прямой ИС), Omni (Всенаправленный), SkyLight (Свет небесного купола).

Создать любой из этих источников можно следующим образом.

1. Перейти на панель Create (Создать).
2. Выбрать категорию Lights (Источники Света).
3. В выпадающем списке определить тип источников как Standart (Стандартные).
4. Выбрать нужный ИС.

Источники mr Area Omni и mr Area Spot, работают корректно лишь с визуализатором Mental Ray.

Так что же представляют из себя эти источники?

Target Spot и Free Spot

Источник света типа Spot имитирует распространение света сфокусированным пучком. Похожее поведение мы можем наблюдать у прожектора, маяка, фонарика, фар автомобиля и т.п.

Рис.1 Распространение света и форма тени у источника типа Spot

Так как испускаемые лучи света расходятся из точки излучения под углом, то и отбрасываемая этим источником тень наращивает площадь по мере отдаления от предмета. Логично предположить, что для имитации солнечного света такой ИС не применим, но хорошо подойдет для искусственных ИС. В редких случаях можно частично иммитировать природные эффекты - например, прохождение солнечных лучей через прорехи в тучах или через листву в лесу (Рис.2, сверху-справа).

Рис.2 Примеры реальных световых пучков

Target Direct и Free Direct

Источник света типа Direct имитирует распространение параллельных лучей. Свет излучается не с точки, как в случае с ИС Spot, а с плоскости. В природе источником параллельных лучей является солнце. Такой источник позволяет отбрасывать тени предметам в виде вытянутых проекций без расширения их при удалении от объекта.

Рис.3 Распространение света и форма тени у источника типа Direct

Omni излучает свет из точки во всех возможных направлениях. Тени от предметов, подверженных излучению Omni напоминают по форме тени Spot. Это расширяющиеся при удалении от объекта проекции. С помощью Omni мы можем иммтировать свет от свечи, различные ламп, шаровой молнии и т.п.

Рис.4 Распространение света и форма тени у источника типа Omni

Рис.5 Примеры точечных источников света

Skylight

Представьте себе гигантский купол над вашей сценой в 3dsMax, с поверхности которого излучается свет. Лучи многократно переотражаются от объектов и в конечном итоге затухают, теряя энергию. Всестороннее освещение с многократными переотражениями.

Рис.6 Распространение света и форма тени у источника типа Skylight

В итоге мы получаем ровную картину освещения и мягкие тени (Рис.7). Именно так действует Skylight. Такое освещение часто самодостаточно и не требует дополнительных ИС. Такой метод освещения исключает черные провалы в тенях, а следовательно потерю деталей.

Рис.7 Мягкие тени при освещении Skylight

Стандартный визуализатор = низкое качество?

Было бы ошибкой думать, что Default Scanline Renderer (DSR) это каменный век и везде используются визуализаторы Vray, Mental Ray, Final Render, Brazil и т.д. Вы удивитесь, но очень многие задачи решаются штатным рендерером пакета (в случае с 3dsMax это DSR). Например футажи для видео «Ship Crash» были визуализированы с помощью обыкновенного DSR.

Рис.8 Кадры визуализации падения сбитого самолета

Поэтому не стоит думать, что нельзя получить красивого света с помощью стандартного визуализатора и стандартных источников освещения. В конце концов свет ставит художник, а не программа-визуализатор.

Рис.9 Визуализация с помощью Default Scanline Renderer

Настройки источника света

Spot и Direct (Target and Free).

На Рис.10 изображены свитки настроек ИС (их можно найти, если перейти на палитру Modify, предваритель выделив ИС).

Рис.10 Настройки источника света (Spot,Direct)

Свиток
General Parameters

1. Включить/отключить источник света
2. Сменить тип ИС (Spot, Direct, Omni)
3. Включить/отключить маркер цели (активно для Spot/Direct)
4. Расстояние от ИС до маркера цели
5. Включить/отключить просчет теней для этого ИС
6. Использовать/не использовать глобальные настройки для тени
   Если отключено, можно использовать особый тип теней для этого ИС. Если включено, то у всех ИС в сцене будет один тип теней
7. Тип тени (Advanced ray-traced shadows, Area shadows, Ray-traced shadows, Shadow maps)
   Во второй части подробнее про каждый тип
8. Вызывает окно, где можно исключить объекты из зоны влияния ИС

Intensity/Color/Attenuation

1. Интенсивность ИС
2. Цветовой оттенок света
3. Тип затухания (None, Inverse, Inverse Square)
4. Расстояние на котором свет начнет затухать
5. Показать «линзу» затухания (даже при неактивном ИС). Помогает визуально оценить границу затухания
6. Параметры «ближнего» затухания. Use - включить. Show - показать «линзы» затухания. Start/End - границы, начало и конец затухания
7. Параметры «дальнего» затухания

Advanced Effects

1. Позволяет задать контраст между областями света и тени
2. Позволяет сгладить границу между областями света и тени
3. Включить/отключить диффузное освещение ИС
4. Включить/отключить блик от ИС
5. Включить отключить эмбиентное освещение
6. Можно добавить карту для имитации луча сложной формы. Например, прохождению через решетку или листву. Галочка напротив: вкл/откл эффект

Spotlight/Directional Parameters

1. Показать конус/цилиндр распространения света (даже если ИС не выделен)
2. Увеличить площадь распространения света. Позволяет избавиться от светового пятна
3. Размер «горячего пятна» - внутреннего конуса/цилиндра
4. Размер внешнего конуса/цилиндра
   Для Spotlight - углы испускания света в градусах. Для Directional - радиусы в единицах измерения, например в мм. Чем больше различаются размеры внешнего и внутреннего конуса/цилиндра, тем более размыто световое пятно
5. Форма сечения светового конуса/цилиндра
6. Aspect - пропорции прямоугольного сечения конуса/цилиндра (по умолчанию 1 - квадратное сечение). Аспект можно скорректировать с помощью подгруженной карты

Shadow Parameters

1. Цвет тени
2. Density - плотность тени. Значение 1 - максимальная непрозрачность
3. Вкл. - позволяет использовать карту (п.4)
4. Цвет добавленной карты смешивается с цветом тени
5. Вкл. - позволяет смешивать цвет света с цветом (или цветами, если включена карта) тени
6. Включени этой опции позволяет амосферным эффектам отбрасывать тени
7. Непрозрачность тени (по умолчанию 100)
8. Примешивание цвета атмосферных эффектов к цвету тени

Atmospheres & Effects

1. Позволяет добавить эффекты связанные с ИС
2. Удаляет добавленные эффекты
3. Список добавленных эффектов
4. Вызов окна настройки выбранного эффекта

Omni

Свитки параметров аналогичны. Только отсутствует свиток Spotlight/Directional Parameters, так как ИС Omni не имеет конуса или цилиндра распространения.

Skylight

У источника света Skylight параметры уникальные, хотя и всего один свиток.

1. Включить/отключить ИС
2. Интенсивность (яркость) света
3. Использовать в качестве цвета купола тот же цвет, что стоит в глобальных настройках среды (Rendering -> Environment…)
4. Использовать свой особый цвет купола
5. Цвет купола
6. Активировать карту (п.8)
7. Если меньше 100, то происходит смешивание цветов карты с цветом купола Sky Color
8. Задать карту (рекомендуется использовать HDR)
9. Включить/отключить отбрасывание теней
10. Количество лучей на образец - регулировка качества просчета теней. Чем больше, тем качественнее. Для анимации это значение должно быть довольно высоким (>30), чтобы исключить мерцание
11. . Нулевое значение показывает, что тень не отделяется от объекта (кроме, разумеется, случая левитации объекта)

Освещение в 3dsMax. Часть 2. Настройка теней

Среди стандартных источников света три источника (а именно Spot, Direct и Omni) позволяют нам выбрать тип просчитываемых теней. Если мы используем штатный стандартный визуализатор Default Scanline Renderer (DSR), то интерес для нас будут представлять: Advanced ray-traced shadows, Area shadows, Ray-traced shadows, Shadow maps.

При выборе типа тени среди свитков параметров ИС появляется свиток параметров тени, название которого начинается с наименования типа.

Shadow Map

Самый простой и нетребовательный к расчетным ресурсам тип теней.

1. Расстояние объекта от отбрасываемой тени
2. Размер карты, на основе которой расчитывается тень. Чем больше карта, тем качественнее расчитываемая тень. Лучше использовать числа порядка 2n
3. Размытие кромки тени. Увеличение параметра позволяет избавиться от зубчатого края кромки при низком разрешении карты
4. Параметр, отвечающий за управление значением Bias. По умолчанию отключено (наилучший результат в большинстве случаев). В случае с анимацией может помочь включение опции
5. Если выключено, то свет проходит через поверхность, если натыкается на полигоны, обращенные от него нормалями. Включение опции позволяет получить корректные тени

На Рис.1 верхний ряд изображений наглядно показывает изменение качества тени при увеличении параметра Size. Даже значительное увеличение размера карты не решает проблемы зубцов на краях тени, хотя безусловно рисунок тени становится более проработанным.

Во втором ряду во всех трех случаях размер карты остается одинаковым, но меняется параметр Sample Range. Постепенно увеличивая его, мы избавились от зубчатости, размыв кромку тени.

Рис.1 Изменение качества тени типа Shadow Map при различных параметрах

Ray-Traced Shadows

Тени этого типа расчитываются на основе алгоритма трассировки. Имеют четкие края и практически не поддаются настройке.

Тень Ray-Traced Shadow более точная относительно Shadow Map. К тому же она способны учитывать прозрачность объекта, но тем временем «сухая» и четкая, что смотрится не очень естественно в большинстве случаев. Ray-Traced Shadow более требовательна к ресурсам компьютера, чем Shadow Map.

1. Расстояние объекта от отбрасываемой тени
2. Глубина трасировки - параметр, отвечающий за проработку тени. Увеличение этого значения может значительно увеличить время визуализации

Ray-Traced Shadows с ИС типа Omni займут больше времени на визуализацию чем связка Ray-Traced Shadows + Spot (или Directional)

Рис.2 Тени Ray-Traced Shadows от непрозрачного и прозрачного объектов

Advanced Ray-Traced Shadows

Тени этого типа очень похожи на тени Ray-Traced Shadows, но как понятно из названия имеют более продвинутые настройки, позволяющие получать более естественные и корректные расчеты.

1. Метод генерации тени
   Simple - одиночный луч выходит из ИС. Тень не поддерживает какого-либо сглаживания и настройки качества
   1-Pass Antialias - иммитируется испускание пучка лучей. Причем такое же кол-во лучей отражается от каждой освещенной поверхности (Кол-во лучей регулируется Shadow Quality).
   2-Pass Antialias - Аналогично, но испускается два пучка лучей.
2. Если выключено, то свет проходит через поверхность, если натыкается на полигоны обращенные от него нормалями. Включение опции позволяет получить корректные тени
3. Количество лучей испускаемых освещенной поверхностью
4. Количество вторичных лучей испускаемых освещенной поверхностью
5. Радиус (в пикселях) размытия кромки тени. Увеличение параметра повышает качество размытия. Если приразмытии кромки потерялись мелкие детали, скорректируйте сей казус увеличением Shadow Integrity
6. Расстояние объекта от отбрасываемой тени
7. Параметр, управляющий хаотичностью лучей. Изначально лучи направляются по строгой сетке, что может вызвать неприятные артефакты. Внесение хаоса сделает изображение тени более естественным
   Рекомендуемые значения 0,5-1,0. Но более размытые тени потребуют большего значения Jitter Amount

Area Shadows

Этот тип теней позволяет учитывать габариты источника света, благодаря чему можно получать естественные протяженные тени, которые «расщепляются» и размываются при удалении от объекта. Такие тени 3dsMax получает путем смешения ряда «сэмплов» (образцов) теней. Чем больше «сэмплов» и лучше смешение, тем качественнее просчитанная тень.

1. Форма мнимого источника света, позволяющая определить характер тени.
   Simple - одиночный луч выходит из ИС. Тень не поддерживает какого-либо сглаживания и настройки качества.
   Rectangle Light - иммитируется испускание света с прямоугольной области.
   Disc Light - ИС ведет себя так, как если бы он приобрел форму диска.
   Box Light - имитация кубического ИС.
   Sphere Light - имитация сферического ИС.
2. Если выключено, то свет проходит через поверхность, если натыкается на полигоны, обращенные от него нормалями. Включение опции позволяет получить корректные тени.
3. Управляет количеством испускаемых лучей (нелинейно). Чем выше число, тем больше лучей, тем выше качество тени.
4. Параметр, отвечающий за качество тени. Для рационального расчета, всегда устанавливайте число выше, чем Shadow Integrity.
5. Радиус (в пикселях) размытия кромки тени. Увеличение параметра повышает качество размытия. Если приразмытии кромки потерялись мелкие детали, скорректируйте сей казус увеличением Shadow Integrity.
6. Расстояние объекта от отбрасываемой тени.
7. Параметр, управляющий хаотичностью лучей. Изначально лучи направляются по строгой сетке, что может вызвать неприятные артефакты. Внесение хаоса сделает изображение тени более естественным.
8. Габариты мнимого источника. Length - длина, Width - ширина, Height (активна только для Box Light и Sphere Light) - высота.

Взглянем на Рис.3. На первом фрагменте. Несколько «сэмплов» тени наложены друг на друга без какого-либо смешения. На втором фрагменте они уже смешаны (Jitter Amount изменен с 0,0 на 6,0). Смешанные «сэмплы» воспринимаются как более естественная тень, но качество ее оставляет желать лучшего. Третий фрагмент показывает тень с отличным качеством (Shadow Integrity и Shadow Quality изменены с единичных значений на 8 и 10 соответственно).

Второй ряд на Рис.3. иллюстрирует, как меняется характер тени, если мы увеличиваем размеры мнимого источника. В данном случае у нас мнимый источник типа Rectangle Light (плоский прямоугольный). При увеличении площади источника размытие тени увеличивается.

Рис.3 Изменение качества тени типа Area Shadow при различных параметрах

Некоторые значения параметров имеют рекомендательный характер, но все ограничивается лишь вашей фантазией. Самый лучший способ разобраться - это эксперимент. Не бойтесь проводить опыты со светом. Уловите настроение будущей картинки и сдаитесь за настройки.

На Рис.4. шахматный конь с материалом на основе простой процедурной текстуры Wood. Три источника света подкрашенные в разные цвета. Простая постановка, тем не менее, фигурка смотрится неплохо.

Рис.4 Шахматная фигура «Конь». Предметная визуализация

Резюме

Освещение - один из важнейших этапов в работе над трехмерной сценой. С первого взгляда может показаться, что сухую информацию урока невозможно приложить к творческой работе. Однако же при должной смекалке и трудолюбии можно добиться невероятных результатов. В конце концов все цифровые изображения всего лишь наборы нулей и единиц, а 3dsMax всего лишь ваш очередной инструмент, ровно как карандаш или кисть.

V-Ray — это один из самых популярных плагинов для создания фотореалистичных визуализаций. Его отличительная черта — простота в настройке и возможность получения высококачественного результата. С помощью V-Ray, применяемого в среде 3ds Max, создают материалы, освещение и камеры, взаимодействие которых в сцене приводит к быстрому созданию натуралистичного изображения.

В этой статье изучим настройки освещения с помощью V-Ray. Правильный свет очень важен для корректного создания визуализации. Он должен выявлять все лучшие качества объектов в сцене, создавать натуральные тени и обеспечивать защиту от шумов, пересветов и прочих артефактов. Рассмотрим инструменты V-Ray для настройки освещения.

1. Прежде всего скачаем и установим V-Ray. Заходим на сайт разработчика и выбираем версию V-Ray, предназначенную для 3ds Max. Скачиваем ее. Для того, чтобы скачать программу, зарегистрируйтесь на сайте.

2. Установите программу, следуя подсказкам мастера установки.

3. Запускаем 3ds Max, нажимаем клавишу F10. Перед нами панель настройки рендера. На вкладке «Common» находим свиток «Assign Renderer» и выбираем V-Ray. Нажимаем «Save as defaults».

Освещения бывают разных типов в зависимости от особенностей сцены. Разумеется, освещение для предметной визуализации будет отличаться от настроек света для экстерьера. Рассмотрим несколько основных схем освещения.

Настройка света для экстерьерной визуализации

1. Откройте сцену, в которой будет настраиваться освещение.

2. Установите источник света. Мы будем имитировать солнце. На вкладке «Create» панели инструментов выберите «Lights» и нажмите «V-Ray Sun».

3. Укажите начальную и конечную точку лучей солнца. Угол между лучом и поверхностью земли определит утренний, дневной или вечерний тип атмосферы.

4. Выберите солнце и перейдите на вкладку «Modify». Нас интересуют следующие параметры:

— Enabled — включает и отключает солнце.

— Turbidity — чем выше это значение — тем больше запыленность атмосферы.

— Intensity multiplier — параметр регулирующий яркость солнечного света.

— Size multiplier — размер солнца. чем больше параметр, тем более размытыми будут тени.

— Shadow subdivs — чем выше это число, тем качественнее тени.

5. На этом настройка солнца завершена. Настроим небо для придания большей реалистичности. Нажмите клавишу «8», откроется панель окружающей среды. Выберите карту DefaultVraySky в качестве карты окружающей среды, как показано на скриншоте.

6. Не закрывая панель окружающей среды нажмите клавишу «М», открыв редактор материалов. Перетащите карту DefaultVraySky из слота в панели окружающей среды в редактор материалов, удерживая левую кнопку мыши.

7. Редактируем карту неба в браузере материалов. Выделив карту, поставьте галочку в чекбокс «Specify sun node». Нажмите «None» в поле «Sun light» и щелкните на солнце в модельном виде. Только что мы связали солнце и небо. Теперь положение солнца будет определять яркость свечения неба, полностью имитируя состояние атмосферы в любое время суток. Остальные настройки оставим по умолчанию.

8. В общих чертах, экстрьерное освещение настроено. Запускайте рендеры и экспериментируйте со светом, чтобы добиться нужных эффектов.

Например, чтобы создать атмсоферу пасмурного дня, отключите солнце в его параметрах и оставьте светить только небо или HDRI-карту.

Настройка света для предметной визуализации

1. Откройте сцену с готовой композицией для визуализации.

2. На вкладке «Create» панели инструментов выберите «Lights» и нажмите «V-Ray Light».

3. Щелкните в той проекции, где вы хотите установить источник света. В данном примере разместим свет перед объектом.

4. Настроим параметры источника света.

— Type — этот параметр задает форму источника: плоскую, шарообразную, купольную. Форма важна в тех случаях, когда источник света виден в сцене. Для нашего случая пусть по умолчанию останется Plane (плоский).

— Intensity — позволяет установить силу цвета в люменах или относительных величинах. Оставляем относительные — их легче регулировать. Чем выше число в строке «Multiplier», тем ярче свет.

— Color — определяет колористику света.

— Invisible — источник света можно сделать невидимым в сцене, но он будет продолжать светить.

— Sampling — параметр «Subdivides» регулирует качество просчета света и теней. Чем больше число в строке, тем выше качество.

Остальные параметры лучше оставить по умолчанию.

5. Для предметной визуализации рекомендуется устанавливать несколько источников света разного размера, силы освещения и расстояния от объекта. Поместите в сцену еще два источника света по сторонам от объекта. Можете повращать их относительно сцены и порегулировать их параметры.

Такой способ не является «волшебной таблеткой» для идеального освещения, однако имитирует настоящую фотостудию, поэкспериментировав в которой, вы достигнете очень качественного результата.

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. Поэтому если сюжет сцены 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, на 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 (рис. 6.6) или не совсем правдоподобно (рис. 6.7).

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 7 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 ), трассировка (Raytraced ) и глобальное освещение (Global Illumination ). Рассмотрим их по порядку.

Рис. 6.6. Объект с мягкими тенями

Рис. 6.7. Объект с резкими тенями

Рис. 6.8. Свиток настроек Shadow Map Params (Параметры карты теней) источника света

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) (рис. 6.8). 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 на финальном изображении. Этот метод является альтернативой трассировке освещения. Если метод трассировки визуализирует только те участки сцены, на которые попадают лучи света, то метод глобального освещения 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.

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, как можно получить, используя настоящий метод глобального освещения. Однако в сценах, которые имеют простую геометрию, он вполне может пригодиться.

Алгоритмов просчета глобального освещения существует несколько, 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 осуществлять просчет эффекта каустики (подробнее об эффекте каустики читайте в разд. «Общие сведения о визуализации в трехмерной графике» гл. 7).