Tutorial 07: Iluminación

En el mundo real, la iluminación afecta nuestras vidasdesde ángulos muy variados: permite distinguir siluetasy formas, afecta nuestros estados de ánimo (porejemplo, las luces de una discoteca), nos alerta sobrepeligros u otras indicaciones (semáforo, sirenas, etc.),nos entretiene, etc. Existen muchas fuentes de luznatural y artificial que nos generan muchas variables deiluminación. Intentar emular esas variables en unespacio 3D es el objetivo de las herramientas deiluminación en 3DSMAX. El programa basa a surepresentación de la iluminación en el ángulo que

inciden los rayos en las caras de los objetos. Si este ángulo es perpendicular la iluminación esmáxima, en ángulos menores esta irá decreciendo hasta desaparecer cuando los rayosqueden tangentes a la superficie.

En el mundo real, la distancia influye en la intensidad de la luz puesto que la luz se difuminaal ir alejándose de la fuente emisora. En 3DSMAX en cambio, la luz se proyecta hacia elinfinito en el espacio 3D. Por defecto, el programa nos proporciona una iluminación Standardla cual nos permite ver nuestros modelos 3D. Estas son dos luces omnidireccionales: unaubicada atrás, como se ve en la imagen:

Y otra adelante, tal como se ve en la imagen de abajo:

Si aplicamos cualquier luz en 3DSMAX, estas se apagan para que podamos ver el efecto deesta. Si borramos las luces aplicadas, la iluminación standard vuelve a aparecer.

Ya sea que hablemos de luz natural o de cualquier fuente de luz artificial, debemos distinguir2 tipos de luces: las luces duras, que son aquellas que proyectan sombras fuertes ydemarcadas mientras que las luces blandas son aquellas que proyectan sombras suaves ydifusas.

Debemos usar luces duras cuando:

- Simulamos iluminación que proviene de un bulbo (ampolleta) de luz en un cuarto pequeño.

- Para imitar la luz solar.

- Para iluminar escenas espaciales.

- Cuando imitamos las luces de un espectáculo (que incidan en un artista).

- Cuando deseamos que una sombra en el render nos advierta de otros objetos que estánfuera de la escena y que deseamos que el espectador lleve su atención hacia ella.

- Para iluminar lugares inhóspitos (las luces duras hacen que la gente no se sienta cómoda).

Debemos usar luces blandas cuando:

- Cuando iluminamos días nublados y no deseamos sombras duras y negras.

- Para la iluminación indirecta que se refleja de los muros ya que generalmente es bastantesuave.

- Para luces que están siendo transmitidas a través de materiales translucidos como una

pantalla de luz o una cortina.

- Para imitar la iluminación interior (las luces suaves hacen de los entornos interiores másconfortables, relajantes y hacen ver a los personajes más orgánicos).

- Para resaltar la belleza de un personaje, en especial de un personaje femenino el cualpodemos resaltarlo solo utilizando luces suaves.

- Para generar representaciones (render) más realistas.

Tipos de luces Standard

Los colores de los materiales y las texturas de las superficies son profundamente afectadascuando iluminamos la escena, por lo que generalmente se ilumina primero y luego setexturiza aunque no hay reglas al respecto.

Las luces se encuentran en el panel crear Icono luces, una vezcreada la luz se desactivan las 2 luces que vienen activadas pordefecto y se comienza a iluminar desde cero. Para insertar algúnsistema de luces, debemos ir a al panel crear y presionamos elícono luces. En el menú desplegable podemos elegir entre 2 sistemas de iluminación:Photometric (fotométrico) y Standard de 3DSMAX.

Las luces fotométricas utilizan valores fotométricos (energía de luz) que permiten definir lasluces con más precisión, igual que si fuesen reales. Podemos crear luces con distintasdistribuciones y características de color, o bien importar archivos fotométricos de los mismosfabricantes de luces.

Las luces Standard son aquellas que tiene por defecto 3DSMAX y que abordaremos en esteapunte. En 3DSMAX tenemos básicamente 4 tipos de luces que son:

Omni: Una luz del tipo omni arroja luz en todas las direcciones (de forma similar a unaampolleta), es perfecta para ser usada como luz de relleno.

Target spot: Emite un rayo de luz orientado como el de una linterna, un foco de teatro o unalámpara. Los Target spot utilizan un objeto de destino al que se dirigirá la luz. Free Target eslo mismo pero la luz siempre apuntará hacia abajo, ya que no tiene objeto de destino.

Target Direct: Proyectan rayos de luz paralelos en una única dirección y de forma cilíndrica,de forma similar a la sombra proyectada por el sol sobre la superficie de la tierra. Por estomismo las luces direccionales se utilizan principalmente para simular la luz solar. Free Directes lo mismo pero la luz siempre apuntará hacia abajo, ya que no tiene objeto de destino.

Skylight: Reproduce la luz diurna normal. Está ideada para ser utilizada con el plugin LightTracer. El cielo aparece como una cúpula situada sobre la escena.

Existen otros dos tipos de luces llamadas MR Area Omni y MR Area Spot, las cuales estándiseñadas para el motor de render Mental Ray.

Iluminación ambiental

Al ser emitida, los rayos de luz se propagan en el espacio hasta impactar sobre algunasuperficie u objeto. Esta puede hacer que el rayo rebote total o parcialmente, o que seaabsorbido por el medio. Cuando la luz rebota contra una superficie prosigue su camino conmenor intensidad hasta volver a impactar con otra superficie y repitiendo el proceso hastadesaparecer.

A toda esta luz rebotando a la deriva en el espacio se le llama Iluminación Ambiental, y no esposible definir un origen preciso de la misma. Calcular el rebote de todos los rayos exigemuchísimo cálculo y por ende, tiempo de render. Podemos resolver parciamente esteproblema utilizando el parámetro de luz ambiental (Global Lightning). Podemos configurarlaasignándole un color determinado y esto afectará a todos los objetos por igual en las zonasque no están iluminadas. Lo configuramos en el cuadro de environment.

Los parámetros son los siguientes:

Tint: tiñe las luces de la escena con un determinado color. La Luz ambiental no se veafectada.

Level: Nivel. Un valor superior a 1 aumenta la intensidad de todas las luces de la escena porigual. Valores menores a 1 la atenúan.

Ambient: Al aplicar este color, la luz ambiente afectará a todas las zonas no iluminadas de losobjetos.

Parámetros generales de luces

Todas las luces standard a excepción de Skylight compartenparámetros comunes, los cuales son los siguientes:

Light type: podemos cambiar a cualquiera de los 3 tipos de luces disponibles: Omni, Spot yDirect. En Caso de Direct y Spot, podemos activar la opción target para habilitar el objetivo yademás podremos definir su longitud.

On: habilitamos o deshabilitamos la luz.

Shadows On: habilitamos la proyección de sombra. Al clickear en UseGlobal Settings, habilitamos Shadow Map por defecto. Los tipos desombra que podemos elegir son los siguientes:

- Shadow Map: Es el sistema más sencillo pero a su vez su sombreado es el menosconfigurable de todos.

- Mental Ray Shadow Map: Similar al primero pero se utiliza junto al motor de render MentalRay.

- Area Shadows: es el que genera las sombras más precisas y configurables, pero es tambiénla más demorosa en cuanto a renderizado.

- Ray Traced Shadows: un sistema muy utilizado pues podemos configurar sombreadosprecisos y realistas.

- Advanced Ray Traced Shadows: Las sombras de Raytrace avanzado son similares a lassombras de Raytrace. No obstante, ofrecen más control sobre el comportamiento de lassombras además de tener parámetros en común con Area Shadows.

Color: permite definir el color de la luz, el cual afecta a todos los objetos iluminados por ella.

Exclude: al presionar esta opción podemos excluir (exclude) o incluir (include) los objetos quequeremos que sean afectados por la luz en particular (a diferencia del mundo real en queesto no ocurre pues todos los objetos afectos por la luz son iluminados). Incluso podemoselegir si queremos que el objeto sólo arroje sombras, o ambas.

Multiplier: aumenta o disminuye la intensidad de la luz mediante valores positivos onegativos. Debemos tomar en cuenta que este valor no se refiere a los “watts” del foco deluz, sino más bien es una referencia para comparar y ajustar la iluminación de las distintasfuentes de luz. Los valores negativos restan luz a las zonas que lo afectan, generandooscuridad.

Multiplier con valores positivos aplicados.

Multiplier con valores negativos aplicados.

Atenuación (Attenuation): en el mundo real, la luz se propaga en el espacio hasta que pierdepotencia y desaparece. En 3DSMAX esto no es así hasta que activemos los parámetros deatenuación. Tenemos dos tipos de atenuaciones: cercana (Near) y lejana (Far) que se utilizanpara controlar cómo crece y decrece la intensidad de la luz en su recorrido.

- Atenuación cercana (Near Attenuation): nos permite controlar la distancia durante la cual elrayo que parte desde la fuente de luz comienza a crecer en potencia hasta alcanzar lailuminación máxima indicada en el multiplicador (multiplier). El valor de inicio (Start) define(en distancia de unidades) el comienzo de la fuente de luz. El valor final (end) indica ladistancia en la cual el rayo alcanza la intensidad indicada en el multiplicador.

En la imagen notamos cómo manipulando los valores de Near Attenuation evitamos iluminarla primera tetera. El valor de inicio está representado por la esfera azul marino, mientras queel valor final es la azul claro.

- Atenuación lejana (Far Attenuation): nos permite controlar la distancia durante la cual elrayo que parte desde la fuente de luz comienza a decrecer en potencia hasta apagarse. Elvalor de inicio (Start) define (en distancia de unidades) el comienzo de la pérdida de potenciade la fuente de luz. El valor final (end) indica la distancia en la cual el rayo se extingue.

En la imagen notamos cómo manipulando los valores de Far Attenuation evitamos iluminar lasegunda tetera. El valor de inicio está representado por la esfera café claro, mientras que elvalor final es la café oscuro.

Decay: permite definir un método alternativo a la atenuación controlada. Tenemos 3 tipos:Inverse, Inverse Square (que calcula la atenuación real en la naturaleza). Esto quiere decirque la iluminación que alcanza un punto del objeto es igual a la intensidad de la luz divididopor la distancia entre el objeto y la luz al cuadrado La iluminación del Objeto = Intensidad /distancia2 y None, o sea, sin decay. Con Start podemos definir la magnitud de la atenuación.

Parámetros extendidos de luces

En el caso de luces tipo direccional y foco (Spot) tenemos otrosparámetros extras que les son propios a ambas, los cuales son:

Show Cone: nos muestra el cono que forma la luz, o el cilindro en caso de las lucesdireccionales.

Overshoot: permite que estas luces iluminen de la misma forma que las omni pero arrojansombras sólo en el cono o cilindro que las definen.

Hotspot/Beam: define el diámetro del área del objetivo. En otras palabras, aumenta eldiámetro de la base de cono.

Falloff/Field: define el valor del área desde donde se degrada la luz hacia los lados, a partirdel valor definido en Hotspot/Beam.

Circle/Rectangle: permite definir si el área iluminada forma un círculo o un rectángulo. Sielegimos la segunda opción, podremos cambiar las proporciones del rectángulo aumentandoel valor de Aspect. El botón bitmap fit nos permite encajar las proporciones de una imagen enesta área.

Área mediante la opción Circle.

Área mediante la opción Rectangle.

Efectos avanzados

Las luces cuentan además con un cuadro extra denominado efectosavanzados (Advanced Effects), entre los cuales destacamos:

Affect surfaces: nos permite controlar con precisión el efecto de la luz sobre las distintaspropiedades de los materiales, podemos habilitar una luz para que ilumine sólo laspropiedades especulares, difusas o ambientales independientemente o aumentar elcontraste entre las áreas difusas y ambientales de una superficie.

En la imagen, una de las luces ilumina normalmente mientras que la otra sólo ilumina elmapa specular (en blanco y negro).

Proyector map: nos permite seleccionar una imagen o un video y proyectarla en la superficie,similar a un proyector de cine. En la imagen derecha, una de las luces ilumina normalmentemientras que la otra proyecta una imagen jpg en la superficie.

Técnicas de sombreado

Existen dos populares técnicas para el cálculo de sombras: la primera es raytraced shadowsy la segunda es depth-mapped shadow o shadow-map.

Un mapa de sombras o Shadow Map es una imagen que se compone en una fase previa alrender de la escena, su principal característica es que puede generar sombras con bordessuavizados. Otra ventaja que tiene es que para calcularla el programa requiere de pocosrecursos. Su principal desventaja es que no puede reconocer los distintos grados de opacidadni puede reflejar los colores proyectados por los objetos semitransparentes.

Raytraced Shadow traza el recorrido de un rayo de luz desde la fuente de iluminación parailuminar cada punto de un objeto. Este tipo de cálculo es bastante preciso al determinar sialgún objeto bloquea parte de la luz para crear sombras. Su principal ventaja es quereconoce los distintos grados de opacidad de los objetos y materiales traslúcidos. Su principaldesventaja es que es más lenta de calcular que Shadow map y que siempre generansombreados de bordes duros.

Parámetros generales de sombreado

Todas las luces standard comparten parámetros comunes desombreado, los cuales son los siguientes:

Color: permite definir el color de la sombra, el cual afecta a todos los objetos que la reciben.

Densidad: define el nivel de oscuridad de la sombra. Mientras más baja sea la densidad, lasombra es más clara, y viceversa.

Map: nos permite seleccionar una imagen o video y proyectarla como sombra.

Lights Affects Shadow Color: nos indica que la luz afecta el color de la sombra, combinando elcolor de la luz con el de la sombra. Si lo desactivamos, nos muestra la combinación y si loactivamos, nos muestra el color de la sombra.

Atmosphere shadows: permite que efectos atmosféricos puedan proyectar sombra.

Parámetros extendidos de sombreado

Los parámetros extendidos de sombreado dependen del tipo de sombra que elijamos pararealizar el cálculo de sombras.

Shadow Map Parameters (Params):

Bias: desplaza la sombra acercándola o alejándola en relación al objeto u objetos que laproyectan.

Size: Define el tamaño (en píxeles cuadrados) del mapa de sombras que se calcula para laluz.

Sample Range: especifica qué proporción del área comprendida en la sombra se promedia.Afecta a la suavidad de la arista de la sombra. Rango=0,01 a 50,0.

2 sided Shadow: Cuando está activada, se tienen en cuenta las caras ocultas a la hora decalcular las sombras. Los objetos vistos desde el interior no reciben iluminación de las lucesprocedentes del exterior. Cuando está desactivado se ignoran las caras ocultas, lo que haceque las luces exteriores iluminen el interior de los objetos.

Ray Traced Shadow Parameters (Params):

Ray Bias: desplaza la sombra acercándola o alejándola respecto al objeto u objetos que laproyectan.

Máx Quad tree Depth: Ajusta la profundidad del árbol de cuadrantes utilizado por Raytrace.Los valores altos pueden mejorar el tiempo de Raytrace a costa de la memoria. Sin embargo,hay un valor de profundidad en el que la mejora del rendimiento queda desplazada por eltiempo que se tarda en generar el árbol de cuadrantes mismo. Esto depende de la geometríade la escena.

2 sided Shadow: Cuando está activada, se tienen en cuenta las caras ocultas a la hora decalcular las sombras. Los objetos vistos desde el interior no reciben iluminación de las lucesprocedentes del exterior. Cuando está desactivado se ignoran las caras ocultas, lo que haceque las luces exteriores iluminen el interior de los objetos.

Advanced Ray Traced Parameters (Params):

Basic Options: Selecciona el tipo de Raytrace que se va a utilizar para generar las sombras.Podemos elegir 3 opciones que son:

- Simple: Proyecta un único rayo de luz en dirección a la superficie. No se realiza ningunaalisación.

- 1 pass antialias: Proyecta un haz de rayos. Cada superficie iluminada proyecta el mismo

número de rayos, cuyo número se define en el contador de calidad de 1 pase.

- 2 pass antialias: Proyecta dos haces de rayos. El primer haz de rayos determina si el puntoen cuestión está totalmente iluminado, sombreado o en la zona de penumbra (área débil) dela sombra. Si el punto se encuentra en la penumbra, se proyecta un segundo haz de rayospara afinar mejor los bordes. El número de rayos iniciales se especifica en el contador decalidad de 2 pases.

Area Shadows:

Basic Options: Selecciona el modo en que se generan las sombras deárea. Podemos elegir 5 opciones que son:

- Simple: Proyecta un único rayo desde la luz a la superficie. No se realiza ningún cálculo dealisación ni de luz de área.

- Rectangle Light: A partir de la luz, proyecta los rayos siguiendo una matriz rectangular.

- Disc Light: A partir de la luz, proyecta los rayos siguiendo una matriz circular.

- Box Light: A partir de la luz, proyecta los rayos como si fueran una caja.

- Sphere Light: A partir de la luz, proyecta los rayos como si fueran una esfera.

Antialiasing options: son las opciones de alisamiento.

Shadow Integrity: Número de rayos proyectados por una superficie iluminada.

Shadow Quality: Número de rayos secundarios proyectados por una superficie iluminada.

Sample Spread: Radio, expresado en píxeles, para desenfocar el borde de alisación.

Shadow Bias: Distancia mínima a la que un objeto debe estar para proyectar una sombra,medida desde el punto que se sombrea. Esto impide que las sombras desenfocadas afecten alas superficies en que no deben proyectarse. A medida que se incrementa el valor dedesenfoque, debería incrementarse también el Shadow Bias.

Jitter Amount: Añade aleatoriedad a las posiciones de los rayos. Inicialmente, los rayos siguenun patrón muy regular que puede mostrarse en la parte desenfocada de la sombra comoartificios regulares. La aleatoriedad transforma los artificios en ruido, lo que suele resultarinadvertido para el ojo. Los valores recomendados son de 0,25 a 1,0. No obstante, lassombras muy desenfocadas requerirán una aleatoriedad mayor.

Area Light Dimensions: Son las dimensiones que se aplican a una luz virtual que se emplea

para calcular el sombreado del área. No afectan al objeto de luz real. Podemos definir las 3dimensiones:

- Length: Define la longitud de la sombra de área.

- Width: Define la anchura de la sombra de área.

- Height: Define la altura de la sombra de área.

Este es el fin del tutorial 07.

Bibliografía utilizada:

- Tutorial Luces y Sombras del profesor Sebastián Huenchual H., Carrera Animación Digital3D, Instituto DGM.

- 3DSMAX User Guide reference.

- Manuales USERS 3DSMAX por Daniel Venditti. Ediciones MP, Buenos Aires, Argentina.