Tècniques d'il·luminació i renderització de llums

Els escenaris que no són preil·luminats tenen tendència a alentir els processos de les imatges finals. Un escenari ha de resultar creïble, li cal una estructura i sovint, per aconseguir-ho, cal distribuir una quantitat d’objectes amb molt detall. Si aquests objectes haguessin de ser processats a cada fotograma d’una producció, el temps de la producció i els recursos que s’hi haurien d’utilitzar es descontrolarien.

Al programari hi ha la possibilitat de processar prèviament la il·luminació, l’ombra i la llum indirecta que s’està distribuint per a un escenari, de manera que formi part d’una textura que es pot aplicar a l’escenari per crear la il·lusió que està il·luminat i que s’està processant al mateix temps que l’animació principal.

Aquesta tècnica, que antigament es feia servir exclusivament a produccions cinematogràfiques d’alt pressupost, ha resultat ser una de les millors maneres de donar eficiència als escenaris d’entorns virtuals i de videojocs.

Mitjançant un seguit de textures, podem: extreure les ombres en una imatge, el color dels elements de l’entorn en una altra, així com la llum indirecta que tenyeix els objectes, reflectint els colors entre ells; tot plegat, donant una sensació d’il·luminació global.

A banda, podem fer que els escenaris siguin de molt baixa poligonització, ja que tots els detalls recauran en les textures. L’escenari es podrà combinar amb altres elements de més detall o, fins i tot, editar aquestes textures per donar-los més realisme o estil.

Per conèixer el procediment, a dins del programari, per crear i exportar textures, però il·luminades a partir d’un escenari, vegeu aquest vídeo:

Bàsicament, hi ha tres sistemes o tècniques per simular les llums globals: el traçat amb rajos, el final gathering i la il·luminació global. Segons el motor de renderització que fem servir, triarem un sistema o un altre; vegem-los detingudament.

El sistema de traçat amb rajos és un terme matemàtic per a la creació d’imatges bidimensionals a partir d’escenes tridimensionals. Es tracta d’un sistema semblant al mapa d’ombres mitjançant rajos; de fet, rep el mateix nom, però les funcions són diferents segons el context on s’aplica.

En aquest sistema es determinen les superfícies visibles de l’escena que es volen generar, traçant uns rajos des de la càmera fins a l’escena. Es calculen les interseccions del raig amb els diferents objectes de l’escena, i la intersecció que estigui més a prop de l’observador determina quin és l’objecte visible.

Amb el sistema de traçat amb rajos es poden determinar les superfícies visibles amb un procés d’ombres, a partir de la intensitat dels píxels; a més, té en compte els efectes globals d’il·luminació, com ara les reflexions, refraccions i les ombres projectades, entre d’altres.

Un altre sistema de llums globals és el final gathering, que es tracta d’un mètode per simular la llum indirecta d’una escena.

Per aconseguir-ho, es disparen rajos al voltant de l’espai, de la mateixa manera que els rajos de llum ho farien a la realitat. El sistema no distribueix rajos en totes direccions infinitament, sinó que dispara raigs directament des de la càmera, per anar a rebotar a les diferents superfícies de l’escena.

Un cop han arribat a les seves destinacions, una xarxa de rajos hemisfèrics són extrets des dels punts de detall, i aquests mostren una informació addicional, en forma de grups de punts. Gràcies al fet que els punts no són originats per les fonts de llum, fins i tot és possible il·luminar una escena mitjançant un objecte.

El problema principal que presenta aquest sistema és l’aleatorietat dels grups de punts disparats per la càmera, que sovint creen un efecte de soroll de fons que és molt visible als canvis de fotograma, i que es va incrementant a mesura que creix la mida de la imatge final.

Per aconseguir una imatge nítida en aquest sistema, cal aplicar una quantitat de rajos molt alta i barrejar els punts resultants, per donar-li harmonia a la il·luminació.

Finalment, la il·luminació global o il·luminació indirecta és el nom que reben un grup d’algoritmes per aconseguir més realisme a les escenes 3D.

Aquests algoritmes tenen en compte no només la llum que va directament del punt de llum cap als objectes, sinó també els raigs que surten rebotant cap a les altres superfícies que hi hagi a l’escena, encara que no siguin reflectores.

Les reflexions, refraccions i ombres es poden considerar totes exemples d’il·luminació global, perquè un objecte afecta el procés interpretació d’un altre, mentre que en il·luminació directa un objecte és només representat per una sola llum que l’afecta. El procés de projecció de reflexos interiors difosos o càustiques és l’efecte associat habitualment amb aquesta propietat.

Alguns dels interpretadors d’imatge moderns, com per exemple V-Ray, admeten el processament de càustiques. Això ho aconsegueixen generant possibles camins del feix de llum, tenint en compte la refracció i la reflexió.

V-Ray ofereix un estil diferent d’interpretació de la llum que pot ser molt ràpid, atesa la seva base en il·luminació parcial. Els processos de representació de superfícies, il·luminades sense processar tota la il·luminació indirecta d’una escena, fan que aquest interpretador tingui molta velocitat de procés i que es faci servir per processar imatges independents.

En canvi, en generar imatges en moviment poden aparèixer errors i problemes a les superfícies, que poden ser pal·liats mitjançant la configuració de V-ray. Aquestes configuracions on es pot editar la il·luminació global i el final gathering, sense que apareguin gaires errors, alenteixen moltíssim el procés i, en ocasions, no donen el resultat precís que caldria.

Tots aquests conceptes i propietats són possibles gràcies a la creació de fotons virtuals: els camins dels feixos de llum creats pels punts de llum són processats per extreure’n un grup de punts que viatjaran per tota l’escena.

Aquests punts es poden interpretar de formes diferents: il·luminació global, càustiques i final gathering. La distribució i generació d’aquests fotons virtuals es pot configurar a partir dels panells de configuració del renderitzador. Observeu la taula, per identificar les diferències a l’hora de generar un sistema de llums amb els programaris V-Ray i Arnold.

Cal tenir en compte que, en el futur del procés d’imatges finals, aquests conceptes deixaran de fer-se servir per deixar pas a la il·luminació físicament correcta dels programaris d’interpretació imparcials amb la llum.

Les sigles HDRI corresponen a l’expressió anglesa High Dynamic Range Images, en català ‘imatges d’alt àmbit dinàmic’. Es tracta d’un sistema aplicable a les llums, per donar un entorn que generi diferents reflexions des de diversos punts de llum, i així crear en conjunt una il·luminació indirecta sobre el nostre objecte.

Per fotografiar els nostres entorns i fer-los servir en imatges d’alt àmbit dinàmic, cal emprar lents de gran angularitat, i a diferents exposicions de llum. Per fusionar aquesta mena d’imatges cal tenir un sistema, o un programa, que barregi les diferents fotografies, creant una imatge panoràmica del nostre entorn en 360°.

Mitjançant programes d’edició, es poden combinar els panorames de diferents exposicions, per crear una imatge que capturi les diferents intensitats de llum en una sola HDRI. A la figura, podeu veure un exemple d’imatge panoràmica lateral.

Aquesta mena d’imatges acostumen a donar un reflexos molt concrets i sovint s’utilitzen per il·luminar. Però per donar sensació d’ambient no és aconsellable fer-les servir. En cas que vulguem fer servir una imatge per donar tons i ambientacions i que la llum sigui més suau, podem difuminar la nostre imatge en programes d’edició, fins que tingui un aspecte borrós.

D’aquesta manera, la llum que abocarem als nostres objectes serà suau i no crearà reflexos massa evidents. Cal destacar que, aquesta mena d’imatges, s’han de reforçar amb llums direccionals o d’àrea, que transportin la intensitat de la nostra imatge en la direcció de la llum principal de la imatge. A la figura podeu veure la versió de la imatge anterior amb il·luminació suau.

Naturalment, hi haurà molts casos en els quals no us farà falta tenir en compte la llum que arriba de la part del fons del nostre objecte (i que il·lumina la part de darrere de la nostra escena). En aquests casos, podem fer servir una fotografia que tingui una distorsió produïda per una lent de gran angular. El fet de fer una fotografia amb diverses exposicions, combinar-la i utilitzar-la per il·luminar la nostra escena, dona un efecte similar al que obtindríeu si féssiu servir un panorama lateral. A la figura, teniu un exemple d’imatge amb gran angularitat.

Per conèixer com reforçar el realisme de les vostres imatges fent servir la il·luminació indirecta mitjançant HDRI, vegeu el següent vídeo:

Una bona forma de comprovar i renderitzar les proves seria començar preparant un procés en una imatge que no tingués més que la il·luminació principal. Hauríeu de seguir els següents passos:

1. Editar les intensitats dels punts de llum per contrastar i compensar les atenuacions. Posteriorment, preparar els processos per obtenir l’oclusió i les ombres properes de la imatge. Després les heu de combinar en la producció de la imatge.
2. El següent pas és controlar el reflexos de les superfícies il·luminades i dels punts de llum de la nostra escena. S’han de calibrar perquè no hi hagi excés de concentració lumínica o àrees sobreil·luminades que donin una sensació plana i facin perdre volum.
3. Un punt important és la possibilitat de no produir les ombres i editar-les posteriorment. Caldrà processar una imatge amb ombres i una sense, per no perdre la referència de quina seria la intensitat natural que tindrien.
4. En el cas que hi hagi objectes transparents, caldrà revisar si s’estan generant correctament les càustiques. És recomanable processar-les en una imatge paral·lela i combinar-les posteriorment.
5. També s’han de fer, paral·lelament, els processos per generar els feixos de llum volumètrics sobre l’atmosfera de l’escena. És convenient aplicar-hi atenuació i crear un entorn negre, perquè sigui fàcil de combinar amb la resta de la imatge.
6. Finalment, hi ha objectes que tenen llum pròpia, com per exemple fluorescents o punts de llum visibles a la nostra escena. Aquests elements es generen a partir de materials emissius de color constant.

El procés d’imatges finals cal preparar-lo mitjançant sistemes de proves d’il·luminació. Generant unes imatges prèvies de menys resolució, aconseguirem veure la llum suficientment per evitar els seus paràmetres, i arribar a crear unes imatges que coincideixin amb els nostres requeriments. Podeu conèixer les tècniques per fer proves d’imatges i controlar els valors de resolució en aquest vídeo: