3D Studio MAX Изнутри

ГЛАВА 2

Влияние цвета освещенности

На всех поверхностях сцены могут быть хорошо изготовленные материалы, но она по-прежнему выглядит неправдоподобно плоской и бледной. Это вполне возможно, поскольку поверхность — всего лишь отражение освещенности сцены. Цвет, расположение и интенсивность освещенности сцены оказывают огромное влияние на результирующие изображения. В последующих разделах обсуждается важность цвета для света. В главе 19, "Освещенность и атмосфера", рассматривается методы для размещения и интенсивности.
Между цветом источника света и уровнем освещенности существует заметная корреляция. Яркая освещенность обычно связывается с цветом синего неба и холодными цветами, а низкая освещенность — со светом свечи, костра, тусклым цветом и теплыми цветами. Не забывайте об этом при выборе цвета первичного источника света.

Влияние цвета естественного света

Цвет, который природа обеспечивает в течение дня, в основном является белым. Опыт показывает, что яркий солнечный цвет является по-настоящему белым, и естественно верить в то, что цвета объекта будут самыми истинными, если рассматривать его непосредственно под солнечным светом. На практике же цвет солнечного света изменяется в зависимости от времени, сезона и погоды.
Больше всего вы можете осознать возможности визуализации цвета солнечного света, когда его нет. Сколько раз вы ходили в магазин и были недовольны цветом материала. Свет, созданный человеком и освещающий магазин, не обеспечивает всего видимого спектра для того, чтобы правильно видеть цвет. Глаза знают об этом и пытаются скомпенсировать утраченный цвет. Можно даже поднести объект к окну или вынести его на улицу, чтобы посмотреть на него в естественном свете и убедиться в "истинном" цвете.

Солнечный свет

Солнечный свет непросто охарактеризовать количественно, поскольку он сам по себе содержит множество особенностей, тонов и оттенков. Каждое утро солнце может быть теплым серым светилом в ясный день или холодным серым светилом в пасмурный день. Ближе к вечеру солнце может создать очень теплый желтый тон, а закат солнца будет иметь цвет от ярко-красного до розовато-лилово-фиолетового. В полдень солнце может выглядеть почти белым, в то время как окружающий свет, отбрасываемый с севера, может показаться небесного цвета или иногда выглядеть просто холодным. Для вычисления всех свойств солнечного цвета никаких формул не существует. Просто необходимо наблюдать мир вокруг себя и использовать свои наблюдения для создания сцены. Научитесь пристально всматриваться в фотографию или горизонт и анализировать качество света. При анимации солнца в условиях затененной студии следует также учитывать, как цвет солнца изменяется в течение дня.

Атмосфера

Атмосфера земли может многое сделать с качеством и цветом солнечного цвета. Чем плотнее атмосфера, тем больше влияния она оказывает на цвет. Поэтому восходы и закаты солнца кажутся нам такими захватывающими. Когда солнце в полдень находится прямо над головой, оно проникает через самые тонкие слои атмосферы и имеет наиболее белый цвет. Кроме того, свойства солнечного света изменяются в зависимости от долготы и времени года. Солнце стоит прямо над головой на экваторе, низко в небе над полюсами, высоко летом и низко зимой. Солнечный свет в экваториальной пустыне является самым белым светом из всех падающих на землю.
Атмосфера может усиливать эффект солнца и луны, когда они приближаются к горизонту. Предметы в это время визуально увеличиваются вместе с увеличением влияния их цвета. Необходимо учитывать состояние атмосферы, поскольку она также влияет на качество света. Промышленное, загрязненное небо создает теплый коричневый свет, а насыщенный влагой туман, дождь или снег создают холодный свет. Хмурое небо вызывает большее отражение света и последний выглядит значительно серее.

Свет во внешнем пространстве

Если посмотреть на сцену, у которой нет атмосферы, на ней нет фильтрации света, и очень мало, если вообще есть, отраженного или окружающего света для освещения других частей окружающей обстановки. Сцены на луне и в космосе освещены очень белым светом, на них практически нет окружающего света и поэтому они имеют очень четкие контуры, что характерно для фотографий NASA. Видимыми являются только области объекта, которые непосредственно обращены к солнцу. Остальная часть объекта является черной подобно окружающему вакууму. Тусклый контур новой луны — это все, что можно увидеть под окружающим светом космоса.

Лунный свет

Лунный свет является другим естественным источником света, освещающим мир. Большинство из нас стремится думать о нем, как о "свете" на основе желтого, но это не так просто. Луна просто отражает свет от солнца. Точно так же, как солнечный цвет фильтруется, проходя через атмосферу, то же самое происходит с лунным светом. При движении по ночному небу луна, подобно солнцу, изменяет свой цвет. Лунный свет имеет характерный желтый цвет, когда луна находится низко на небесах, и белеет по мере ее подъема. Из-за того, что луна является слабым источником света, освещенность от нее низкая, и количество света, отраженного от поверхностей, минимально. Количество света на сцене, которая изображает лунный свет, должно быть очень малым и иметь сильное цветовое смещение к цвету, дополняющему лунный цвет.

Влияние цвета искусственного света

Многие из вас проводят большую часть времени дома в условиях искусственного освещения. Для корректной визуализации и анимации внутренних сцен следует понимать, что представляют собой различные цвета искусственного света и как их воспринимает ваш глаз. Для этого в индустрии освещенности существует множество терминов, и в настоящей книге сделана попытка правильно применить стандартную терминологию. При описании освещенности в реальном мире лампа является источником света (который чаще называется "колбой"); каркас или отражатель является корпусом для лампы; свет — это энергия от источника света до того, как он попадает на поверхность; освещенность — это свет, отражающийся от поверхностей. Таким образом, в понятие освещенности входит лампа, которая излучает свет и освещает сцену. В SDS MAX объект света, эквивалентный лампе и внешнему ее окружению, является совершенно произвольным понятием, поэтому уместно сказать, что точечный источник света освещает сцену тепло окрашенным светом.

Температура лампы

Человек создал многие формы света. Их цветовые характеристики часто описываются в терминах температуры Кельвина (не смешивайте это с теплыми и холодными цветами). Этот термин аналогичен куску металла, который нагревается, — сначала он становится глубоко красным, переходит в ярко-красный цвет, затем становится оранжевым, желтым и проходит весь спектр цветов, пока не станет "горячим добела". В качестве сравнения - температура восходящего солнца составляет около 2000 градусов по Кельвину, полуденное солнце разогревается до 5000 градусов, хмурое небо — до 7000 градусов, а синие небеса имеют температуру до 10000 градусов.
В этой книге не рассматривается специфика температуры каждого источника цвета. Они представлены здесь, в основном, как инструменты для сравнения и как часть второстепенной информации для читателей, незнакомых с этим предметом.
Температура по Кельвину в какой-то степени эквивалентна оттенку и насыщению цвета, в то время как яркость и интенсивность света являются подлинной функцией значения цвета в свете. Характеристикам окружения света, которые должны быть такими же, как и свет на сцене, можно придать различную интенсивность, но они должны быть близкими по оттенку и насыщению. В этом случае значение цвета света действует очень похоже на "переключатель ближнего света".

Лампы накаливания

Самой старой и наиболее широко используемой искусственной лампой следует считать лампу накаливания. Эти лампы являются точечными источниками света и их интенсивность ограничивается только приложенной мощностью. Цвет, отбрасываемый от лампы накаливания, является теплым, имеет в своей основе оранжевый цвет и температуру, близкую к температуре восходящего солнца. Мощность ламп накаливания можно регулировать при помощи реостатов и при низком уровне мощности они кажутся совершенно оранжевыми. Галогенные лампы также являются лампами накаливания, но имеют более высокую температуру. Они обеспечивают существенное увеличение освещенности и излучают более белый, но теплый свет. Когда галогенные лампы тускнеют, они также становятся оранжевыми.

Флюоресцентные лампы

Флюоресцентные лампы по сравнению с лампами накаливания излучают более белый цвет на основе сине-зеленого цвета. Более высокая температура галогенных ламп, вероятно, не будет иметь преимущества, если нельзя указать цвет, который должен быть в магазине. Несмотря на то, что эти лампы кажутся "белее", их свет вызывает исчезновение многих других дополняющих цветов красного, оранжевого и телесного тонов. Сила цвета флюоресцентной лампы определяет его фиксированное количество. Хотя Флюоресцентные лампы являются линейными источниками света, в большинстве случаев они группируются вместе и разворачиваются по отношению друг к другу для создания достаточных уровней освещенности. При ежедневном использовании они действуют скорее как точечный источник, нежели линейный. Это наблюдение является важным в плане того, что 3DS МАХ не поддерживает истинных линейных источников света.

Влияние цветных ламп

Некоторые лампы искусственного цвета хуже воспроизводят цвет по сравнению с флюоресцентными. Лампы на основе натрия чаще используются в качестве светильников на улицах и промышленных предприятиях. Эти лампы в некоторых случаях являются самыми яркими и наиболее экономичными по потреблению, но они излучают очень насыщенный оранжево-желтый свет. К лампам самого старого типа относятся ртутные, но они по-прежнему используются для освещения улиц и излучают синевато-зеленый цвет.
Каркасы ламп иногда добавляют цвет к своим лампам. Лампы накаливания имеют широкий диапазон покрытий с оттенком, и для создания любого вообразимого цвета к ним можно добавить линзы с полупрозрачным цветовым покрытием. Огни останова являются примером цветных линз, которые можно видеть ежедневно. Точечные и направленные источники света 3DS МАХ воспроизводят эффекты цветных линз, когда они отбрасывают тени от трассировки лучей, а для линз используется материал с непрозрачностью Filter для соответствующего цвета.
Наиболее впечатляющими цветными огнями, наблюдаемыми ежедневно, являются неоновые огни. Они излучают очень насыщенные цвета и могут осветить сцену исключительно своеобразно. Воссоздание подобных эффектов в 3DS МАХ может потребовать большого искусства, но ради этого стоит потрудиться. Эффекты создания неоновых цветов более глубоко рассматриваются в главе 19.
Хотя качество цвета искусственных ламп изменяется в больших пределах, следует усвоить, что это изменение не всегда приемлемо. Изготовители аппаратуры для освещения прилагают максимум усилий, чтобы их светильники излучали свет, максимально приближенный к белому. Понимание того, как искусственный свет влияет на общее качество сцены, является важным при анализе окружающего мира. Как для художника и аниматора перед вами стоит задача отразить настроения, а не в совершенстве смоделировать условия освещенности.

Использование цветного света

Вы прочитали об искусственном свете, однако наиболее вероятно, что вам не понадобится его использовать в большинстве случаев. Главная задача в 3DS МАХ заключается в создании правдоподобной сцены, художественного выражения или просто приятного изображения. Способ, в соответствие с которым производится манипуляция светом, целиком зависит от вас. При этом, наверное, лучше всего использовать информацию о конкретных лампах в качестве подсказки при анализе окружающего мира.
То, что вы видите в своем мире 3DS МАХ, зависит от способов его освещения — то, что вы видите, полностью зависит от цвета источника света и его расположения. Цвета, которые выбираются для источников света, оказывают потрясающее влияние на настроение сцены и изображение объектов. При освещении всей сцены следует осторожно использовать сильно насыщенный цвет, поскольку он может полностью исказить восприятие вашего мира. При воспроизведении характеристик желто-оранжевых натриевых ламп голубовато-фиолетовые объекты не освещаются и кажутся белыми объектами, подобными оранжевым. Примером этого является поиск ярко-синего автомобиля на стоянке, освещенной такими же огнями. Из-за того, что в оранжевом свете голубой не отражается, автомобиль кажется чисто черным.
Повторное создание чистых искусственных источников света может сделать вашу сцену стерильной и лишенной цветов. Может быть, это именно то, что необходимо получить, если вы демонстрируете эффекты различного выбора освещенности. Однако в большинстве случаев сцена должна быть живой при большом количестве цвета.
 

ПРИМЕЧАНИЕ

Интенсивно окрашенный цвет при правильном использовании может создать на сцене фантастические эффекты. Если посмотреть на освещение театра со сцены, вы не увидите белого цвета — почти все будет покрыто вибрирующим цветным светом. В театрах обычно используются чисто красный, синий, зеленый, желтый, фуксиновый или зеленоватый цвет в различных комбинациях. Эти чистые цвета света смешиваются на сцене, придавая некоторым областям и многим теням больше насыщенности и резонанса, нежели можно достигнуть посредствам белого освещения. Цветной свет может создать поразительные эффекты, если он используется для совершенно белых объектов, а также для монохроматических сцен. Белые поверхности отражают весь спектр света и отображают смешение оттенков и интенсивности различного падающего на них света.

Дополняющие цвета в свете

Если вы находитесь в среде, освещенной окрашенным светом, ваши глаза адаптируются к этой среде и становятся очень чувствительными к дополняющему цвету источника света — цвету, который необходим для восстановления белого света. Это явление называется цветовым постоянством и оказывает влияние на размещение дополняющего цвета в неосвещенных или затененных областях человеческого глаза. Наиболее общеизвестным примером подобного явления является фиолетово-синие тени, которые появляются на сцене, освещенной желто-оранжевым светом лампы накаливания. Чем больше становится цветовая интенсивность источника света, тем больше воспринимается сдвиг в тенях.
Художники, оформители сцены и дизайнеры сценического набора знают этот эффект и максимизируют воспринимаемую глубину теней с помощью цвета, который сдвигается по направлению к дополняющему цвету света. Проанализируйте сцену театра перед огнями дома и вы, вероятно, обнаружите избыток фиолетового цвета и глубокий синий цвет в большинстве окрашенных теней. Большинство светлых цветов независимо от того, являются ли они естественными или искусственными, имеют, по крайней мере, небольшой желто-оранжевый оттенок, который создает дополняющие цвета от фиолетового до глубокого синего. Из-за того, что это ближе к восприятию света человеком, нежели восприятие настоящего пигмента, "помощь" 3DS МАХ делает небольшое смещение цвета важным потому, что наблюдатели смотрят на изображение, а не участвуют в сцене.
В 3DS МАХ для моделирования общего количества накопленного отраженного цвета, присутствующего на сцене, используется Ambient Light (фоновый свет), расположенный в диалоге Environment. При этом вложение цвета происходит во все объекты однородно, независимо от дополнительных источников света, и является светом, который присутствует в неосвещенных объектах и тенях. Для создания реальности сдвиг цвета в окружающем свете в сторону дополняющего к основному свету создает эффект цветового постоянства и углубляет, делает более богатыми темные очертания и тени на сцене.

Отраженный свет и поглощаемость

Попадающий на объект свет поглощается или отражается. Красные объекты поглощают зеленый и синий цвет, отражая обратно красный цвет. Поэтому такие объекты воспринимаются как "красные". Кроме того, что отраженный цвет попадает в глаза, он воздействует на соседние объекты отраженным или отскочившим светом. Расположение матового красного объекта возле матовой белой стены и освещение сцены белым источником цвета создает красный оттенок на областях "белой" стены. Говорят, что стена унаследовала отбитый цвет. Более наглядным примером является помещение, освещенное потайными источниками света. Комната полностью освещается сверху, однако детали и цвет потолка можно различить. Это происходит в связи с тем, что потолок освещается светом, отраженным от пола, стен и мебели. Подобный эффект отскочившего, унаследованного и отраженного света в компьютерной графике известен как отражаемость и он получается только в специально предназначенных для такого типа моделирования визуализаторах. Визуализация путем трассировки лучей отслеживает лучи от источника до поверхности, непрерывно отражающиеся от поверхностей и попадающие на другие поверхности до тех пор, пока они больше не находятся в пределах сцены.
Хотя визуализатор 3DS МАХ использует метод трассировки лучей для вычисления теней, он является визуализатором сканирования линий (как знаменитый визуализатор RenderMan в Pixar). Традиционный способ трассировки лучей используется для расчета отражений от блестящих зеркальных поверхностей. Полные визуализаторы с трассировкой лучей отслеживают векторы от точки обзора до каждой поверхности. Если поверхность зеркальная, отражается дополнительный луч, чтобы уловить то, что является видимым в отражении. Если на пути луча находится еще одна блестящая поверхность, он отражается снова и так до тех пор, пока луч не оттолкнется от сцены или не попадет на неблестящую поверхность. Именно так моделируются типовые рекурсивные отражения трассируемых лучей и это является причиной того, почему визуализация трассируемых лучей происходит настоль медленно.
Визуализаторы отражаемости отличаются от визуализаторов с трассировкой лучей в том, что они вычисляют диффузионные, а не зеркальные отражения. Энергия света от каждого источника света прослеживается до самой поверхности, вычисляется поглощение и затем отражение оставшейся энергии на другие поверхности на сцене. Эта энергия отталкивается пропорционально диффузионному цвету поверхности, а не в связи с ее блеском или зеркальностью. При этом отражаемость визуализирует эффект отраженного света, а не его зеркальные отражения. Освещенность является совершенной, но все на сцене кажется плоским.
Эффекты визуализации отражаемости являются ошеломляющими, однако время вычислений и компьютерное время очень велики. В то время, как визуализация с трассировкой лучей занимает время на порядок больше визуализации со сканированием линий, отражаемость еще больше усложняет уравнение. Это происходит ввиду того, что отражения при трассировке лучей можно видеть только с одной точки просмотра, и отраженные лучи, в конце концов, находят выход, в то время как лучи отраженной энергии в модели отражаемости отскакивают в пределах сцены и всегда постоянно слабеют. Визуализации отражаемости являются временными решениями, поскольку в определенный момент они прекращаются для создания заданного изображения. Визуализации отражаемости, которые демонстрируют зеркальные отражения, на самом деле являются комбинацией — отражаемость объединяется с отражениями визуализации с трассировкой лучей.
Хотя 3DS МАХ обеспечивает несколько методов для изолирования или приближения трассируемых лучей . с использованием технологии теней и карт отражения, эффекты отражаемости непосредственно в нее не встроены. Это не означает, что вам следует отбрасывать или отказываться от этого эффекта потому, что с помощью тщательного размещения источников света и определения материалов в пределах 3DS МАХ можно смоделировать множество таких эффектов. Отражаемость является осязаемым явлением реального мира, и если вашей целью является фотореализм, следует затратить определенные усилия на аппроксимацию этих эффектов. Это особенно важно, если конечным продуктом должно быть неподвижное изображение, на котором можно задержать глаз для оценки сцены. Более подробная информация об отражаемости приводится в главе 19.