Iluminación: Sombreados, parte 1 (tipos y parámetros base)

En el mundo real, la iluminación afecta nuestras vidas desde ángulos muy variados: permite distinguir siluetas y formas, afecta nuestros estados de ánimo (por ejemplo, las luces de una discoteca), nos alerta sobre peligros u otras indicaciones (semáforo, sirenas, etc.), nos entretiene, etc. Existen muchas fuentes de luz natural y artificial que nos generan muchas variables de iluminación. Intentar emular esas variables en un espacio 3D es el objetivo de las herramientas de iluminación en 3DSMAX. El programa basa a su representación de la iluminación en el ángulo que inciden los rayos en las caras de los objetos. Si este ángulo es perpendicular la iluminación es máxima, en ángulos menores esta irá decreciendo hasta desaparecer cuando los rayos queden tangentes a la superficie. En este apunte continuaremos con la iluminación artificial pero en este caso, veremos los tipos de sombreados de las luces Standard y sus parámetros de configuración más importantes. Estos también son válidos para sistemas como Daylight o similares.

Este apunte utiliza un archivo de base, el cual puede ser descargado desde el siguiente vínculo (en formato MAX 2021):

En este archivo base se muestran diversos objetos con distintos materiales aplicados y una luz de tipo directa, junto a su cámara respectiva. La idea es que en este archivo base aplicaremos los tipos de sombreado y probaremos los diferentes parámetros de estos, además de ejecutar renderizado en Scanline Renderer y en Mental Ray, si este último está instalado.

Tipos de sombreado

Algo importante que debemos mencionar respecto a las sombras, es que todas las luces Standard a excepción de Skylight comparten parámetros comunes de sombreado, los cuales se encuentran en la configuración general de cada luz en el cuadro llamado Shadows:

Estos parámetros son los siguientes:

  • Shadows On/Off: en este caso habilitamos o deshabilitamos la proyección de sombra, y además podremos elegir el tipo de esta. Si desmarcamos la casilla Use Global Settings, habilitamos la sombra de tipo Shadow Map. Por defecto la casilla está activada y por ello, por defecto se carga el tipo de sombreado llamado Ray Traced Shadow.

Render realizado con Sombra (Shadow) desactivada.

Los tipos de sombra que podemos elegir en esta persiana son los siguientes:

  1. Shadow Map: Es el sistema más sencillo de utilizar pero a su vez su sombreado es el menos configurable de todos, y su resultado no es del todo realista ya que no respeta las transparencias de los materiales pero tiene la ventaja de ser relativamente rápida de calcular en el renderizado.

  1. Area Shadows: es el que genera las sombras más precisas y configurables, pero es también la más demorosa en cuanto a renderizado.

  1. Ray Traced Shadows: un sistema muy utilizado pues podemos configurar sombreados precisos y realistas ya que, a diferencia de Shadow Map, sí respeta la transparencia de los materiales, aunque se debe configurar para generar sombras difusas.

  1. Advanced Ray Traced Shadows: Las sombras de Raytrace avanzado son similares a las sombras de Raytrace. No obstante, ofrecen más opciones de control sobre el comportamiento de las sombras además de tener parámetros en común con Area Shadows.

  1. Mental Ray Shadow Map: Similar a Shadow Map pero este tipo de sombreado es exclusivo del motor de render Mental Ray. Si no tenemos instalado este motor de render, esta opción no aparecerá.

Técnicas de sombreado base

En 3DSMAX existen dos populares técnicas para el cálculo de sombras: la primera es mediante el método llamado Raytraced Shadows y la segunda es mediante Depth-Mapped Shadow o  simplemente Shadow Map. Un “mapa de sombras” o Shadow Map es una imagen que se compone en una fase previa al render de la escena, y su principal característica es que puede generar sombras con bordes suavizados. Otra ventaja que tiene es que para calcularla, el programa requiere de relativamente pocos recursos lo que implica un menor tiempo de renderizado. Su principal desventaja es que no puede reconocer los distintos grados de opacidad ni puede reflejar los colores proyectados por los objetos de tipo semitransparente.

En la imagen vemos claramente como Shadow Map no respeta la transparencia de la tetera y gracias al mapa, tiende a oscurecerla.

Raytraced Shadow traza el recorrido de un rayo de luz desde la fuente de iluminación para iluminar cada punto de un objeto. Este tipo de cálculo es bastante preciso al determinar si algún objeto bloquea parte de la luz para crear las sombras. Su principal ventaja es que reconoce los distintos grados de opacidad de los objetos y materiales traslúcidos pero a la vez, su principal desventaja es que es más lenta de calcular que Shadow Map y que siempre generan sombreados de bordes duros, lo cual no es muy realista.

En la imagen vemos claramente como Raytraced Shadow respeta la transparencia de la tetera pero a su vez, los bordes de la sombra son duros.

El tipo de sombra dependerá de la escena que deseemos componer y si queremos algo realista o no, ya que por ejemplo en Arquitectura o en renders de tipo realistas podemos utilizar sombras de tipo Raytrace Shadow (o las propias que vengan en los motores de render), mientras que algo más destinado a la animación o que no sea muy realista requerirá sombreado de tipo Shadow Map.

Parámetros de sombreado o Shadows Parameters

Todas las luces Standard y de tipo Fotométrico comparten parámetros comunes de sombreado, los cuales se encuentran en la persiana llamada Shadows Parameters la cual se ubica dentro de los parámetros de edición general de las luces:

Estos parámetros son los siguientes:

  • Color: por defecto es el color negro, y nos permite definir el color de la sombra el cual afecta a todos los objetos que la reciben y que por ello, sean afectados por el emisor de luz. En el caso de los objetos transparentes y tipo de sombreado que respete la transparencia, la sombra se mezclará con el color base del objeto generando el color respectivo.

Configuración y render, realizado con sombras de color azul.

Render anterior pero esta vez es realizado con sombras de color amarillo.

  • Densidad (Dens.): por defecto posee el valor 1, y nos permite definir el nivel de oscuridad y/o claridad de la sombra. Mientras más bajo sea el valor de la densidad (menores a 1 y negativos) la sombra será más clara, y viceversa.

Render realizado con Dens. en valor 0,1.

Render realizado con Dens. en valor 0,5.

Render realizado con Dens. en valor 5 y tomando como color base el rojo.

  • Map: esta opción nos permite seleccionar una imagen (Bitmap), un mapa o video y proyectarlos como sombra. En este caso, podremos cargar la imagen Bitmap o el mapa desde la ventana Material/Map browser.

Configuración de mapa y Render realizado con el mapa llamado Wood.

  • Lights Affects Shadow Color: nos indica que la luz afecta el color de la sombra, combinando el color de la luz con el de la sombra. Si lo desactivamos, nos muestra la combinación y si lo activamos, nos muestra el color de la sombra. Esto es particularmente notorio en elementos con transparencia.

El render anterior realizado con Lights Affects shadow Color activado.

  • Atmosphere shadows: esta interesante función nos permite que efectos atmosféricos agregados a nuestra escena (como la niebla o neblina) puedan proyectar sombra. Por esto mismo, es que esta opción funciona especialmente con el efecto llamado Volume Fog, el cual nos permite insertar neblina en la escena. Este último lo podemos insertar de forma fácil desde el cuadro Environment and Effects, luego yendo a la persiana llamada Atmosphere y finalmente añadiendo el efecto mediante el botón Add:

Los parámetros de Volume Fog se configuran de manera similar a como lo hacemos con Volume Light y por ello no los estudiaremos. En este caso, solamente configuramos Density en 8 y realizaremos un render para ver la escena:

Render con el efecto volume Fog aplicado.

Si activamos la casilla Atmosphere Shadows, el resultado del render es el siguiente:

Como vemos, al activar esta opción generamos sombra que se genera desde la neblina. Podemos modificar los parámetros de las sombras manipulando los valores de Color Amount (Cantidad de color) y Opacity (transparencia), hasta un máximo de 100 (valor por defecto).

Render realizado con los valores de Color Amount en 10 y Opacity en 50.

Puede ir a la segunda parte de este apunte mediante este enlace.

Bibliografía utilizada:

– Tutorial Luces y Sombras del profesor Sebastián Huenchual H., Carrera Animación Digital 3D, Instituto DGM.

– 3DSMAX User Guide reference.

– Manuales USERS 3DSMAX por Daniel Venditti. Ediciones MP, Buenos Aires, Argentina.

– Base de conocimientos de Autodesk: https://knowledge.autodesk.com/

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