Свет в компьютерной графике

Введение

Со временем компьютерная графика становится все сложнее и сложнее, и поэтому искусство создания изображений стало отдельным ремеслом. Современные инструментальные средства позволяют пользователю концентрироваться не столько на технологии, сколько на содержании. Точно так же, как писатель может забыть о клавиатуре, пользуясь системами распознавания речи, аниматоры, технические директора и художники могут позволить себе меньше думать о операционных системах и декартовых координатах, уделяя таким образом больше внимания непосредственно освещению, анимации, усовершенствованию изображения.

Что касается освещения в компьютерной графике, то на сегодняшний день имеется огромный прогресс в физически точном моделировании освещения и всевозможных эффектов освещения, значительно усовершенствованы инструментальные средства для освещения сцен. Но вместе с тем мы видим, как мало внимания уделяется искусству оптимального использования этих чрезвычайно сложных, наиболее часто используемых инструментальных средств. Мы также видим огромный разброс в качестве изображений, созданных с помощью компьютера. Существуют просто поразительные работы ("ночные" кадры с тиранозавром в in Jurassic Park, Toy Story), и наоборот- каждый из вас может открыть журнал, посвященный трехмерной компьютерной графике, и найти там изображения, в которых освещению уделено очень мало внимания, или не уделено внимания вовсе. Такие изображения помогают осмыслить наиболее часто встречающиеся ошибки, а также помогают понять, в чем секрет успеха некоторых художников.

Смысл состоит не в том, чтобы концентрироваться на научной физике освещения (хотя и этому нужно уделять внимание, без этого не обойтись), но получить более полное представление о том, как именно компьютер воспроизводит свет и его взаимодействие с материалами моделей. Эта информация предназначена для пользователей программного обеспечения, с помощью которого можно создавать изображения.

Наиболее логично будет попытаться найти подобные принципы в родственных областях, и применить их в новой среде. Среди таких областей можно назвать игровую кинематографию, ту же фотографию, и даже живопись и иллюстрирование. Эти отрасли искусства достигли "зрелости" гораздо раньше компьютерной графики, так что, наверное, стоит потратить немного времени на более близкое знакомство с ними. В работе с освещением существует множество важных моментов , и в этой статье я попытался рассмотреть самые основные из них.

Одна из самых неприятных проблем состоит в том, что компьютерное моделирование света, как правило, весьма грубо имитирует поведение света в реальных условиях. Очень сложная и тонкая природа реального света, которым пользуются в кинематографии и в фотографии, в компьютерной модели является всего лишь медленным, грубым приближением. Задача художника, работающего с компьютерной графикой, как раз и состоит в том, чтобы попытаться перенести это сокровище реального мира в стерильный мир компьютерных изображений. Кроме того, художник также должен выбрать материалы и правильно подобрать их свойства. Эта задача создания материалов столь же важна, как размещение источников света, но очень часто встречается ситуация, когда свойствам материалов уделяется минимум внимания и отсутствуют знания о том какие у них есть ограничения и как они влияют друг на друга.

Некоторые из концепций, затронутых в этой статье, могут показаться базовыми и очевидными, но практически они открывают сложное. В целом, я пытаюсь обратить Ваше внимание на концепции и принципы: проблемы и их решения, а не на "как использовать тот или иной пункт меню такой-то программы".

Бытует ошибочное мнение, что для создания действительно хороших эффектов освещения необходим высококачественный, дорогой рендерер. Действительно, хороший рендерер сильно облегчит Вам жизнь. Но не думайте, что без него Вам не обойтись. Если программное обеспечение просто адекватно, опытные пользователи могут выжать из него такое, что и не снилось проектировщикам. Есть, конечно же, и безнадежные моменты - когда, например, какая - то базовая возможность просто отсутствует. В этом случае простая задача может стать обременительной проблемой, и тогда грамотный пользователь может вынести обвинение своим инструментальным средствам.

Независимо от того, на каком автомобиле Вы ездите, на Yugo или на Rolls Royce, Вы можете чувствовать себя комфортно. Водитель Rolls Royce, сидя в своей комфортной машине, может считать Yugo чуть ли не конным экипажем, в который стыдно садиться. И наоборот, Вы можете управлять Yugo со стилем и мастерством, презирая и игнорируя качества Rolls Royce.

Каждый, кто утверждает, что он "застрял только из-за ограниченных возможностей дешевого программного обеспечения, должен посмотреть на несколько изображений из CDROM-игры MYST, при создании которой разработчики использовали недорогое, имеющееся в наличии программное обеспечение для Macintosh - Strata Vision 3DT. Обладая ограниченными инструментальными средствами, создатели MYST определили пример CDROM игры, которому стоит следовать. Этот результат был достигнут не столько благодаря непосредственно программному обеспечению, сколько тонкому чувствованию авторами контраста изображения, композиции и проблемы окружающего света.

Для иллюстрации ключевых моментов этой публикации были использованы изображения, большинство из которых были отрендерены с помощью родного рендерера Softimage, который считается рендерером среднего уровня: Ford F-150 из рейтрейсеров. В остальных случаях для создания изображений был использован CGIStudio фирмы Blue Sky.

Video 101

Когда я попытался добыть немного информации из книги, посвященной созданию фильмов, я натолкнулось на главу "Основные Методы Освещения". В этой главе были изложены основы установки источников освещения сцены. Освещение сцены неизменно осуществлялось с помощью трех источников - ключевой свет, заполняющий и задний или "kicker".

Когда, будучи первокурсником художественной школы, я пошел в Video 101 , нас первым делом стали знакомить с этой трехисточниковой методикой. И когда мы попытались применять ее, результаты выглядели ужасно. Все выглядело дешевым и пластмассовым. Теперь, когда я вспоминаю то, что мы делали в нашей небольшой студии, я понимаю, что наши уроки и книги всего лишь слегка коснулись огромного раздела - освещения - в науке компьютерной графики.

Стандартная студийная расстановка источников света: ключевой, заполняющий свет и kicker... которая обычно придает телестудийный вид даже наиболее простым, ничего не подозревающим субъектам

Когда я начал работать с компьютерной графикой, я вообще не имел никакого опыта в создании освещения, кроме описанных выше неудач. Я имел некоторую подготовку в рисовании и фотографии, и к окончанию учебы я понял, как нужно работать со светом. Я избегал пахнущего нафталином стандартного подхода с тремя источниками, из-за его штампового качества. Так что , когда я начинал свой путь, у меня еще не было своих подходов, поэтому я внимательно наблюдал действительность, пытался понять, как ведут себя свет и освещенные предметы, и пытался применить все это на практике. Я решил, не только в компьютерной графике, но и вообще в жизни, что попытка решить проблему только с помощью уже испытанных методов ошибочна, и результаты работы оказываются похожими один на другой. Недавно я обнаружил, что многие из этих книг и учебных курсов написаны (да и преподаются) людьми, которые работали на телевидении в 60-ых и 70-ых, и их акцент приходится не столько на оригинальность и качество, сколько на легкость использования, простоту и дешевизну. Я же хотел подойти к проблеме с другой стороны - как я позже для себя открыл, освещение должно подчиняться прежде всего требованиям характеристик сцены.

Работая на протяжении некоторого времени, я видел, что установка источников света в компьютерной графике очень отличается от установки таковых в игровом фильме. Большинство моего времени тратилось на попытки сбалансировать заполняющий свет или на попытки как-то сбалансировать всю сцену, или даже на попытки просто правильно "почувствовать" сцену. Много усилий было потрачено на создание фоновых изображений и сред. Я видел, что связь фигура-земля всегда отличались, потому что, например, заполняющий свет управлялся исключительно (и часто весьма произвольно) пользователем. Баланс изображения в целом в большой степени зависел от того, как я настраивал заполняющий свет. Когда я мысленно возвращаюсь к занятиям в нашей компьютерной лаборатории в школе, я вспоминаю, что многие из моих одноклассников не понимали, что именно нужно было настраивать.

Когда я начал работать с освещением в Blue Sky, я активно использовал руководство пользователя. Когда я отклонялся от рекомендаций, изображение быстро становилось "потерянным для будущего". Если же я не мог найти никаких рекомендаций, я даже не мог представить, что должно получиться, и что нужно искать. Когда у меня было свободное время, я экспериментировал с radiosity нашей модели, (переключатель в нашем рендерере, который включает сложное диффузное отражение, которое действительно происходит в реальном мире с реальным светом). Эти эксперименты позволили мне понять, как свет ведет себя в ситуациях, когда компьютерная модель больше всего соответствовала сцене из реальной жизни. Результаты напоминали что-то вроде фотографий реальной, вещественной модели в реальной сцене. Постепенно я достиг понимания того, как ведет себя свет в царстве компьютерной графики, и навострился до того, что делал все установки "на глаз", как опытный фотограф, который ставит выдержку и диафрагму, не пользуясь экспонометром и таблицами. Многое из того, что я для себя открыл, отражено в этой публикации.

Самое интересное, что абсолютно непроизвольно моя старая знакомая, эта основная key/fill/kicker комбинация -начала появляться в моих установках освещения: и в моих собственных сценах, и в игровых кадрах, которые я делал с целью последующей интеграции. Я работал над сценой всю первую половину дня, и внезапно замер, как громом пораженный - оказалось, что я использую ключевой свет, заполняющий и задний. Я начал просматривать свои пленки и записи, и увидел везде все те же ключевые элементы.

Но какая большая разница между моими первыми попытками и последними результатами! На сей раз, за размещением источников света и их параметрами стояла мотивация. Источники света размещались так, как было наиболее логично, а не так, как написано в книге или так рассчитано с помощью формулы. Степень вклада каждого источника света в качество изображения была усилена так, как мне и не снилось в моей художественной школе. Разница между этими изображениями и работами в Video 101 составляла, можно сказать, световые годы.. Да, конечно же, конфигурация была обычная, но ни в коем случае ее нельзя считать универсальной. Все хорошие системы освещения были разработаны не с помощью некоторой формулы, а в зависимости от потребностей ситуации.

В некоторых случаях нужно было ставить несколько "софитов", на которых было по несколько источников света, присутствовали reflectors cards, зеркала и многие другие небольшие корректирующие хитрости. Было несколько настроек освещения, которые можно назвать изящно простыми. Для некоторых был использован только один источник света. Я думаю, что Вы уже поняли, что не существует единого стандартного способа правильного освещения любой сцены. Способ освещения сцены определяется в первую очередь самой сценой. Продолжая эту мысль, скажу, что думать, будто какой-нибудь курс обучения или человек может научить Вас освещать сцену - ошибка. Также, как и в живописи, в компьютерной графике, не существует никакого стандарта, или "правильного" подхода. Но существуют общие методы, приводящие к успеху.. Эти методы - как широкие "коридоры", в которых Вы обладаете достаточно большой свободой, но избегаете грубых ошибок.

Заполняющий свет (Ambient light)

Заполняющий свет может считаться одним из наиболее трудных и мощных инструментов для создания освещения в компьютерной графике, и, хотя для этого инструмента существует множество применений, его роль зачастую оказывается недооцененной. Причина важности заполняющего света - то, что с помощью него становится возможным имитировать весьма тонкие и сложные явления, которые происходят в реальном мире - косвенное освещение, или radiosity.

Читая эти строки, оторвитесь на секунду, и посмотрите на окружающие Вас предметы. Часть из них, скорее всего, будет непосредственно освещена источниками света, но будут также предметы (или части предметов, области на них), освещенные с помощью отраженного света. В некоторых случаях целая сцена может оказаться освещенной только непрямым освещением, например, затененная сторона узкой городской улицы в солнечный день. Компьютерным художникам вполне хватает неприятностей, связанных с настройкой прямого освещения, не говоря уже о сложностях создания косвенного. Помните, что это освещение не появится в созданном Вами с помощью компьютера мире само по себе, а также помните, что без него все вокруг выглядело бы иначе.

Директора игровых фильмов тратят множество времени и усилий, пытаясь избавиться от отраженного света, или пытаясь направить его в нужное место. В типичном наборе для съемки можно найти большие рамки, на которые натянута черная ткань - это инструмент для уничтожения окружающего отражения от нежелательных областей. Применяются также подобные трюки с белым материалом, чтобы отразить мягкое освещение назад в сцену. Используя эти и многие другие инструментальные средства, они пытаются сбалансировать вид сцены. Действительно, то, вокруг чего вертится вся эта карусель - баланс сцены. Этот баланс может значительно изменяться, в зависимости от ситуации. Как правило, чем больше отраженного света в Вашей сцене, тем меньше ее контрастность. Отраженный свет должен быть отрегулирован так, чтобы обогатить сцену и логически вписаться в потребности ситуации освещения. Для каждой сцены нужны отдельные, "личные" настройки отраженного света, каждую ситуацию нужно рассмотреть отдельно, определить ее собственные потребности.

Dropoff (ослабление света с расстоянием)

Одним из основных свойств источника света является факт, что при удалении от источника света освещенность предметов уменьшается Попробуйте поместить лист белой бумаги на расстояние 2-3 сантиметра от включенной стоваттной лампы, и Вы с трудом сможете на него смотреть, таким ярким будет отраженный свет. После этого отнесите бумагу на расстояние двух метров, и по сравнению с предыдущим экспериментом этот лист бумаги будет тусклым. Этот эффект мы наблюдаем повсюду (исключая эффекты освещения прямым солнечным светом, так как солнце настолько удалено от нас, что по сравнению с этим расстоянием все "земные" расстояния практически пренебрежимо малы, и поэтому этот эффект не наблюдается). Без этого искусственное освещение не было бы искусственным. При создании же игрового кино этот эффект - первое, что принимается во внимание при экспозиции. Каждый уважающий себя рендерер или raytracer должно обладать средством управления dropoff для источников освещения. Как правило, включение этой опции зависит только от желания пользователя найти, "где же у него кнопка?", так как в большинстве случаев эта опция по умолчанию выключена. Скажу короче: сцену это не ухудшит, добавить этот эффект совсем не трудно, время рендеринга увеличивается незначительно. Так почему бы этот эффект не добавить к нашей сцене?

Это именно тот выключатель, начав использовать который, Вы поднимете правдоподобность и точность ваших изображений на качественно другой уровень. Достаточно часто бывает необходимо компенсировать низкую освещенность предмета вследствие его удаленного расположения по отношению к источнику света, "подкачивая" интенсивность источника света. Также полезно заметить, что чем меньшего размера источник освещения, тем более явным будет ослабление света. Крошечный мигающий источник света, высвечивающийся на крыле самолета ночью, очень резко теряет яркость при удалении на очень короткое расстояние. Когда источники явно имеют dropoff, то считается, что, исключая эти источники из списка источников, освещающих отдаленные объекты, Вы сэкономите время на рендеринге, не потеряв качества. (В качестве примера, посмотрите - маленький источник света в постройке явно не оказывает никакого влияния на освещение гор). Есть ситуации, когда ослабление света действительно может значительно улучшить вид сцены например, когда Вы пробуете воспроизвести диффузно отраженное освещение, например, солнечный свет, отражающийся от пола комнаты. Само Солнце не дает dropoff эффекта , но солнечный зайчик - дает, так как он уже сам является локальным источником света. Посмотрите, как эта мягко освещенная сцена будет выглядеть без эффекта ослабления. Грамотно расположенный заполняющий свет, с аккуратно подобранной интенсивностью, и ослаблением света могут придать компьютерному изображению качество radiosity. При таком использовании источников света в результате получается изображение, при просмотре которого возникает чувство "органичности", чего очень часто недостает компьютерным изображениям.

Далее >> Свойства материалов