3DSMAX Iluminación: Luces Fotométricas

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 esta tercera parte del tutorial de iluminación veremos las luces de tipo fotométrico y sus propiedades más importantes.

Para desarrollar los temas de este apunte, puede descargar el archivo base realizando clic en el siguiente enlace: descargar archivo base.

Definición de iluminación fotométrica y unidades

Las luces fotométricas son tipos de luces que utilizan valores fotométricos (energía de luz) que permiten definir las luces con más precisión, igual que si fuesen reales. En ellas podemos definir la distribución, intensidad, temperatura de color y otras características propias de las luces reales. También se pueden importar archivos fotométricos específicos de fabricantes de luces para diseñar la iluminación de acuerdo con las luces disponibles en el mercado. Estos archivos poseen extensión IES. A diferencia de las luces standard, las luces fotométricas utilizan valores reales de iluminación y por ende, podemos asignar valores en las unidades propias de Fotometría Internacional: Candelas, Luminancias o lumen y Luxes.

– Candela (símbolo cd): es la unidad básica del Sistema Internacional de intensidad luminosa. Es decir, la energía emitida por una fuente de luz en una dirección particular, ponderado por la función de luminosidad. Se denomina “candela” ya que se basa en la luz emitida por una vela común, la cual tiene una intensidad lumínica de aproximadamente una candela. Si las emisiones en algunas direcciones son bloqueadas por alguna una barrera opaca, la emisión todavía sería de aproximadamente una candela en las direcciones que no están oscurecidas.

Fuentes de iluminación típicas y sus equivalencias en candelas

Fuente de iluminación	Luminosidad aproximada en candelas (cd)
Vela	1 cd
Bujía	1 cd
Candela de cera	1 cd
Led poco luminoso	decenas de milicandelas
SMD (Led de potencia)	90 cd x sr
Ampolleta de 40 W	40 cd
Ampolleta de 100 W	130 cd
Lámpara fluorescente de ahorro de energía	200 cd
Proyector de alta potencia	millones de candelas

– Lumen (símbolo lm): es la unidad del Sistema Internacional de Medidas para medir el flujo luminoso y básicamente es una medida de la potencia luminosa emitida por la fuente. El flujo luminoso se diferencia del flujo radiante en que el primero contempla la sensibilidad variable del ojo humano a las diferentes longitudes de onda de la luz y el último involucra toda la radiación electromagnética emitida por la fuente sin considerar si tal radiación es visible o no.

– Lux (símbolo lx): es la unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades para la iluminancia o nivel de iluminación y equivale a un lumen/m². Se usa en la fotometría como medida de la luminancia, tomando en cuenta las diferentes longitudes de onda según la función de luminosidad, un modelo estándar de la sensibilidad a la luz del ojo humano. El lux se define como la iluminación de 1 m2  por una fuente de luz que emite un flujo luminoso de 1 lumen.

La diferencia entre el lux y el lumen consiste en que el lux toma en cuenta la superficie sobre la que el flujo luminoso se distribuye. Por ejemplo, 1.000 lúmenes concentrados sobre un metro cuadrado iluminan esa superficie con 1.000 lux. sin embargo, los mismos mil lúmenes distribuidos sobre 10 metros cuadrados, producen una luminancia de sólo 100 lux. Si aplicamos esto en un ejemplo práctico, una iluminancia de 500 lux nos bastaría para iluminar una cocina con un simple tubo fluorescente. Pero si quisiéramos iluminar una fábrica al mismo nivel, se pueden requerir decenas de tubos. En otras palabras, iluminar un área mayor al mismo nivel de lux requiere un número mayor de lúmenes.

Podemos apreciar mejor esta diferencia en el siguiente esquema:

Diferencia entre Lumen y Lux, en 1 m² de superficie.

Una vez conocidas las unidades propias del sistema de Fotometría Internacional y sus diferencias, podemos comenzar a experimentar con nuestras luces de tipo fotométrico en 3DSMAX.

Luces fotométricas en 3DSMAX

Al igual que en el caso de las luces Standard en 3DSMAX, las luces fotométricas comparten parámetros similares a estas como por ejemplo la atenuación lejana o el tipo de sombreado. Sin embargo, las luces fotométricas no poseen atenuación cercana ya que en la realidad tampoco esta existe y por ello, solamente posee atenuación lejana la cual se configura de la misma forma que en el caso de las luces Standard. Otro aspecto que las diferencia de estas es que en este tipo de iluminación solamente tendremos una “única” luz, la cual se divide en Target Light y Free Light. En el caso de Target Light, esta posee un objetivo que funciona de igual forma que en la iluminación de tipo Standard.

En el caso de la luz fotométrica llamada Sun Positioner, este tipo de iluminación es propio del motor de render ART Render y nos permitirá insertarlo como sistema de iluminación natural en la escena, de forma similar a Daylight de Scanline Renderer. Debido a que las luces fotométricas son básicamente un solo tipo de luz general, podemos obtener distintos tipos de iluminación configurando precisamente el tipo de distribución de la luz mediante el menú desplegable llamado Light Distribution, el cual se ubica dentro de General Parameters.

Light distribution nos especifica el tipo de distribución de la luz en la superficie o espacio en el cual aplicamos la iluminación, y tenemos 4 tipos que son:

1) Photometric Web (red fotométrica).
2) Spotlight (luz de cono).
3) Uniform Diffuse (uniforme difusa).
4) Uniform Spherical (uniforme esférica).

Todos los tipos de distribución pueden verse en la imagen siguiente:

Tipos de distribución de luz fotométrica. En el tipo Photometric Web (1) se ha cargado un archivo de tipo IES, donde notamos que la forma de la lámpara cambia.

Podemos apreciar el efecto de cada tipo de iluminación de un espacio cerrado en las imágenes siguientes:

Luz aplicada con distribución tipo Photometric Web, con un archivo IES cargado.

Luz aplicada con distribución tipo Spotlight.

Luz aplicada con distribución tipo Uniform Diffuse.

Luz aplicada con distribución tipo Uniform Spherical.

Parámetros de las luces fotométricas

General Parameters

– Light Properties/Shadow: se configuran de igual forma que en el caso de las luces Standard ya que en Light Properties podremos activar la luz o no (casilla On) y hacer lo mismo con el target (casilla Targeted). En el caso de las sombras, estas son del mismo tipo que Standard y por ello, se configuran de igual manera. Como curiosidad, si trabajamos en el motor Scanline Renderer podremos excluir elementos de la iluminación o del arrojo de sombras mediante la opción Exclude, a pesar que por definición las luces fotométricas son realistas. Si lo renderizamos mediante ART Render, la opción Exclude no funcionará.

En el ejemplo, mediante la opción Exclude se han excluido de la iluminación y el arrojo de sombras de las teteras pequeñas. Se ha renderizado mediante Scanline Renderer.

El mismo ejemplo anterior, pero esta vez se ha renderizado mediante ART Render.

– Light Distribution: ya visto antes, especifica el tipo de distribución de la luz fotométrica. Esta puede ser de tipo Photometric Web, Spotlight, Uniform Diffusse y Uniform Spherical.

Distribution

Esta persiana sólo está disponible en el caso que elijamos Photometric Web o Spotlight, y nos permite editar los parámetros base de estos tipos de luces. Cuando elegimos el tipo de distribución llamado Photometric Web, podremos cargar archivos del fabricante de luces (usualmente de extensión IES) presionando el botón <point_street> en las versiones antiguas de 3DSMAX, o <Choose Photometric File> en las versiones modernas del programa:

Distribution sin un archivo IES cargado.

Distribution con un archivo IES cargado.

Un aspecto interesante de este tipo de distribución es que al cargar un archivo IES este nos generará la forma de la lámpara “real” en la escena, y además podremos rotarla en X, Y y/o Z especificando un ángulo en X/Y/Z Rotation, y por ello cambiando la dirección de la iluminación de la lámpara en la escena:

Rotación de lámpara en X e Y, y render de la escena.

Si elegimos Spotlight, esta persiana nos permitirá editar los parámetros de Falloff y Hotspot respectivamente. Falloff define el ángulo total del cono (y con esto la superficie a abarcar) mientras que Hotspot define el ángulo del área completamente iluminada de este. Por esto mismo, Falloff siempre será mayor que Hotspot en al menos 2 grados. Si la distancia entre Hotspot y Falloff es mayor, el área entre ambas será más difuminada mientras que una distancia menor implicará un contorno de cono más definido.

Además, podremos hacer visible el cono del Spotlight en la viewport si activamos la casilla Cone visible in viewport when unselected.

Renderizado mediante luz de tipo Spotlight, con valor de Hotspot en 100 y Falloff en 102.

Renderizado mediante luz de tipo Spotlight, con valor de Hotspot en 100 y Falloff en 150.

Intensity/Color/Attenuation

– Color: esta opción nos permite elegir el color de la luz, el cual es basado desde fuentes reales las cuales pueden ser de dos tipos: mediante Templates de color de iluminación o mediante grados Kelvin. En el caso de los Templates, estos nos permiten seleccionar diferentes colores de luces provenientes de distintos tipos de configuraciones lumínicas típicas como tubos fluorescentes, halógenos, lámparas incandescentes u otros. Estos templates son los siguientes:

Estos producen diferentes colores y efectos según el Template que seleccionemos, y por ello afectarán a toda el área o escena que iluminemos.

Renderizado mediante D65 Illuminant (Reference White), template por defecto. El tipo de distribución utilizado es Uniform Sphere.

Renderizado mediante Halogen. El tipo de distribución utilizado es Uniform Sphere.

Renderizado mediante HID Mercury. El tipo de distribución utilizado es Uniform Sphere.

La otra forma de asignar el color de la luz es utilizando los grados Kelvin que establezcamos. Los valores de Kelvin fluctúan entre 1.000 y 20.000, y establecer el valor mínimo el mínimo implicará una luz muy cálida, mientras que el valor máximo será una luz muy fría. El valor por defecto de los grados Kelvin es 3.600, el cual se considera como una luz cálida standard.

Renderizado utilizando Kelvin, con 3.600 grados (valor por defecto). El tipo de distribución utilizado es Uniform Sphere.

Renderizado utilizando Kelvin, con 1.000 grados. El tipo de distribución utilizado es Uniform Sphere.

Renderizado utilizando Kelvin, con 10.000 grados. El tipo de distribución utilizado es Uniform Sphere.

– Intensity: en este caso podremos asignar la cantidad de intensidad en las unidades lumínicas correspondientes. Las unidades de las que disponemos son Luminance (lm), Candelas (cd) y Luxes (lx at). El valor por defecto asignado es de 1.500 candelas, y varía si asignamos un archivo IES ya que al hacerlo, por defecto se asignarán las candelas correspondientes a ese archivo.

Renderizado con luz de 1.500 cd (valor por defecto). El tipo de distribución utilizado es Uniform Sphere.

Renderizado con luz de 500 cd. El tipo de distribución utilizado es Uniform Sphere.

Renderizado con luz de 100 cd. El tipo de distribución utilizado es Uniform Sphere.

Como tip general, si cargamos un archivo IES y se asignan las candelas propias de la lámpara de este, igualmente podemos variar las candelas pues no quedan como un valor fijo. Debemos tener cuidado con no elevar demasiado el valor de las candelas, pues valores muy altos quemarán la escena. En el caso que ajustemos la intensidad mediante lúmenes (lx at), podremos establecer el tamaño del volumen de iluminación mediante el parámetro que se encuentra al lado de la intensidad, el cual se medirá según la unidad en que trabajemos. Por defecto, este tendrá el valor 1 m² (1 lux).

– Attenuation: en el caso de la atenuación, solamente podremos definir la atenuación lejana o Far Attenuation ya que en la realidad no existe la atenuación cercana o Near Attenuation. Far Attenuation se configura de igual forma que en el caso de las luces standard.

Shape/Area Shadows

Mediante esta opción podremos definir la forma en la que se proyecta la luz desde el emisor lo cual afectará la manera en que se arrojen las sombras a los objetos de la escena, mediante el menú desplegable de Emit light from (shape). En esta tenemos las siguientes opciones:

– Point: proyecta una luz de tipo punto, de forma similar a una ampolleta o una bombilla. Es la opción que viene por defecto y que utiliza la mayoría de los archivos IES al ser cargados mediante Photometric Web.

Configuración y render de luz de tipo Point.

– Line: proyecta la luz en forma lineal y por ello, es ideal para simular iluminaciones de tipo tubular como por ejemplo los tubos fluorescentes. Podremos configurar su largo mediante la opción Length.

Configuración y render de luz de tipo Line.

Un aspecto interesante de esta distribución es que podremos ver la línea de la luz en el render final si activamos la casilla Light Shape Visible in Rendering:

Además de esto, podremos aumentar la granulación de las sombras en el render mediante Shadow Samples hasta un máximo de 1024 (por defecto es 32).

Render de tipo Line, con Light Shape Visible in Rendering activado.

– Rectangle: proyecta la luz en forma de rectángulo. Podremos configurar el tamaño de este mediante las opciones Length y Width. En motores como ART Render, el rectángulo emisor se mostrará como sombreado mientras que en Scanline Renderer se verá el rectángulo de luz.

Configuración y render de luz de tipo Rectangle. El renderizado se ha realizado mediante ART Render.

Render de luz de tipo Rectangle mediante Scanline Renderer y se ha aplicado el plugin Radiosity.

Un aspecto interesante de esta distribución es que podremos ver el rectángulo de la luz en el render final si activamos la casilla Light Shape Visible in Rendering:

Además de esto, podremos aumentar la granulación de las sombras en el render mediante Shadow Samples hasta un máximo de 1024 (por defecto es 32).

Render de tipo Rectangle, con Light Shape Visible in Rendering activado.

– Disc: proyecta la luz en forma de disco. Podremos configurar su radio mediante la opción Radius. En motores como ART Render, el disco emisor se mostrará como sombreado mientras que en Scanline Renderer se verá el rectángulo de luz.

Configuración y render de luz de tipo Disc. El renderizado se ha realizado mediante ART Render.

Render de luz de tipo Disc mediante Scanline Renderer y se ha aplicado el plugin Radiosity.

Un aspecto interesante de esta distribución es que podremos ver el disco de la luz en el render final si activamos la casilla Light Shape Visible in Rendering:

Además de esto, podremos aumentar la granulación de las sombras en el render mediante Shadow Samples hasta un máximo de 1024 (por defecto es 32).

Render de tipo Disc, con Light Shape Visible in Rendering activado.

– Sphere: proyecta la luz en forma de esfera. Podremos configurar su radio mediante la opción Radius.

Configuración y render de luz de tipo Sphere. El renderizado se ha realizado mediante ART Render.

Un aspecto interesante de esta distribución es que podremos ver la esfera de la luz en el render final si activamos la casilla Light Shape Visible in Rendering:

Además de esto, podremos aumentar la granulación de las sombras en el render mediante Shadow Samples hasta un máximo de 1024 (por defecto es 32).

Render de tipo Sphere, con Light Shape Visible in Rendering activado.

– Cylinder: proyecta la luz en forma de cilindro. Podremos configurar su radio mediante la opción Radius y su altura mediante Height.

Configuración y render de luz de tipo Cylinder. El renderizado se ha realizado mediante ART Render.

Un aspecto interesante de esta distribución es que podremos ver la línea de la luz en el render final si activamos la casilla Light Shape Visible in Rendering:

Render de tipo Cylinder, con Light Shape Visible in Rendering activado.

Templates

Esta interesante opción (que se encuentra al inicio de los parámetros de edición de la luz fotométrica) nos permite elegir entre varias configuraciones ya preestablecidas de luces típicas sin necesidad de recurrir a la ya clásica edición de parámetros. Con estos evidentemente nos ahorraremos configuraciones ya que al elegir cualquiera de estas. automáticamente se ajustan todos los parámetros para ajustarse al tipo de luz elegido. Los templates de los que disponemos son los siguientes:

Al igual que en el caso de las distribuciones de luz, estos causarán diferentes efectos y variaciones en la escena según el Template que escojamos. Un aspecto interesante de los Templates es dependiendo del que elijamos incluso afectarán a la distribución de la luz ya que estos elegirán a la más adecuada, como ocurre en el caso de Halogen Spotlight el cual cambiará la distribución de la luz a Spotlight.

Renderizado usando 100W Bulb como Template.

Renderizado usando Halogen Spotlight como Template, ajustando Falloff y Hotspot respectivamente.

Renderizado usando Recessed 250W Wallmash como Template.

Renderizado usando Street 400 W Lamp como Template.

Renderizado usando Stadium 1000 W Lamp como Template.

Las luces fotométricas son recomendadas para ser utilizadas preferentemente con los motores de render Mental Ray o ART Render ya que producen resultados más realistas y satisfactorios. Otro aspecto muy importante que debemos tomar en cuenta es que siempre debemos modelar nuestros objetos con medidas reales ya que las luces trabajan con estos valores y por ende los resultados son más precisos. Por último, en escenas interiores se recomienda aplicar GI mediante Mental Ray o Radiosity (este último usando el motor Scanline Renderer) para generar la iluminación indirecta.

Render del archivo base realizado con la aplicación de luces fotométricas y usando el motor de render ART Render.

Render anterior usando el motor de render Scanline Renderer, y aplicando el plugin Radiosity.

Render anterior usando el motor de render Arnold.

Bibliografía utilizada: – Wikipedia en español: http://es.wikipedia.org. – Web Iluminación Arquitectónica (imagen esquema Lumen/Lux): http://editorial.cda.ulpgc.es/ – Tutorial GI Standard y Mental Ray 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.