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Beleuchtung ist in einer Szene sehr wichtig um die Atmospäre und Stimmung darzustellen, - von heiter bis dramatisch. Es würde über den Anspruch dieses Handbuches hinausgehen zu besprechen wie man eine Stimmung erreicht - ich verweise hier mal auf die bekannten 3D und Künstlerseiten die sich ausgibeig diesem Thema widmen - so bleibt mir hier nur die verschiedenen Arten von Lichtern und Beleuchtung vorzustellen und das Experimentieren Ihnen - den Usern - zu überlassen.

Da sind zunächst 3 Arten von Lichtern in Art of Illusion: Das Punktlicht, die direktionale Lichtquelle und das Spotlicht.


4.1 Punktlichter (Point Lights)

Diese Art Lichtquelle emitiert Licht in alle Richtungen. Punktlichter werden erstellt indem man auf das Licht-Icon klickt und dann in ein Ansichtsfenster, um die Position zu bestimmen - oder über das Top Menü Objekt -> Standardform erzeugen -> Punktlicht was gleich einen Dialog aufruft in den man die Koordinaten des Punktlichtobjektes direkt eingeben kann. Skalierung hat auf Lichtobjekte keinen Einfluß.

Im Ansichtsfenster sieht das Punktlicht so aus:

Wenn das Punktlicht einmal erstellt ist kann es weiter bearbeitet werden, - entweder mit einem Doppelklick auf das Objekt, oder mit markiertem (Licht)Objekt Objekt -> Objekt bearbeiten.

Die Punktlicht Dialogbox ist rechts gezeigtThe point light dialogue box is shown on the right:

Auf die Farbe (Color) Box klicken öffnet den Farbdialog um die Lichtfarbe zu bestimmen - entweder über Helligkeit/Sättigung/Wert (HSV) oder RGB Farbwerte als auch HLS. Die Farbdialogbox merkt sich die letztgewählten Farben zur schnelleren Auswahl.

Die Intensität (Intensity), I0, des Lichts bestimmt einfach wie hell es ist. Grundsätzlich ist dieser Wert mit 1 gesetzt. Die Intensität dieses Lichtes in jedem Punkt des Raumes, I(r), ist eine Funktion von Abklingrate (decay) , d, und dem Abstand zur Lichtquelle, r, wie folgt:

I(r)= I0/(1+dr+(dr)2)

Nah an der Lichtquelle (r<<1/d) ist die Lichtstärke nahezu konstant. Weiter weg von der Lichtquelle (r>>1/d), folgt es dem umgedreht quadratischen Gesetzen (d.h. Abklingrate 1/r^2) wie im Plot unten dargestellt:
Die Intensität einer Lichtquelle kann auch negativ sein. In diesem Falle wird es eine Quelle der Dunkelheit - obgleich das physikalisch unrealistisch ist kann man diesen Effekt sinnvoll nutzen - so z.B. um GI Schatten zu "faken" und so zügiger zu rendern.

Die Abklingrate (Decay Rate) bestimmt den Helligkeitsabfall des Lichts per Abstandseinheit. Ein hoher Wert bedeutet das das Licht nur nahe an der Quelle sehr hell ist aber dann schnell abfällt, umgekehrt wird das Licht bei einer niedrigen Abklingrate nur langsam dunkler. Ein Wert von Null bedeutet das die Helligkeit nicht abnimmt - also konstant bleibt (dieselbe Helligkeit überall).

Der Radius bestimmt die physikalische Größe des Lichts. Das hat nur dann einen Effekt wenn Soft Shadows im Raytracer angeschaltet werden. Die Vergrößerung des Duchmessers des Lichtes bewirkt - zusammen mit der Option im Raytracer Dialog - weichere Schattenränder.

Die Umgebungs- (Ambient) Checkbox bestimmt ob das Licht Schatten wirf oder nicht. Mit Ambient angeschaltet wird kein Schatten geworfen. Das kann z.B. dann sinnvoll sein wenn man Bereiche "künstlich" besser ausleuchten muß, ohne Schatten zu produzieren.

Die Art des Lichtes kann jetzt  Ambient, Shadowless oder Normal sein.  Normal bedeutet das das Licht sich realistisch verhält, Ambient (Umgebung) bedeutet, das Licht kommt aus allen Richtungen und beleuchtet alle Oberflächen eines Köpers, Shadowlessbedeutet das das Licht Oberflächen beleuchtet, aber eben keine Schatten wirft. Das Bild hier unten zeigt die Unterschiede dieser Einstellungen jeweils bei gleichbleibender Lichtintensität und Abklingrate:




4.2 Direktionale Lichtquellen (Directional Lights)

Direktionale Lichtquellen sind unendlich weite Strahlen von parallelem Licht, d.h. das von ihnen abgegebene Licht geht nur in eine Richtung. Die Richtung hängt von der Ausrichtung des dargestellten Lichtes in AoI. Es ist wichtig zu wissen das das Licht nicht erst bei der Lampendarstellung abgestrahlt wird sondern unendlich davor - das Darstellungicon ist also nur geeignet die Richtung des unendlichen Strahls zu bestimmen. Das ist unten nochmal dargestellt.
Direktionale Lichtquellen sind gut zu gebrauchen, um weit entfernte Lichtquellen wie z.B. die Sonne darzustellen. Das Licht der Sonne ist nahezu parallel, weil der Winkel den es braucht die Erde zu beleuchten von der Sonne aus gesehen sehr klein ist. Genauso wird die Intensität mit der Entfernung für uns nur unmerklich geringer, da der Weg des Lichtes von der Sonne zur Erde verglichen mit dem Erddurchmesser viel größer ist.

Um ein direktionales Licht zu erstellen klicken Sie einfach auf das Licht Icon, dann in ein Ansichtfenster klicken und gleichzeitig ziehen um die Richtung zu bestimmen - wenn Sie nicht drücken und ziehen erstellen Sie ein Punktlicht... Man kann auch über Objekt -> Gundform erstellen -> Direktionales Light ein solches erzeugen - einfach Position und Orientierung in das Dialogfeld eingeben.

Direktionale Lichtquellen werden mit einem Symbol dargestellt das die Richtung des Lichts darstellt, um eine Hilfe für die Positionierung zu geben:


Aufgrund der Einfachheit dieses Lichttyps ist der Bearbeiten Dialog, der mit einem Doppelklick auf das Objekt, oder über Objekt -> Objekt bearbeiten nur mit 2 Parametern versehen die bearbeitet oder geändert werden können:

Farbe (Color) - ermöglicht die Farber des ausgestrahlten Lichts mit den bekannten Farbspezifikationsmöglichkeiten (HSV/RGB/HLS) zu bestimmen.

Intensity - hier wird die Helligkeit (Intensität) festgelegt. Dieser Wert ist beim direktionalen Licht unabhängig von Position und Entfernung.

4.3 Spot Lichtquelle (SpotLights)

Spot Lichtquellen produzieren einen Lichtkegel. Sie werden erstellt mit Objekt -> Grundform erstellen -> Spot Lichtquelle - danach werden Position und AUsrichtung bestimmt.
Spot Lichtquellen sehen im Ansichtsfenster so aus:

Das zeigt die Ausrichtung des Lichtkegels deutlich.


Einmal erstellt können Spot Lichter per Doppelklick oder via Objektliste und natürlich über das Topmenü Objekt -> Objekt bearbeiten - folgender Dialog ist dann in jedem Fall zu sehen:

Kegelwinkel (Cone angle) ist die Winkelweite des Lichtstrahls. Ein kleiner Wert erzeugt einen schmalen Lichtkegel.

(radiale) Abfallrate (Falloff rate) bestimmt die Abfallrate des Lichtkegels im Radius - so kann man Lichtflecken mit weichen Kanten erzeugen.  Ein Wert von o bedeutet keinen "Falloff" und somit harte hell-dunkel Kanten. Das Vorschaubold im Dialog zeigt die Auswirkung auf dem Lichtkegel direkt an.

Radius ist die physikalische Größe des Lichtes und beeinflußt ausschließlich die Option "Weiche Schatten" in den Render- optionen (siehe Rendering).

Intensität und Abfallrate (Decay Rate) sind genauso wie bei Punkt Lichtquellen zu verstehen.

Die untenstehenden Beispiele zeigen die Auswirkungen von Variationen des Kegelwinkels und (radialen) Falloffs (Abfallrate):


MIT SPOTLICHTERN "ZIELEN"

Oft ist es sinnvoll mit das Spotlicht zielgenau auszurichten um bestimmte Teile der Szene zu beleuchten. Hier gibt es dazu 2 wertvolle Tips, die dabei hilfreich sind:

1. Benutzen einer "SpotCam"

Erstellen Sie ein Punktlicht via Objekt -> Grundform erstellen -> Spot Lichtquelle und akzeptieren Sie die Standardwerte. Jetzt erstellen Sie eine kamera dazu und akzeptieren ebenfalls die Standardwerte. Beide haben jetzt dieselbe Position und Ausrichtung. Machen Sie die Kamera zum Child-Objekt (schieben sie die Kamera in der Objektliste auf das Spotlicht) (siehe hier für mehr Details zu dem Verfahren) - nun wird diese Kamera dem Spotlicht immer folgen. Der Trick ist jetzt folgender: Das Kamerafenster wird so eingestellt das die "Spotcam" sichtbar wird. Wohin diese dann zeigt, - dorthin zeigt auch das Spotlicht - jetzt kann man das Spotlicht bewegen und sieht das Ziel im Kamerafenster.

2. Verwendung eines "Begrenzen" (Constraint) Track

Animation tracks (Bewegungsspuren) haben auch außerhalb der reinen Animation einen Nutzen - und hier ist ein Beispiel. Mit dieser Methode haben wir die Möglichkeit das Spotlicht (oder auch eine Kamera) permanent auf ein bestimmtes Objekt zu richten - bei anderen Softwarepaketen heißt das auch "Look-at".

Erstellen Sie ganz normal ein Spotlicht. Dann auf Animation -> Zeitlinie anzeigen , das Spotlicht selektieren und auf Animation -> Spur zu markierten Objekten hinzufügen -> Begrenzen (Constraint) klicken. Jetzt das Spotlicht dort positionieren wo man es haben möchte und ein "Null" Objekt erstellen, das das Ziel für das Spotlicht darstellt. Jetzt das Null Objekt so positionieren wie es gewünscht ist. Nun wieder das Spotlicht auswählen und den Constraint (ist in der Zeitachse nicht übersetzt!) Track doppelklicken. In der aufpoppenden Dialogbox den Wert "Orientierung" auf Z-Achse setzen und die Box zur rechten "Flachen in Richtung" (sollte "faces towards" heißen) wählen und dann auf Zusammenstellung klicken und das Null Objekt (oder ein anderes Zielobjekt) auswählen. Mit OK und nochmal OK den Dialog verlassen - das Spotlicht sollte nun in Richtung des Null Objektes zeigen - falls nicht: Einfach mal in der Zeitlinie ein wenig hin- und herbewegen. Das gilt auch insbesondere wenn man das Null Objekt verschiebt - der Spot folgt nicht in Echtzeit - man muß die Zeitvorschau mal bewegen, damit der faule Hund sich bewegt ;-).


4.4 Beleuchtungseffekte

4.4.1 Realistische Lichtquellen

Wie bei den meisten 3D Paketen sind die Lichtquellen nicht für sich sichtbar im Rendering - es wird also in einem Kamerafenster, dessen Kamera auf eine Lichtquelle gerichtet ist KEIN heller Bereich sichtbar. Licht ist nur in der Interaktion mit anderen Objekten bemerkbar. Dies Verhalten ist normalerweise so in Ordnung und man muß sich kaum Gedanken darüber machen - es sei man will die Lichtquelle sehen.

Manchmal möchte man aber Lichtquellen wie im richtigen Leben haben. Um realistisches Licht zu simulieren braucht es 2 Qualitäten : (1) Das Objekt muß Licht ausstrahlen das mit der Umgebung realistisch reagiert und (2) muß das Objekt selber "glühen". Im echten Leben sind diese Eigenschaften physikalisch gegeben (Licht, Wärme, Helligkeit, Strahlung), aber im 3D Bereich ist es - wie so oft - ganz anders.

Das erste was Sie tun sollten, ist ein Objekt zu erstellen das die Lichtquelle darstellt. Das Bild zur Rechten ist ein Beispiel einer Glühbirne, welche mit Hilfe des Rotationskörper Befehls entstanden ist. Das erste Bild zeigt die Lame "ausgestellt".


Um die Lampe in eine Lichtquelle zu verwandeln, müßen wir eine Lichtquelle in sie hineinsetzen. Ein Punktlicht ist hier wahrscheinlich der beste Typ für dieses Unterfangen. Wenn die Lichtquelle in der Glühbirne ist wäre es an der Zeit diese durchsichtig zu machen, so das das Licht entkommen kann. Nur so kann es mit der Umgebung reagieren. Stellen Sie die Transparenz in der Textur ein, um dies zu erreichen.

Das Licht wird nun ausgehend von der Glühbirne scheinen, aber die Glühbirne wird deshalb nicht "glühen" und deshalb unrealistisch wirken. Um diesen Effekt darzustellen einfach dem Objekt emissive Farbe zuweisen. Also einfach die diffuse und emissive Farbe im Texturdialog einstellen - möglichst so das sie einander und der Lichtfarbe ähneln. Das untere rechte Bild zeigt das Ergebnis dieser Vorgehensweise.

Bitte beachten das 'soft shadows' im Renderdialog eingestellt sein müßen - anderenfalls können sich Artefakte dadurch ergeben das eine Lichtquelle IN einem Objekt steckt.

Ein weiteres Beispiel für realistische Beleuchtung ist rechts gezeigt. Die "Lichter" sind Zylinder mit je einem Punktlicht, die im Inneren der Zylinders plaziert wurden:


Wenn Sie mit Global Illumination (GI) rendern, gibt es eine weitere Option - den eine emissive Textur direkt als Licht zu benutzen. Mit der GI Option glühen emissive Texturen tatsächlich und geben auch Licht ab, das oft genügen kann auf die oben beschriebene Verfahrensweise zu verzichten. Siehe hier für weitere Details.


4.4.2 Dias, Schnittvorlagen (Cookies) und Kollimation


Obwohl direktionale Lichtquellen einfach gehalten sind, sind sie ideal um weitaus komplexere Lichtsituationen und Techniken darzustellen. Z. B. eine Schnittvorlage "Cucaloris" oder Cookie genannt - eine transparente Karte die im Filmgeschäft eingesetzt wird mit Löchern usw. um z.B. spezielle Schattenmuster zu erzeugen. Im unteren Beispiel wurde ein Cookie mit einem 2D Grafikprogramm erzeugt und als Bild gespeichert. Wenn dieses nun im transparenten Kanal in einer Imagemap (Siehe Texturen und Material) wie in der Szene unten, dann werden nur die Löcher ausgeleuchtet, weil nur dort das Licht passieren kann. Dieser Effekt wird z.B. in der Filmindustrie verwendet um blattbefüllte Bäume, bzw. ganze Wälder darzustellen. Die parallelen Eigenschaften der direktionalen Lichter sorgen in diesem Fall dafür das die ausgestanzten Figuren erhalten bleiben.

Perspektivische Ansicht der Cookie Szene. Das Bild auf der linken Seite zeigt das Setup, das
auf der rechten Seite das Cookie Image. Unten links ist das Ergebnis zu sehen.

2d Bild im Grafikprogramm erzeugt.

Ergebnis. Kann u.a. dazu benutzt werden Baum und Blattschatten zu werfen ect.

Das Schwarz-weiß Bild kann durch ein durchsichtiges Bild ersetzt werden - damit läßt z.B. sich eine Dia Projektion nachahmen.


Kollimation von Lichtquellen kann auch genutzt werden, um die Geometrie von Lichtquellen perfekter nachzuahmen, bzw. ihr Verhalten. Entweder durch geometrische Objekte oder den geschickten Gebrauch von Texturen. Im unteren Bild benutzt der Lampenschirm die Technik der Kollimation um das Verhalten solch einer Lampe zu simulieren.



Die Bilder hier unten wurden erstellt, indem Lichtquellen in einer Kugel positioniert wurden, der dann prozedurale Texturen zugewiesen wurden die kreisförmige transparente Flächen aufweisen. Im linken Bild wurde ein weiße Lichtquelle eingesetzt, im rechten Bild 3 Lichter mit verschiedenen Positionen und Farben (Rot, grün und blau) - alle Bilder wurden mit angeschalteten Soft Shadows gerendert.(Dazu bitte in Rendering nachschlagen).




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