Лабораторная работа № 3. Освещение и визуализация сцены

Лабораторная работа № 3. Освещение и визуализация сцены

Освещение сцены

 

Настройка освещения сцены предполагает создание источников света и определение их положения и параметров. Работа с источниками ведется параллельно с созданием объектов, однако настройка параметров осуществляется в процессе создания и назначения материалов, поскольку освещение связано с текстурированием и может влиять на отображение материалов.

За создание источников света отвечает категория Lights (Источники света) панели Create. Созданным источникам присваиваются имена: Omni01, Spot01 и т.п., которые можно заменять. Источник света можно перемещать, поворачивать и масштабировать.

Параметры источников либо устанавливаются сразу при создании, либо изменяются позднее через панель Modify. Все параметры разбиты по свиткам:

• General Parameters (Общие параметры) — позволяет изменять тип источника, включать-отключать генерирование теней и исключать объекты из сферы влияния источника;
• Intensity / Color / Attenuation (Интенсивность/Цвет/Ослабление) — предназначен для контроля интенсивности, цвета и ослабления светового потока;
• Shadow Parameters (Параметры тени) и Shadow Map Parameters (Параметры карты тени) — отвечают за характер генерирования теней;
• Advanced Effects (Расширенные эффекты) — позволяют управлять четкостью перехода от освещенных участков объекта к неосвещенным, включать-отключать блики, назначать источнику текстурную карту и т.д.

Упражнение 1. Всенаправленный и направленный источники.

1. Подготовьте сцену из двух объектов: плоскости и шара. Создайте источник, открыв категорию Lights панели Create, щелкните на кнопке с названием Omni, а затем укажите мышью в одном из окон проекций местоположение источника.

2. 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.

3. Проведите рендеринг — шар окажется освещенным справа и будет отбрасывать тень. Попробуйте перемещать источник света вокруг шара. По окончании эксперимента верните источник на позицию справа от шара.

4. Для управления интенсивностью при выделенном источнике активизируйте панель Modify и в свитке Intensity / Color / Attenuation увеличьте значение параметра Multiplier (Коэффициент) до 2.

5. Откройте окно Color Selector: Light Color щелчком на поле, расположенном справа от параметра Multiplier и измените цвет световых лучей на желтый. При визуализации сцена окажется освещенной «желтой лампочкой».

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

7. Удалите оба источника, включатся источники света, используемые по умолчанию.

8. Создайте источник света типа Free Directional (для этого выберите тип источника и щелкните в центре шара на проекции Top - источник будет направлен на шар). Затем переместите его инструментом Select and Move и подкорректируйте угол наклона инструментом Select and Rotate. Проведите рендеринг - шар освещается с фрагментом плоскости достаточно интенсивно, но другая часть плоскости не видна.

9. Регулируйте значения параметров Hotspot / Beam (размер светового конуса) и Falloff / Field (размер пределов угасания луча к краям) в свитке Directional Parameters для изменения размеров светового пятна и размытости границы. По умолчанию пятно отличается четкой границей. Сделайте Hotspot / Beam равным 25, а Falloff / Field — 50, в результате пятно света станет размытым. Если значения параметров близки, то граница будет четкой. Измените форму сечения светового конуса с круглой (Circle) на прямоугольную (Rectangle). Соотношения сторон прямоугольника можно регулировать параметром Aspect.

10. Расширьте границы освещения так, чтобы внутри светового конуса оказался не только шар, но и б о льшая часть плоскости. При этом значения параметров Hotspot / Beam и Falloff / Field должны сильно различаться, чтобы снижение освещенности к краям плоскости осуществлялось постепенно.

11. Уменьшите интенсивность света (Multiplier) примерно до 0,6 и включите флажок Shadows для генерации теней.

12. Чтобы увеличить уровень освещенности, попробуйте создать ещ два источника света. Для первого выберите тип Omni, желтый цвет и интенсивность порядка 0,8-0,9. Второй источник должен обеспечить эффект вторичного освещения, возникающего за счет отражения падающего света от светлых поверхностей. Чтобы имитировать эффект, установите под плоскость слабый (интенсивность 1,1) цветной источник света типа Free Directional, не отбрасывающий тень, размером таким, чтобы плоскость оказалась внутри границ внутреннего светового конуса Hotspot / Beam. После рендеринга должен получиться результат рис.1.

Рис. 1.

Визуализация сцены

 

Визуализация представляет завершающий этап трехмерного моделирования и имеет не меньшее значение, чем моделирование, освещение и текстурирование сцены, поскольку от результата рендеринга зависит эффектность и реалистичность изображения. Осуществляется процесс с помощью визуализаторов (рендеров). По умолчанию в 3D Studio MAX установлен визуализатор Scanline. Возможно проведение рендеринга средствами альтернативных визуализаторов: Mental Ray, VRay, Brazil и др., обеспечивающих большую реалистичность изображений. Одним из наиболее широко используемых визуализаторов является Mental Ray, который интегрирован в систему.

Использование Mental Ray ускоряет просчет сцен без визуальных эффектов, а также позволяет получать изображения с визуальными эффектами зеркального отражения, прозрачности и преломления световых лучей, включая эффект каустики (Caustics), который приводит к появлению световых бликов в результате прохождения света через прозрачные объекты криволинейной формы.

Также он позволяет:

- моделировать рассеянное освещение путем имитирования эффекта поверхностного рассеивания света за счет настройки глобального освещения (Global Illumination),

- повышать реалистичность путем использования эффекта глубины резкости (Depth of field) с размытием переднего и заднего плана сцены,

- создавать эффект размытого движения, с помощью которого движущиеся объекты получаются размытыми.

- обеспечивать детальную прорисовку карты смещения (Displacement),

- использовать шейдеры камеры (Camera Shaders) для получения эффектов линз,

- применяться для создания «рисованных» изображений при помощи шейдеров контура и т.д.

Основным отличием Mental Ray от Scanline является то, что при просчете сцен учитываются физические свойства света, что обеспечивает реалистичность изображений. Он использует фотонный анализ сцен для создания глобального освещения и для просчета эффектов рефлективной и рефрактивной каустики. Источники света излучают фотоны, которые в процессе движения попадают на поверхности объектов и отскакивают от них, теряя часть энергии. Mental Ray отслеживает путь фотонов, собирает информацию об их поведении и количестве фотонов в каждой точке пространства, суммирует энергию фотонов в каждой точке и на основании полученных данных производит расчет освещенности сцены.

Выбор визуализатора Mental Ray осуществляется в окне RenderScene (Визуализация сцены), которое вызывается командой Rendering => Render либо нажатием клавиши F10. В окне следует открыть вкладку Common, раскрыть свиток AssignRenderer (Назначить визуализатор), в строке Production (Выполнение) щелкнуть на кнопке с изображением многоточия и в открывшемся списке выбрать визуализатор mentalrayRenderer.

В окне RenderScene вместо закладок Raytracer и Advanced Lighting появятся закладки Processing и Indirect Illumination. Последняя содержит параметры, отвечающие за просчет каустики и глобального освещения.

Назначение MentalRay визуализатором приведет к возможности использования дополнительных источников света и материалов.

К числу первых относятся источники mrAreaOmni и mrAreaSpot, которые более корректно просчитываются визуализатором и предназначены для замены стандартных источников света Omni и TargetSpot.

Появятся девять типов материалов: mental ray, DGS Material, Arch & Design Material, Glass, SSS Fast Material и т.д., которые позволяют текстурировать любые поверхности, включая металл, дерево и стекло. MentalRay позволяет применять для формирования более реалистичных теней собственную карту MentalRayShadowMap.

Чтобы определить необходимость визуализации объекта с учетом физических свойств света, необходимо подкорректировать свойства объекта ObjectProperties, изменив состояние флажков на вкладке mentalray. Например, для объектов с эффектами каустики следует включить флажки GenerateCaustics (Генерировать каустику) и ReceiveCaustics (Принимать каустику), а для объектов, которые должны имитировать отраженный свет, — флажки GenerateGlobalIllumination (Генерировать общее освещение) и ReceiveGlobalIllumination (Принимать общее освещение).

Если необходимо, чтобы при имитации каустических эффектов и глобального освещения принимали участие все объекты сцены, то вместо настроек свойств объектов можно на вкладке IndirectIllumination окна RenderScene установить флажок AllObjectsGenerateandReceiveGI andCaustics (Все объекты сцены излучают и принимают глобальное освещение и каустику).

 

Упражнение 8.

Попробуем воссоздать блики на примере стеклянного примитива TorusKnot.

1. Создайте сцену с плоскостью и лежащим на ней торусом.

2. Добавьте три источника света: ключевой, с помощью которого будет создаваться эффект каустики (TargetDirect), заполняющий и контурный. Первый создаст общее освещение сцены и смягчит тени и полутени, а второй обеспечит подсвечивание объекта со стороны: в качестве первого выберите источник Skylight, а в качестве второго — TargetDirect.

3. В свитке Intensity / Color / Attenuation увеличьте уровень яркости ключевого источника примерно до 1,3 (параметр Multiplier) и включите для него генерацию теней, установив в качестве карты теней карту RayTracedShadows (Трассированные тени). У вспомогательных источников уменьшите яркость (Multiplier) примерно до 0,5 и 0,7, а у контурного дополнительно отключите флажок Specular (вкладка Advanced Effects).

4. Создайте стеклянный материал — активируйте тип материалов Architectural, установите шаблон Glass — Clear и определите бирюзовый цвет материала. Замените цвет заднего плана сцены с черного на белый, воспользовавшись командой Rendering => Environment. Попробуйте визуализировать сцену стандартным визуализатором, нажав клавишу F9, — никаких эффектов каустики не будет.

5. Установите Mental Ray в качестве визуализатора— нажмите клавишу F10, в открывшемся окне RenderScene разверните свиток AssignRenderer, щелкните в строке Production на кнопке с изображением многоточия и выберите mentalrayRenderer. Выполните рендеринг и посмотрите, что изменилось.

6. Активируйте в окне RenderScene вкладку Indirect Illumination и в области Caustics включите флажок Enable (Использовать). Попробуйте визуализировать сцену — появится предупреждение о том, что в сцене отсутствуют объекты, вызывающие эффект каустики.

7. Выделите объект TorusKnot, вызовите из контекстного меню команду ObjectProperties и на вкладке mentalray включите флажки GenerateCaustics и ReceiveCaustics и выключите флажки GenerateGlobalIllumination и ReceiveGlobalIllumination. Проведите визуализацию посмотрите на эффект каустики.

Эффектом каустики можно управлять через параметры свитка Indirect Illumination и свитка Caustics and Global Illumination (GI), присутствующего на вкладке IndirectIllumination (окно RenderScene). В первом свитке можно изменить число фотонов кустики (CausticsPhotons) и их энергию (Energy), а во втором — регулируется список параметров:

• в области Caustics — интенсивность фотонов (Multiplier); максимальное количество фотонов (Maximum Num Photons per Sample); радиус фотонов (Maximum Sampling Radius) и фильтр, применяемый к образцам при рендеринге (Box, Cone);
• в области TraceDepth — максимальную глубину распространения эффекта (Max. Depth), максимальное отражение (Max. Reflections) и максимальное преломление (Max. Refractions);
• в области LightProperties — число фотонов каустики (Average Caustic Photons per Light) и степень затухания эффекта каустики (Decay).

8. Увеличьте энергию фотонов (Energy) до 2 и их радиус до 3 (Maximum Sampling Radius) — освещенность вырастет, а сами фотоны станут заметны.

9. Уменьшите значение величины Decay (Затухание) до 1,9 — распространение эффекта увеличится.

10. Верните первоначальное значение параметра Energy, который по умолчанию равен 1, установите фильтр Cone, увеличьте значение Filter Size до 1,6 и количество фотонов каустики (AverageCausticPhotonsperLight) до 30 тыс. — световые пятна станут более размытыми.

11. Для окончательной визуализации установите значение параметра Caustics Photons равным 1000, Multiplier — 1,3; Sampling Radius — 6 и установите фильтр Cone. В итоге результат станет более реалистичным. Сохраните сцену для отчета.

 

Упражнение 9.

1. Создайте сцену с плоскостью, шаром и чайником.

2. Установите один направленный источник света, поместите его в левой части сцены и включите для источника генерацию теней RayTracedShadows.

3. Создайте светящийся материал на базе шейдера Architectural, изменив цвет в поле DiffuseColor и увеличив значение параметра Luminancecd / m², отвечающего за уровень свечения, примерно до 7000. Сделайте шар светящимся, назначив ему созданный материал. Проведите рендеринг визуализатором Scanline — шар светится, но свет от него никуда не распространяется.

4. Установите Mental Ray в качестве визуализатора.

5. Включите имитацию глобального освещения: активируйте в окне Render Scene вкладку Indirect Illumination и в разделе Final Gather включите флажок Enable Final Gather. Вновь визуализируйте сцену, и увидите, что свет от шара освещает пространство плоскости.

6. Увеличьте значение параметра Multiplier до 1,5, а RaysperFGPoint до 500 — интенсивность распространяющегося от шара света заметно увеличится (отблески света видны на чайнике).

Упражнение 10.

1. Создайте новую сцену с замкнутым линейным сплайном в виде прямоугольника (в окне проекции Top) и чайником внутри. Назначьте сплайну модификатор Extrude, что позволит превратить его в замкнутое кубическое пространство — имитацию комнаты, внутри которой окажется чайник.

2. Расположите сцену так, чтобы в окне перспективы было видно только пространство внутри комнаты (рис.12). Разместите на потолке комнаты плоский куб для имитации светильника.

Рис.12.

3. Назначьте светильнику светящийся материал и при желании текстурируйте стены, пол и потолок комнаты, а затем визуализируйте сцену стандартными средствами. Установите Mental Ray и активируйте имитацию глобального освещения, включив флажок EnableFinalGather.

4. Увеличьте интенсивность света, установив параметр Multiplier равным 1,7, и для ускорения процесса визуализации уменьшите значение параметра RaysperFGPoint до 50. Проведите рендеринг. В обоих вариантах (Scanline и Mental Ray) освещение оказалось неестественным.

5. Создайте источник света (освещение по умолчанию отключается) и заблокируйте его, отключив флажок On в области Light Type раздела Generel Parameters. Увеличьте значение параметра RaysperFGPoint до 500 — освещенность несколько повысится за счет увеличения количества рассеиваемых лучей.

6. Установите параметр DiffuseBounces равным 4, что обеспечит появление светотеней на полу, стенах и потолке, а Multiplier — 2,2, что усилит интенсивность света. Еще раз увеличьте количество, а также плотность рассеиваемых лучей, установив параметры RaysperFGPoint и Initial FG Point Density равными 700 и 1,5 соответственно. Полученное при визуализации изображение окажется более качественным.

7. В разделе FinalGather выключите флажок EnableFinalGather, а в разделе Global Illumination (GI) включите флажок Enable и проведите рендеринг. Результаты будут достаточно плохими, поскольку метод GlobalIllumination базируется на излучении фотонов, а источник заблокирован. Разблокируйте источник, переместите его внутрь лампы, уменьшите интенсивность источника примерно до 0,3 и измените оттенок на близкий к оттенку светящегося материала.

8. Включите для источника генерацию теней по типу RayTracedShadows и визуализируйте сцену — комната осветится, но будет освещена равномерно без светотеней и свечения от лампы ощущаться не будет.

9. Увеличьте энергию фотонов и то их количество, которое принимает участие в Global Illumination, выделив источник и увеличив в свитке mentalray: IndirectIllumination значения параметров Energy и GIPhotons до 5 и 400 соответственно. Попробуйте установить значения параметров Multiplier, Maximum Num Photons per Sample и Maximum Sampling Radius равными 1,2; 1500 и 14 соответственно. Результат заметно улучшится

10. Включите в разделе Final Gather флажок Enable Final Gather и настройте параметры конечного сбора в соответствии с рис. 13.

11. Установите для формирования теней карту MentalRayShadowMap и немного уменьшите яркость источника света (параметр Multiplier). Визуализируйте сцену — время на рендеринг вырастет, зато результат окажется лучше. Сохраните сцену для отчета.

Рис. 13.

Самостоятельное задание к лабораторной работе № 3.

 

Необходимо создать освещение сцены с синтезированными объектами и фоновой фотографией из курсового проекта.

1. Для этого загрузите сцену, полученную в результате выполнения самостоятельного задания из второй лабораторной работы, которая содержит объекты с назначенными им материалами и текстурами и фоновую фотографию, на которую данные объекты должны отбрасывать тени.

2. Добавьте необходимые плоскости и назначьте им нужные материалы и текстурные карты для имитации поверхности, на которой расположены объекты в соответствии с исходной фотографией курсового проекта.

3. Создайте и разместите необходимые источники света, руководствуясь приобретенными навыками при выполнении данной лабораторной работы, так чтобы они добавляли общее освещение сцены и освещали конкретные объекты с генерацией теней в направлении на фоновую фотографию сцены.

4. Выполните рендеринг сцены стандартным визуализатором и визуализатором Mental Ray. Настройте эффекты каустики для объектов и глобального освещения для сцены в целом в визуализаторе Mental Ray.

Содержание отчета по лабораторной работе.

В отчете по лабораторной работе должны быть представлены:

1. Сцены, выполненные в процессе работы: «Разноцветные колонны», «Объемный текст с текстурной тенью», «Светильник на стене», «Освещенный домик», «Торус с имитацией каустики» «Чайник в кубе с имитацией глобального освещения».

2. Синтезированная и визуализированная сцена с освещением объектов и фоновой фотографией курсового проекта с настроенными эффектами каустики и глобального освещения.

Лабораторная работа № 3. Освещение и визуализация сцены

Освещение сцены

 

Настройка освещения сцены предполагает создание источников света и определение их положения и параметров. Работа с источниками ведется параллельно с созданием объектов, однако настройка параметров осуществляется в процессе создания и назначения материалов, поскольку освещение связано с текстурированием и может влиять на отображение материалов.

За создание источников света отвечает категория Lights (Источники света) панели Create. Созданным источникам присваиваются имена: Omni01, Spot01 и т.п., которые можно заменять. Источник света можно перемещать, поворачивать и масштабировать.

Параметры источников либо устанавливаются сразу при создании, либо изменяются позднее через панель Modify. Все параметры разбиты по свиткам:

• General Parameters (Общие параметры) — позволяет изменять тип источника, включать-отключать генерирование теней и исключать объекты из сферы влияния источника;
• Intensity / Color / Attenuation (Интенсивность/Цвет/Ослабление) — предназначен для контроля интенсивности, цвета и ослабления светового потока;
• Shadow Parameters (Параметры тени) и Shadow Map Parameters (Параметры карты тени) — отвечают за характер генерирования теней;
• Advanced Effects (Расширенные эффекты) — позволяют управлять четкостью перехода от освещенных участков объекта к неосвещенным, включать-отключать блики, назначать источнику текстурную карту и т.д.

Упражнение 1. Всенаправленный и направленный источники.

1. Подготовьте сцену из двух объектов: плоскости и шара. Создайте источник, открыв категорию Lights панели Create, щелкните на кнопке с названием Omni, а затем укажите мышью в одном из окон проекций местоположение источника.

2. 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.

3. Проведите рендеринг — шар окажется освещенным справа и будет отбрасывать тень. Попробуйте перемещать источник света вокруг шара. По окончании эксперимента верните источник на позицию справа от шара.

4. Для управления интенсивностью при выделенном источнике активизируйте панель Modify и в свитке Intensity / Color / Attenuation увеличьте значение параметра Multiplier (Коэффициент) до 2.

5. Откройте окно Color Selector: Light Color щелчком на поле, расположенном справа от параметра Multiplier и измените цвет световых лучей на желтый. При визуализации сцена окажется освещенной «желтой лампочкой».

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

7. Удалите оба источника, включатся источники света, используемые по умолчанию.

8. Создайте источник света типа Free Directional (для этого выберите тип источника и щелкните в центре шара на проекции Top - источник будет направлен на шар). Затем переместите его инструментом Select and Move и подкорректируйте угол наклона инструментом Select and Rotate. Проведите рендеринг - шар освещается с фрагментом плоскости достаточно интенсивно, но другая часть плоскости не видна.

9. Регулируйте значения параметров Hotspot / Beam (размер светового конуса) и Falloff / Field (размер пределов угасания луча к краям) в свитке Directional Parameters для изменения размеров светового пятна и размытости границы. По умолчанию пятно отличается четкой границей. Сделайте Hotspot / Beam равным 25, а Falloff / Field — 50, в результате пятно света станет размытым. Если значения параметров близки, то граница будет четкой. Измените форму сечения светового конуса с круглой (Circle) на прямоугольную (Rectangle). Соотношения сторон прямоугольника можно регулировать параметром Aspect.

10. Расширьте границы освещения так, чтобы внутри светового конуса оказался не только шар, но и б о льшая часть плоскости. При этом значения параметров Hotspot / Beam и Falloff / Field должны сильно различаться, чтобы снижение освещенности к краям плоскости осуществлялось постепенно.

11. Уменьшите интенсивность света (Multiplier) примерно до 0,6 и включите флажок Shadows для генерации теней.

12. Чтобы увеличить уровень освещенности, попробуйте создать ещ два источника света. Для первого выберите тип Omni, желтый цвет и интенсивность порядка 0,8-0,9. Второй источник должен обеспечить эффект вторичного освещения, возникающего за счет отражения падающего света от светлых поверхностей. Чтобы имитировать эффект, установите под плоскость слабый (интенсивность 1,1) цветной источник света типа Free Directional, не отбрасывающий тень, размером таким, чтобы плоскость оказалась внутри границ внутреннего светового конуса Hotspot / Beam. После рендеринга должен получиться результат рис.1.

Рис. 1.