Фотографы знают, что красивое изображение получается во многом благодаря удачному выбору освещения. К сожалению, в компьютерной графике аниматоры часто не уделяют этому аспекту необходимого внимания. А ведь для получения хорошего результата обычно необходима довольно сложная настройка системы освещения. Грамотная расстановка источников света является целым искусством, которое приходится осваивать фотографам, кинематографистам, дизайнерам интерьеров и осветителям сцены. В Maya используются примерно те же методы, но в несколько усложненном варианте, так как виртуальные источники света все-таки отличаются от реальных. Например, лучи света от такого источника могут проходить сквозь какой-нибудь объект, освещая расположенные за ним объекты, которые при нормальном положении дел остались бы в тени. Кроме того, в компьютерной графике объекты не рассеивают падающий на них свет, поэтому освещенными оказываются только области, непосредственно расположенные на пути лучей света.
К концу этой главы вы получите основные представления об освещении, позволяющие экспериментировать с источниками света. Вам предстоит проанализировать различные параметры освещения, чтобы понять, как наилучшим образом размещать источники света и как использовать различные эффекты. В Maya используется несколько типов источников света, каждый из них имеет свои преимущества. Мы расскажем вам, в каких ситуациях лучше всего применять каждый из них. Освоив приемы работы с источниками света, вы сможете заставить тусклую сцену заиграть всеми красками. Чем больше вы будете работать в этой области, тем проще будет проходить процесс освещения сцен. Особое внимание в этой главе будет уделено следующим темам:
Ключевые термины
Направленный свет (Directional Light). Источник света в Maya, распространяющий параллельные лучи света. Используется, например, для имитации солнечных лучей.
Рассеянный свет (Ambient light). Источник света, освещающий все объекты сцены, независимо от их положения. Не имеет значка источника света.
Точечный источник света (Point light). Источник света, испускающий лучи из одной точки равномерно во всех направлениях.
Прямоугольный источник света (Area light). Источник света, испускающий лучи не из одной точки пространства, а из прямоугольной области.
Прожектор (Spot light). Источник света, лучи которого расходятся коническим пучком из одной точки.
Световой конус (Cone angle). Параметр прожектора, определяющий область распространения световых лучей.
Область полутени (Penumbra angle). Параметр прожектора, определяющий размывание границы между областями света и тени.
Скорость спада (Decay Rate). Параметр источников света типа Area (Прямоугольный), Spot (Прожектор) и Point (Точечный), определяющий скорость уменьшения интенсивности света с расстоянием.
Свечение (Light Glow). Оптический эффект, позволяющий имитировать сияющие ореолы, возникающие на фотографиях или видео вокруг ярких источников света или ярких бликов на поверхности объектов.
Карты теней (Depth Map Shadows). Тени, рассчитанные как проекции объектов на затеняемые поверхности сцены.
Трассированные тени (Raytraced Shadows). Тени, сформированные как зоны, недоступные для лучей света, путь которых отслеживается от источника до глаз наблюдателя.
Освещение виртуального мира требует несколько больших усилий, чем это может показаться на первый взгляд. Причина этого лежит как в технической стороне дела, так и в творческих аспектах. Во-первых, в большинстве случаев необходимо создать эффект реальности происходящего несмотря на то, что источники света в Maya отличаются от реальных.. В частности, свет не отражается от поверхностей объектов. А ведь именно поэтому в реальности единственная лампочка может осветить всю комнату, вплоть до областей, которые скрыты от прямых лучей света. Однако в Maya такие области останутся совершенно темными. Соответственно, диффузное рассеяние света необходимо имитировать, введя в сцену дополнительные осветители. Кроме того, в Maya можно смоделировать такие экзотические ситуации, как отрицательное освещение (negative lights), когда источник света не увеличивает, а уменьшает освещенность сцены, и включение объектов в освещение (light linking), когда источником освещаются только специально указанные объекты. Эти функции дают возможность создать действительно впечатляющие сцены. Кроме того, это бывает полезно при комбинации визуализированного изображения с реальным кадром. Ведь в этом случае освещенность обеих сцен должна совпадать как можно точнее.
Что же касается творческих аспектов, то нельзя не заметить, что освещение формирует настроение сцены. Если вы пытаетесь создать мрачную, внушающую страх сцену, имеет смысл сделать освещение тусклым. Чтобы вызывать у зрителя чувство тревоги, можно использовать мерцающий свет. При поиске приемов освещения определенной сцены вспомните фильмы соответствующего жанра.
Получившаяся в результате сцена стоит потраченных на нее времени и усилий. Искусное освещение создает контрасты между объектами, усиливает цвета и позволяет настраивать тени объектов. Не стоит забывать о том, что освещение может приводить к появлению теней, а также изменять вид материалов и раскраски объектов.
В Maya существует несколько различных типов источников света, каждый из которых имеет свои собственные свойства и область применения: Directional (Направленный), Ambient (Рассеянный), Point (Точечный), Spot (Прожектор) и Area (Прямоугольный). Значки, изображающие эти источники света в сцене.
Упражнение. Параметры прожектора
Изучение приемов работы с источниками света необходимо производить в интерактивном режиме. Вам предстоит создать их для простой сцены, содержащей объекты-примитивы, а затем с помощью визуализации понаблюдать за результатами редактирования параметров этих источников. Для начала исследуем свойства прожектора — пожалуй, одного из наиболее часто используемых источников света. При его настройке используется большое количество параметров. Испускаемый им свет распространяется в пределах конуса. Прожектор используется для создания расходящихся лучей света, таких как, например, свет маяка.
ПРИМЕЧАНИЕ
С помощью манипулятора можно изменять не только положение источника света и его мишени. Существует манипулятор голубого цвета, называемый Index Manipulator (Указатель) и имеющий форму перевернутой буквы Q. Он используется для перехода из одного режима в другой. С его помощью можно получить контроль над наклоном источника света, размером светового конуса и другими параметрами.
Рис. 9.1. Новое положение источника света и его мишени
Редактирование освещенности с помощью интерактивной фотореалистичной визуализации
Чем больше вы будете работать с источниками света, тем полнее оцените преимущества процесса интерактивной фотореалистичной визуализации. Возможность немедленно увидеть результаты редактирования параметров источника света или его перемещения помогает сэкономить время при работе над сценой. Кроме всего прочего, освещение изменяет вид назначенных объектам материалов. Например, освещение материала, созданного на основе раскраски Lambert (По Ламберту), не приводит к появлению зеркальных бликов, в то время как материал, созданный на основе раскраски Blinn (По Блинну), может в результате измениться совершенно неприемлемым образом. С помощью окна Render View (Визуализатор) можно легко настраивать параметры источников света при работе с различными материалами. Рассмотрим этот процесс на примере.
Рис. 9.2. Прожектор освещает только область, попавшую внутрь светового конуса
ПРИМЕЧАНИЕ
Предупреждение о том, что изображения не в формате IFF не поддерживаются, которое может появиться в командной етроке, связано с форматом выходного файла визуализации, установленным в раскрывающемся списке Image Format (Формат изображения) раздела Image File Output (Выходной файл) окна диалога Render Globals (Общие параметры визуализации). На сам процесс интерактивной фотореалистичной визуализации это никакого влияния не оказывает.
Параметры прожектора
Каждый из пяти типов источников света имеет свои особенности и свои параметры. Понимание основных различий между ними является ключом к правильному выбору источника света для каждой сцены. Кроме того, это позволяет сэкономить время при работе над сценой. Необходимо четко представлять себе, к какому результату приведет изменение каждого из параметров. Вид окна диалога Attribute Editor (Редактор атрибутов) для источника света Spot Light (Прожектор) показан на рис. 9.3.
Рис. 9.3. Окно диалога Attribute Editor является простейшим способом доступа к редактированию параметров источника света
Упражнение. Редактирование параметров прожектора
Первым параметром, который вам предстоит отредактировать, является угол светового конуса, изменяющийся в пределах от 0,006 до 179,994 градуса и по умолчанию равный 40 градусам. Уменьшение значения этого параметра приводит к сужению освещенной области. Вы можете продолжить выполнение предыдущего упражнения.
Упражнение. Направленный свет
Источник света типа Directional (Направленный) является одним из встроенных осветителей, использующихся каждый раз при создании новой сцены. Также с его помощью хорошо имитировать удаленные источники света, например Солнце, с помощью которых выполняется освещение всей сцены, а не ее отдельных участков. В данный момент в сцене имеется слой SpotLight_L, содержащий источник света spotLightl. Даже если сделать его невидимыми, прожектор все равно будет вносить вклад в итоговое изображение сцены. Соответственно, чтобы получить возможность наблюдать исключительно действие направленного источника света, необходимо как-то выключить прожектор. Для этого выделите его в окне диалога Outliner (Структура) и в окне каналов введите в поле параметра Visibility (Видимость) значение 0, что эквивалентно выключению источника света.
Рис. 9.5. Вид сцены в результате изменения параметров источника света spotLightl
ПРИМЕЧАНИЕ
В режиме тонированной раскраски освещение объектов сцены может осуществляться тремя способами. Во-первых, с помощью встроенных осветителей, во-вторых, с использованием всех источников света, имеющихся в сцене, и в-третьих, только выделенными источниками света. Обычно используется второй способ. Выбор можно сделать с помощью команд меню Lighting (Освещение) панели инструментов окна проекции. Помните, что по-настоящему оценить результаты создания и настройки источников света можно только после визуализации.
Вероятно, наиболее впечатляющие результаты при использовании направленного источника света получаются при включенном режиме формирования теней. Вид теней, формируемых точечным источником света, зависит от того, под каким углом он расположен по отношению к объектам. Это превосходно подходит, например, для имитации лампы, но вряд ли создаст убедительную иллюзию наличия удаленного источника света. Тени, отбрасываемые Солнцем, должны быть параллельны друг другу. Их можно получить, используя источник света типа Directional (Направленный) (рис. 9.6).
Рис. 9.6. В сцене, освещенной точечным источником света (слева), тени радиально расходятся из одной точки
Рис. 9.7. Включение режима использования карты теней в окне каналов
Упражнение. Точечный источник света
В отличие от направленного источника света, лучи которого параллельны дру другу, источник света типа Point (Точечный) дает поток лучей, равномерно ис ходящих из определенной точки во всех направлениях. Он используется дл общего освещения и имитации таких осветителей, как, например, лампочка. Bы можете продолжить выполнение предыдущего упражнения.
Рис. 9.8. Результат настройки оптических эффектов для точечного источника света
Упражнение. Прямоугольный источник света
Начиная с версии 3.0, в Maya появился источник света типа Area (Прямоугольный). Он отличается от остальных источников света тем, что его лучи исходят не из одной бесконечно малой точки в пространстве, а из ограниченной прямоугольником области, размеры которой можно менять по собственному желанию. Это дает большой простор для имитации реальных источников света, но имейте в виду, что одновременно растет и время визуализации. Применение источника света типа Area (Прямоугольный) приводит к формированию более размытых теней, чем в случае, когда источник света находится на значительном расстоянии от объекта. В Maya для освещения области применяются только двумерные, плоские источники света прямоугольной формы. Вы можете продолжить выполнение предыдущего упражнения.
Рис. 9.9. Результат размещения мишени в дальнем углу комнаты
ПРИМЕЧАНИЕ
Если вы считаете, что было визуализировано не то окно проекции, которое нужно, щелкните правой кнопкой мыши в любой точке окна Render View (Визуализатор) и выберите в появившемся контекстном меню команду IPR > IPR Render > RenderCamera (Интерактивная фотореалистичная визуализации > Визуализировать > Камера).
Рассеянный свет
Источник света типа Ambient (Рассеянный) используется для равномерного освещения поверхностей всех объектов и создания общего светового фона сцены. Он не имеет ничего общего с рассеянным светом в реальности, который формируется за счет диффузного рассеяния лучей света поверхностями объектов. Это своего рода самосвечение, равномерно освещающее всю сцену сразу. Поэтому осветитель данного типа необходимо использовать очень осторожно и только в особых случаях. Иначе ваша сцена легко может стать плоской и высветленной. В Maya для рассеянного света включается режим формирования теней. Именно эта возможность делает рассеянный свет своеобразным эквивалентом точечного источника света. Существует параметр Ambient Shade (Уменьшение рассеивания), равенство которого единице приводит к превращению рассеянного источника света в точечный.
Режим формирования теней в Maya может быть включен или выключен по вашему желанию. По умолчанию он выключен. Соответственно, хотя поверхности освещенных объектов затенены, то есть ближняя к источнику света сторона объекта имеет более яркий цвет, чем противоположная, сами объекты не отбрасывают теней. Кроме того, это значит, что свет беспрепятственно проходит сквозь поверхности, освещая даже объекты, расположенные в тени других объектов.
Наличие тени помогает яснее определить размер объекта, его положение и ориентацию в пространстве. Соответственно, формирование теней позволяет определить пространственные соотношения между объектами. Отсутствие теней в сцене приводит к появлению в результате визуализации плоской картинки, то есть тени добавляют сцене глубину и делают ее более реальной. Особенно это касается сцен в интерьере. Еще раз посмотрите на рис. 9.8. Как вы видите, в данном случае сложно сказать, стоят ли объекты на поверхности или же парят в пространстве между камерой и опорной плоскостью.
Обычно принято использовать в сцене несколько источников света, формирующих тени, и большое количество более тусклых, «заполняющих» осветителей. Наличие теней значительно увеличивает время визуализации, особенно если тени формируются источником света типа Area (Прямоугольный) или являются трассированными. Поэтому при создании сцены с тенями руководствоваться надлежит также соображениями минимизации времени вычислений. Кроме того, тени имеют свойство выцветать при появлении дополнительных источников света с включенным свойством формирования теней, освещающих ту же самую область. В Maya существует много способов как сделать сцену более контрастной, так и уменьшить время визуализации. Рассмотрим подробнее дна основных типа теней в Maya — полученные на основе карты глубины и трассированные.
Карта глубины
В Maya существует возможность формирования теней на основе так называемой карты глубины (Depth Map), которая содержит информацию о расстоянии от источника света до поверхности, которую он освещает. Программа вычисляет эту карту при первой же визуализации, и впоследствии она используется при расчете теней. Благодаря наличию карты теней визуализатор получает информацию об освещенности различных областей сцены, указывая, насколько далеко могут распространяться лучи света. В итоге они останавливаются на поверхностях объектов.
Тени, полученные на основе карты глубины, обычно хорошо имитируют реальные, при этом значительного увеличения времени визуализации не происходит. Они обычно имеют более размытые края, что выглядит более натурально, чем резкие трассированные тени. Впрочем, при желании можно получить примерно такой же уровень резкости теней, увеличив значение параметра Dmap Resolution (Разрешение карты глубины). Основным недостатком этого метода является отсутствие возможности создания мягких теней и невосприимчивость к прозрачности объектов.
Для источников света типа Point (Точечный), Ambient (Рассеянный) и Area (Прямоугольный) карта глубины работает особым образом. Дело в том, что для создания теней с помощью карты необходимо квадратное растровое изображение, а упомянутые источники света распространяют лучи во всех направлениях. Соответственно, приходится создавать набор карт, покрывающий всю область тени. В Maya для этих случаев используются кубические карты теней, то есть шесть теней, расположенных на шести сторонах куба. Этот процесс требует в шесть раз большего объема оперативной памяти, что может быть связано с увеличенным размером карты. В общем случае желательно, чтобы большинство теней создавалось источниками света типа Spot (Прожектор) или Directional (Направленный). При этом можно прямо указать направление лучей света и падения теней.
Параметры карты глубины
При работе с картами теней можно настраивать следующие параметры:
Правда, это имеет отношение только к окончательному изображению, полученному в результате визуализации. Этот эффект можно завуалировать, увеличив значение параметра Dmap Filter Size (Размер фильтра карты глубины). Увеличение разрешения тоже приводит к исчезновению зазубренных краев, но формирует более резкие границы тени.
Трассированные тени
В общем случае на визуализацию сцены с трассированными тенями уходит больше времени, но зато она требует меньшего количества оперативной памяти. Кроме того, появляется возможность создания размытых теней, а также теней от прозрачных объектов. Чтобы тени этого типа появились после визуализации, необходимо включить процедуру трассирования, установив флажок Raytracing (Трассирование) в окне диалога Render Globals (Общие параметры визуализации).
Источники типа Spot (Прожектор), Directional (Направленный), Ambient (Рассеянный свет) и Point (Точечный) могут формировать такие же тени, как и источник света Area (Прямоугольный). В этом случае размытые тени создаются путем увеличения радиуса источника света. Неточечные источники света формируют размытые тени (так называемые полутени), так как некоторое количество лучей света оказывается заблокированным расположенным на их пути объектом. В итоге лучи как бы огибают объект, частично освещая пространство за ним. В результате создается впечатление медленного перехода от тени к ее отсутствию.
Прозрачные объекты формируют только трассированные тени. При этом цвет объекта не учитывается. Для получения цветных теней необходимо назначить карту текстуры характеристике Transparency (Прозрачность) материала. Также имейте в виду, что тени будут иметь постоянную яркость, потому что при их построении эффекты преломления света в расчет не принимаются.
Параметры трассированных теней
Перечислим основные параметры, с которыми вам придется работать при использовании трассированных теней:
Тени, формируемые источником света типа Area
Если вы включили для источника света типа Area (Прямоугольный) возможность формирования теней, то они будут вычисляться на основе размера области, испускающей световые лучи. Аналогичный результат получается для точечных источников света после увеличения значения параметра Light Radius (Радиус источника).
Упражнение. Работа с тенями
Продолжите выполнение предыдущего упражнения.
Рис. 9.10. Результат включения формирования теней на основе карты глубины для источника света типа Spot
ВНИМАНИЕ
Интерактивная фотореалистичная визуализация позволяет отследить процесс редактирования материалов и источников света. Но она не может помочь при редактировании параметров теней, включая их разрешение. Если ваши действия не приводят к видимым изменениям, еще раз проведите интерактивную фотореалистичную визуализацию.
Итак, вы получили представление об основах настройки источников света и теней. Теперь рассмотрим дополнительные элементы управления освещенностью.
В верхней части окна диалога Attribute Editor (Редактор атрибутов) для источников света находится набор параметров, которые мы еще не обсуждали: Color (Цвет), Intensity (Интенсивность) и флажки Illuminates by Default (Освещение по умолчанию), Emit Diffuse (Диффузный компонент) и Emit Specular (Свечение зеркальных бликов). Эти параметры вам часто придется использовать для редактирования источника света.
Интенсивность
Параметр Intensity (Интенсивность) отвечает за яркость источника света. Ему можно присвоить как положительное, так и отрицательное значение. Увеличение интенсивности света приводит к увеличению освещенности.
Обычно этому параметру присваивается значение в диапазоне от 0 до 1, что приводит к освещенности средней интенсивности. При имитации солнечного света значение интенсивности может превосходить 1,5. Если параметр Decay Rate (Скорость спада) отличен от нуля, интенсивность света, скорее всего, должна быть увеличена, так как она начинает быстро снижаться с расстоянием. По умолчанию все источники света в Maya имеют нулевое значение этого параметра, то есть интенсивность освещения объектов не зависит от того, на каком расстоянии они расположены.
Присвоив параметру Intensity (Интенсивность) отрицательное значение, вы получите эффект удаления света из сцены. Если одну из областей сцены нужно сделать черной, несмотря на расположенные рядом источники света, решить проблему поможет именно источник света с отрицательным значением параметра Intensity (Интенсивность).
Освещение по умолчанию
По умолчанию источники света автоматически освещают все объекты сцены. Снятие флажка Illuminates by Default (Освещение по умолчанию) приводит к тому, что встроенный источник света перестает освещать объекты сцены, если вы вручную не установите между ними связь. Эта операция выполняется с помощью окна диалога Relationship Editor (Редактор связей). Для его вызова используйте команду Window > Relationship Editors > Light Linking (Окно > Редакторы связей > Связывание источников света). Затем выделите источник света и объекты, которые будут им освещаться, как показано на рис. 9.11. Объекты, включенные в освещение, выделены серым.
Рис. 9.11. Установка связи между источником света и объектами в окне диалога Relationship Editor
Влияние на диффузный компонент и зеркальные блики
В некоторых случаях свет может испускаться только для влияния на компоненты материала Diffuse (Цвет диффузного рассеяния) или Specular (Цвет зеркальных бликов).
Для включения этих режимов используются флажки Emit Diffuse (Диффузный компонент) и Emit Specular (Свечение зеркальных бликов), расположенные в верхней части окна Attribute Editor (Редактор атрибутов). Они недоступны при работе с источником света типа Ambient (Рассеянный свет). Установка флажка Emit Diffuse (Диффузный компонент) используется при создании мягкого заполняющего освещения для имитации отражения света. Сняв флажок Emit Specular (Свечение зеркальных бликов), можно избежать появления зеркальных бликов. Если, наоборот, оставить только флажок Emit Specular (Свечение зеркальных бликов), то появится возможность имитировать освещенную поверхность металлических объектов. В этом случае формирование зеркального блика произойдет без освещения остальной поверхности.
Цвет
Каждый источник света может иметь свой собственный цвет. Для его изменения используется окно диалога Color Chooser (Выбор цвета), вызываемое щелчком на поле образца цвета, расположенном справа от имени параметра Color (Цвет). Кроме того, существует возможность назначить данному параметру карту текстуры. В этом случае источник света действует как проектор. Если же анимировать параметры карты текстуры, источник света будет представлять собой проекционный аппарат для фильма.
Скорость спада
Параметр Decay Rate (Скорость спада) является одной из характеристик источников света типа Spot (Прожектор), Area (Прямоугольный) и Point (Точечный) и определяет скорость снижения интенсивности света по мере удаления от источника. Раскрывающийся список Decay Rate (Скорость спада) в окне диалога Attribute Editor (Редактор атрибутов) содержит несколько вариантов данного параметра:
СОВЕТ
Для редактирования затухания света можно использовать интерактивную фотореалистичную визуализацию.
Упражнение. Освещение дома
В этом упражнении вы добавите несколько источников света, создавая освещение для сцены с домиком, которому в предыдущей главе были назначены материалы.
Рис. 9.12. Вид сцены после того, как к ней были добавлены источники света
Попытайтесь самостоятельно добавить источники света в сцену с монстром, которого вы смоделировали в главе 7, и затем визуализируйте сцену. Освещение персонажа может быть весьма забавным занятием и с его помощью можно придать модели весьма эффектный вид. Источники света предназначены не только для освещения объектов, но и для подчеркивания их формы. Применяя знания, полученные в этой главе, вы сможете эффективно осветить фигуру монстра. Используйте принцип освещения с трех точек, о котором шла речь в главе 1. Возможный результат показан на рис. 9.13.
Рис. 9.13. Монстр, созданный в главе 7, был освещен источниками света, расположенными в трех различных точках
Освещение, вместе с назначением материалов, определяет окончательный вил объектов после визуализации. Без знаний основ создания и редактирования источников света невозможно создать впечатляющую сцену. В этой главе вы познакомились со следующими понятиями: