Основы 3D Освещения

Эта статья поможет новичкам научиться работать со светом во Viewport и научиться выставлять свет для своих моделей. Если ты ни разу в жизни не пользовался Blender, для тебя есть бесплатный курс Intro Blender. Ты научишься моделить простые формы, выучишь хоткейсы и поймешь, как устроен технический процесс моделинга в Blender.

Работа во Viewport и технические ограничения

Работать будем в трех окнах. Первое - рабочее, без рендера, где будут отображаться все камеры и источники света. Второе - Material Editor. И третье - наглядная демонстрация, в нем будет отображаться отрендеренная картинка с ракурса выбранной камеры.

Выбираем Rendered в правом углу окна в шейдинге viewport.

Чтобы работать быстрее можно выбрать рендер в реальном времени, например Eevee. Его можно использовать в качестве финального рендера или движка, который управляет предпросмотром объектов в реальном времени.

Но с Eevee есть один нюанс. В нашей модели есть объекты с параметром volume. Они затрудняют работу, потому что Eevee берет bounding box (крайние точки по трем осям xyz), который и становится volume. Выглядит это так.

Чтобы исправить этот эффект нужно поменять шейдеры с volume. Например, изменить на базовый Principled BSDF с обычным emissive у каждого иллиция. Но это потребует отдельной настройки материала под Eevee, чтобы свечение было похоже на то, которое было настроено под cycles.

Поэтому оставляем Principled BSDF без свечения. С упрощенными материалами выставляем свет в Eevee и перед финальным рендером переключимся на cycles для корректного отображения света.

Заходим во вкладку Render Properties и выбираем Cycles. Здесь назначаем девайс: CPU или GPU. Рендерить в CPU - немного медленнее, но работа в CPU более стабильная. Потому если железо тянет рендер в CPU - выставляем его. В этой же вкладке настраиваем количество сэмплов, которое можно установить для финального рендера и для вьюпорта.

Чтобы удобно организовать сцены мы используем коллекции - создаем отдельную коллекцию с камерой и источниками света для разных ракурсов. Так мы сможем быстро переключаться между кадрами и не будем тратить время, чтобы вспомнить какой сетап источников света за какой кадр отвечает.

Чтобы создать коллекцию нажимаем New Collection в панели Scenes Collection. Если нажмешь перед названием значок "папка", то все новые объекты автоматически будут помещаться в выбранную коллекцию. При помощи коллекций в один клик можно отключить отображение сетапа во вьюпорте или на рендере (значки "глаз" и "камера").

Если хочешь сделать "предвизуализацию" освещения, то лучше выставлять источники при нейтрально серых объектах. Так картинка не будет пересвечена или наоборот недостаточно освещена.

Настройка камеры

Переходим к работе. В начале создаем плоскость для объекта с помощью хоткея "Shift+A". Аналогичным образом создаем камеру. Чтобы настроить ракурс во втором окне, нужно сделать камеру активной.

Для этого жмем значок "камера" в панели справа, над ней появляется черный треугольник - обозначение главной камеры. Теперь жмем "0" на нампаде и смотрим через выбранную камеру. Если мы попробуем сдвинуться - камера останется на месте.

Чтобы поменять ракурс камеры, а не свое положение, нажимаем “N” и выбираем View - Lock Camera to View. Рамка, которая определяет кадр, подсветиться красным пунктиром и мы сможем двигаться "изнутри" камеры. Теперь выставляем нужный ракурс.

Когда выставили камеру, снимаем галочку с Lock Camera to View. Для того, чтобы во втором окне отображался ракурс этой камеры, нажимаем на него и снова "0".

Настройка источников света

С помощью "Shift+A" создаем источники света. Есть 4 вида на выбор:

• Point - свет от источника равномерно расходится из одной точки во все стороны и постепенно затухает;
• Sun - источник направленного света с параллельными лучами, который не затухает;
• Spot - источник излучает свет из одной точки, но область свечения ограничена направленным конусом, который мы можем настраивать;
• Area - источник света, который излучается из плоскости. Форму и размер плоскости можно настраивать.

В работе чаще всего используют последние два, реже - Point. Sun не используется, потому что он слишком "прямолинейный" и не подходит для тонкой настройки освещения.

Для нашей сцены создаем источник света и выбираем Spot. Он автоматически добавляется в активную коллекцию. Изменяем положение источника света относительно модели. Для этого выбираем его мышью и нажимаем хоткей “G” для перемещения.

Переходим во вкладку настройка света (значок "зеленая лампочка"). Здесь выбираем цвет и интенсивность света. По умолчанию значение последнего параметра (Power) - "10W". Назначаем "1500W" и сразу видим, как это выглядит на рендере. Размер - еще один параметр света в Spot, который можно изменить.

Чем он больше, тем мягче падающие тени. Если хотим получить супер жесткие тени с четким контуром, ставим значение “0”. Количество сэмплов влияет на отображение теней в Eevee. Из-за того, что у нас во Viewport стоит значение "16", мягкие тени разбиваются на отдельные части. Чтобы это исправить нужно поднять значение во Viewport. Но тогда мы пожертвуем производительностью, и скорость рендера замедлится.

Например, вот скрин, где отображаются 256 сэмплов. В источниках света Spot и Area можно выбрать направление источника света. Чтобы изменить угол падения света зажимаем желтую точку или хоткей "Shift+T". Если будем работать со стрелкой - можно отрегулировать угол фонарика.

Так можно сконцентрировать свет на конкретной части тела, чтобы сделать акцент. А еще можно настроить край воздействия света и градиент от максимальной интенсивности света к полной темноте. Чем больше значение Blend в настройках источника света, тем плавнее переход.

Один из параметров источника света Area - габариты. Здесь выбираем форму источника: квадрат, прямоугольник, диск или эллипс. У диска и квадрата одинаковые параметры изменения света - радиус и сторона. У прямоугольника - длина и ширина.

После того как мы прикинули базовое расположение источников в Eevee, нам нужно переключится в Cycles. Так мы получим приближенную к итоговому рендеру картинку.

Как выставить свет

Теперь поговорим о принципах выставления света. Здесь большую роль играет определение задачи: должна ли модель отражать наш навык моделинга или нужно поставить сцену так, чтобы четко считывалось настроение.

Для этого есть 2 вида подачи:

1. “Недраматичная” или скульптурная подача - это когда нам нужно показать хорошо считываемые формы и детали.
2. "Драматичная" подача - противоположна скульптурной, потому что мы жертвуем детализацией ради эмоционального эффекта.

Скульптурная подача

В этом случае берем основной источник Area и выставляем значение Size "5м". Получаем эффект, похожий на освещение в пасмурную погоду: равномерное освещение, мягкие тени, плавный переход от света в тень. Важно: чем больше угол между направлением «взгляда» камеры и направлением света, тем лучше считываются детали. В противном случае детали «съедаются» и получается эффект «лобовой вспышки».

Кроме основного источника мягкого света, можно использовать и дополнительный. Он подсвечивает саму тень и обычно находится за объектом или вне кадра. Дополнительный источник света подчеркивает детали и имитирует "студийный" свет.

Нам по душе использовать минимумом источников, но при желании можно добавить и третий - это дело вкуса. Главное не переборщить и избежать засвета, иначе потеряем ощущение объема модели.

Совет: не забывай о свете, который отражает "пол". Порой достаточно изменить его тон, чтобы добавить или убрать рефлексы.

Вот так выглядит готовый turntable со скульптурной подачей:

Драматичная подача

Чем больше контраст между светом и тенью, тем более "драматичный" кадр. Чтобы кадр был более драматичным нужно поставить источник света за объектом с противоположной стороны направления взгляда камеры.

Ниже - наглядный пример. Вот такие сетапы мы рассматривали в процессе работы. Наша цель - добиться ощущения случайной фотографии, поэтому мы подали модель в "драме". Сделали жесткие тени, а источник света расположили немного левее камеры, чтобы сохранить детализацию и создать эффект вспышки.

Общее настроение кадра: тревога от встречи с монстром в темноте, ощущение неизвестности и напряжение.

Так выглядит наш кадр уже после рендера и обработки. О них поговорим в следующей статье из цикла.

Основные типы освещения в 3D-визуализации

В 3D-визуализации существует несколько основных типов освещения, каждый из которых имеет свои особенности и применение:

• Окружающее освещение (Ambient Lighting): создает равномерное, не направленное освещение для всей сцены. Обычно используется для имитации естественного света или в комбинации с другими типами освещения для устранения теней.
• Направленное освещение (Directional Lighting): представляет собой источник света, который освещает сцену в определенном направлении. Идеально подходит для создания сильных теней и имитации солнечного света. Пример такого источника - солнце.
• Точечное освещение (Point Lighting): источник света, излучающий свет во всех направлениях от одной точки. Хорошо подходит для создания локального освещения и акцентирования отдельных объектов на сцене. Если точечный свет похож на свет от настольной лампы.
• Освещение области: Это прямоугольный источник света с направленными лучами, исходящими из определенной поверхности. Освещение такого типа похоже на свет из окна или от студийного софтбокса.
• Конусный свет: то конусный больше похож на свет от фонарика. Это свет из точки, ограниченный определенным углом.
• Потолочное освещение: Этот источник излучает свет сверху вниз.

Методы расчета освещения

Существуют различные методы расчета освещения в 3D-графике, которые влияют на реалистичность и производительность рендеринга:

• Глобальное освещение (Global Illumination): метод, который учитывает взаимодействие света со всеми объектами сцены, создавая реалистичные тени и отражения. Сюда входят методы, такие как радиозитет (Radiosity) и фотонное отображение (Photon Mapping).
• Локальное освещение (Local Illumination): упрощенный метод расчета освещения, который не учитывает отражения и прохождение света через объекты. Быстрее, чем глобальное освещение, но менее реалистично.

Глобальное освещение HDRI (High Dynamic Range Imaging)

HDRI - техника, которая позволяет использовать изображения с высоким динамическим диапазоном для создания более реалистичного освещения в 3D-сцене. HDRI-изображения содержат информацию о свете и тенях в различных направлениях, что обеспечивает естественное освещение и отражения.

Тени и теневые карты (Shadow Maps)

Тени играют важную роль в создании реалистичной атмосферы в 3D-визуализации. Теневые карты - это способ представления теней, которые хранят информацию о расстоянии от источника света до ближайшего объекта, блокирующего свет. Это позволяет создать реалистичные и детализированные тени на сцене.

Принцип трех источников света (Three-Point Lighting)

Трехточечное освещение - это метод освещения, который использует три источника света для контроля контраста, теней и акцентов на объектах сцены. Он состоит из ключевого света (Key Light), отражающего света (Fill Light) и контрового света (Rim Light или Back Light), которые размещаются вокруг объекта на сцене для создания глубины и объема.

• Ключевой свет (key light): является основным осветителем сцены. Обычно этот световой источник ставят в сцене первым. Чаще всего это прожектор (Target Spot). Его мощность (multiplier) равна 1, он отбрасывает тени, даёт блики.
• Заполняющий свет (Fill Light): Главная роль этого света - ослабить контраст и выявить детали, находящиеся в тени объекта. Заполняющий свет должен быть слабее ключевого и располагаться c противоположной стороны к ключевому.Обычно в качестве заполняющего света ставится лампочка (omni), мощностью 0,2-0,5. Этот источник не должен отбрасывать теней, и не должен давать бликов на объекте.
• Контровой свет (Rim Light или Back Light): добавляет глубины к сцене, отделяя объект переднего плана от фона, что является важной задачей, если фон достаточно сложно организован. Во-вторых, этот осветитель используется для того, чтобы осветить контуры объекта.Обратный свет обычно располагается позади и выше объекта и направлен точно против камеры. Чаще всего, его мощность выше, чем заполняющего и ключевого (multiplier=1,3-1,6). Тени и блики отключены.

Расположение всех трёх источников изображено на схеме.

Физически основанный рендеринг (PBR)

Физически основанный рендеринг (PBR) - это метод 3D-визуализации, который использует реалистичные материалы и освещение для создания точных и реалистичных изображений. PBR учитывает свойства материалов, такие как преломление, отражение и поглощение света, чтобы имитировать поведение света в реальном мире.

Реалистичное освещение при использовании Volumetric Lighting

Volumetric Lighting - это техника, которая позволяет создавать эффекты, связанные с рассеянием и поглощением света в среде, такие как световые лучи, проникающие через окно или туман. Использование объемного освещения помогает добавить глубину и атмосферу в 3D-сцену.

Схемы освещения в КОМПАС-3D

При работе в КОМПАС-3D доступно несколько схем освещения модели:

• Направление освещения - по диагонали справа налево и снизу. По сравнению со схемой Освещение одним источником модель освещена более равномерно, а ее рельеф ярче выражен.
• Модель освещается тремя источниками света с трех сторон. Схема обеспечивает равномерное освещение модели со всех сторон.
• Модель освещается тремя источниками, свет от которых направлен вдоль осей X, Y, Z. Цвет света источника соответствует цвету оси. Схема позволяет оценить форму и наклон граней.

Советы по освещению сцены в Corona Render

Если при создании освещения сцены 3d max присутствует естественные источники, то поставьте их в первую очередь, чтобы они стали ориентиром для настройки искусственного. Если вы используете Corona Sun+Corona Sky, то для настройке освещения в 3d max в большинстве случаев не нужно регулировать яркость в свойствах самих Corona Sun и Corona Sky. Постарайтесь настроить яркость с помощью Exposure.

Типичная ошибка: настраивать яркость сцены, регулируя параметр Intensity в Солнце, вместо того чтобы использовать Exposure. Почему? Давайте обратимся к реальному примеру: вы изменяете яркость солнца ради лучшего изображения на фото? Нет, вы измените чувствительность камеры или настройка произойдет автоматически. Это и есть аналог регулировки Exposure - пользуйтесь им.

Днем естественный свет всегда сильнее искусственного, в основном он и освещает сцену. Свет за окном освещает всю комнату. Все благодаря настройке света в Corona.

Типичная ошибка: ослабить естественный свет в Light Mix Corona почти до нуля и пытаться осветить дневную сцену искусственным, например, за счет люстры, лампы или неона.

Фон за окном должен быть светлее интерьера. Это особенно заметно, когда фон темнее оконной рамы или откосов окна. Внешнее освещение corona за окном сильно ярче, чем сам помещение.

Не используйте LUT в начале работы с освещением 3d max corona. LUT лучше добавлять в конце, когда уже настроены цвета всех источников света и материалы, иначе LUT может только запутать. Пусть LUT будет завершающей шлифовкой вашей работы.

План по освещению сцены 3d max:

1. Поставьте естественный свет.
2. Отрегулируйте яркость настройкой Exposure.
3. Расставьте искусственный свет там, где он есть в реальной жизни.
4. После всех настроек света можно настроить LUT, если он нужен.

Практические советы по созданию освещения

• Изучайте реальный мир. Создание освещения в 3D - это искусство, и чтобы профессионально овладеть им, советуем начать с наблюдения.
• Простота - залог успеха. Например, для создания 3D-сцены в дневное время на открытом воздухе хватит одного или двух источников света. В реальной жизни солнце обычно дает нам большую часть света, поэтому потолочное освещение можно использовать, чтобы имитировать игру света и тени, характерную для сцен вне помещений.
• Смотрите фильмы. Кинематографисты - мастера работы с освещением.
• Экспериментируйте со скрытым освещением. Используйте в сценах источники света, которые находятся за их пределами, чтобы сделать сцены загадочными и более естественными.

Основные ошибки

• Вы располагаете камеру слишком близко к объекту, и она в итоге находится внутри, а не снаружи. Вынесете ее за пределы модели, либо воспользуйтесь Сleaning.

Основы освещения в Blender