Enviroment e Global Illumination : a cosa servono

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1 Enviroment e Global Illumination : a cosa servono Iniziamo con un discorso generale per introdurre i concetti di Enviroment e Global Illumination e capire a cosa servono. Successivamente vederemo come utilizzarli in Modo. Supponiamo di renderizzare una scena con tre semplici oggetti di metallo lucido appoggiati su un piano di legno. Inserendo questi oggetti nella scena di default di modo otterremo un risultato simile a quello della figura seguente. Attiviamo il Global Illumination e disattiviamo la luce di scena per un ulteriore passo verso il fotorealismo Aggiungendo un immagine di Enviroment il risultato migliora:

2 Cosa è successo? L'introduzione di un immagine di Enviroment serve a simulare l'ambiente circostante la nostra scena. Non è sempre possibile, ne tantomeno consigliabile, modellare tutto l'ambiente in cui sono posti i nostri oggetti. La mancanza dell'ambiente, però, ha un influenza negativa sulla qualità del rendering perchè, nella realtà, l'ambiente circostante interagisce con i nostri oggetti conferendo alle superfici un aspetto più complesso di quello che otteniamo con un semplice render privo di ambiente. Nel nostro esempio è particolarmente evidente come l'elemento che maggiormente accusa la mancanza di Enviroment siano le riflessioni sugli oggetti. Piuttosto che modellare tutto l'ambiente usiamo una semplice immagine che lo sostituirà degnamente arricchendo le riflessioni degli oggetti e rendendoli maggiormente credibili. Quello che ancora manca per raggiungere un risultato eccellente è la ricostruzione di un modello di illuminazione credibile rispetto all'ambiente in cui sono inseriti i nostri oggetti. Usiamo l'immagine di Enviroment anche per illuminare la scena. Si tratta di un immagine particolare, un immagine HDR, ovvero High Dinamic Range. Un'immagine all'interno della quale non sono memorizzate solo informazioni riguardanti il colore dei vari pixels, ma anche l'intensità luminosa. Questo tipo di immagini possono illuminare la scena e restituire una resa coerente con l'enviroment e fortemente fotorealistica. Possiamo anche aggiungere delle luci di scena e far convivere assieme i due sistemi di illuminazione. L'immagine HDR utilizzata è quella riportata nella figura seguente. Osserviamola e facciamo alcune considerazioni Si tratta di un immagine sferica che ben si presta a rappresentare tutto l'ambiente circostante. Osserviamo che: ci troviamo in un ambiente esterno, come svelavano già da prima le riflessioni sugli oggetti. Siamo in una giornata luminosa e in questo momento c'è il sole, nonostante la presenza di qualche nuvola, noi ci troviamo però all'ombra. Questa situazione si riperquote sul render conferndogli i colori caldi della luce solare e ombre molto sfumate derivanti da un illuminazione indiretta (siamo all'ombra) senza il contributo dell'illuminazione solare diretta.

3 Cambiamo immagine di enviroment e vediamo come il render cambi a sua volta: L'immagine usata riproduce l'ambiente in un modo differente dalla precedente (non in modo sferico), ma si tratta semplicemente di metodi differenti che producono lo stesso risultato. Se l'illuminazione generale dell'ultimo render ci appare un po debole possiamo aumentare il potere illuminante dell'immagine di Enviroment per ottenere il risultato desiderato, come riportato nella figura seguente: Siamo sempre in un esterno, ma ora ci troviamo in pieno sole e le ombre proiettate dagli oggetti evidenziano come il sole presente nell'immagine si comporti proprio come una sorgente di luce diretta:

4 Enviroment e Global Illumination : Come funzionano Bene, abbiamo capito a cosa serve l'enviroment e assaggiato la potenza del global illumination combinato con immagini di tipo HDR. Prima di scoprire come vengono implementate in Modo queste fondamentali proprietà di resa, vogliamo capire un po meglio Come funzionano per riuscire in seguito a sfruttarle al meglio. Immaginiamo l'enviroment come una grande sfera che circonda la nostra scena. A seconda di quello che sarà applicato alla superficie interna della sfera otterremo risultati differenti nel rendering. Normalmente le possibilità sono: - colore uniforme - sfumatura di colore (default per Modo) - immagine rgb - immagine hdri L'HDR è l'immagine in grado di fornire i risultati migliori, ma spesso anche le altre soluzioni possono essere utilizzati con buoni risultati. Un discorso un pochino più complesso è necessario per comprendere il funzionamento della Global Illumination. Come dice il nome stesso la Global Illumination cerca si simulare l'illuminazione globale della scena, ovvero l'illuminazione non causata da sorgenti di luce dirette. Facciamo un passo indietro e riconsideriamo la scena di default con al suo interno dei semplici modelli basilari a cui abbiamo volutamente assegnato colori accesi. Osserviamo il nostro ambiente ed eseguiamo un render con i settaggi di default.

5 Osserviamo come le ombre siano innaturalmente scure. Questo problema deriva dal comportamente della luce che illumina la nostra scena. Quando un raggio raggiunge una superficie ne determina il grado di illuminazione e termina il proprio percorso. Nella realtà la luce si comporta in modo differente: Quando un raggio raggiunge una superficie una parte di esso viene assorbito dalla superficie stessa, mentre l'altra parte del raggio viene irradiata dalla supercie determinandone di fatto colore e grado di illuminazione. Questo raggio irradiato dalla superficie prosegue il suo viaggio fino ad incontrare altre superfici dove nuovamente avviene quanto detto e così via fino al completo smorzamento del raggio luminoso. La figura schematizza un solo rimbalzo nel percorso dei raggi luminosi. Questa propietà delle superfici di irradiare parte della luce che ricevono si chiama Radiosity ed è una delle principali fonti di lluminazione globale, soprattutto negli ambienti interni dove pareti, pavimenti, soffitti e arredamento danno un contributo di luce irradiata molto considerevole. Un render (nella pagina successiva) mostra l'effetto dell'attivazione del global illumination:

6 Osserviamo: - Le ombre diventano meno scure in quanto anche le zone non raggiunte dalla luce diretta sono raggiunte dalla luce irradiata dalle superifci. - La variazione cromatica dell'imagine. Mentre la luce principale rimane la solita luce bianca, le luci irradiate si colorano del colore della superficie e quindi contribuiscono all'illuminazione con luce colorata. E' ben visibile sul piano il rosso irradiato dagli oggetti rossi e come la luce generale si sia scaldata grazie al contributo illuminante delle pareti che sono di un colore caldo. - La portata luminosa delle pareti è notevole, osserviamo come la sfera appaia illuminata da due luci contrapposte. Una è la luce e l'altra e la radiosità della parete.

7 Consideriamo due interessanti esempi: Una stanza la cui unica fonte di luce è una finestra da cui entra il sole. L'illuminazione diretta è limitata al punto dove batte il sole, su una parete o sul pavimento della stanza, ciononostante tutta la stanza risulta ben illuminata grazie alla radiosità di pareti, pavimento e soffitto. Questo è un esempio particolarmente interessante e molto impegnativo per il motore di calcolo. La figura riporta una sequenza di immagini ottenute via via considerando un maggior numero di rimbalzi per il calcolo della radiosità. Altro esempio: quando illuminiamo con faretti alogeni che puntano sul soffitto o sulle paretui sfruttiamo la radiosità del soffitto e delle pareti per illuminare tutto l'ambiente inmodo indiretto. La figura riporta una sequenza di immagini ottenute via via considerando un maggior numero di rimbalzi per il calcolo della radiosità.

8 Un secondo metodo di illuminazione globale tiene invece conto dell'enviroment e si una per simulare l'illuminazione globale derivante dall'ambiente circostante. Questo metodo si presta molto bene al render di ambienti esterni dove dovremo tener conto del fatto che se è vero che la sorgente di luce principale è il sole, è anche vero che tutto il cielo emette luce e che anche in assenza di sole (nuvole) non ci troviamo al buio! L'effetto di questo genere di illuminazione dipende molto da ciò che si usa come enviroment. Un colore o una sfumatura di colori o una normale immagine RGB produrranno un risultato diverso da un immagine HDR che, come abbiamo visto, contiene in se anche sorgenti di luce dirette. Eliminiamo le pareti dalla nostra scena per minimizzare l'effetto della radiosità e attiviamo vari tipi di Enviroment I vari metodi apportano importanti cambiamenti alla dominante cromatica dell'immagine e attenuano le ombre, ma osserviamo ancora una volta come sia l'uso di immagini HDR a modificare drasticamente l'ombreggiatura e le ombre della scena, anche lasciando attiva la luce di scena come nelle altre tre prove.

9 Accesso ad Enviroment e global illumination su Modo E' giunto il momento di mettere mano a Modo e scoprire la semplicità e l'integrazione con cui sono implementati questi complessi modelli di illuminazione globale. Nel pannello Shader Tree troviamo l'item Enviroment che si occupa appunto dell'enviroment. L'attivazione e il settaggio della Global illumination sono invece nel pannello delle proprietà dell'item Render Enviroment su Modo Il pannello delle proprietà dell'item Enviroment permette di rendere l'enviroment stesso visibile o meno a differenti settori di calcolo. In ordine: Visible to Camera Abbiamo detto di pensare all'enviroment come ad una grande sfera che ci circonda, una sorta di cielo per la nostra scena. Questo parametro stabilisce se questa sfera è visibile o meno. Se non visibile, questo non vuol dire che gli oggetti non siano influenzati dall'enviroment, ma solo che la Camera non vedrà sullo sfondo il colore o l'immagine scelto per il nostro ambiente. Con l'occasione notiamo anche come nella scena di default sia presente un Enviroment costituito da una sfumatura di colori.

10 Visible to Indiret Rays Qusto parametro crea il legame tra Global Illumination ed Enviroment. Se attivo l'enviroment viene utilizzato quale fonte di luce globale per la scena sia che si tratti di un colore, di un immagine RGB o HDR. Se disattiviamo il parametro l'enviroment non sarà preso in nessuna considerazione nel calcolo dell'illuminazione globale. Osserviamo come tutti gli ambiti di azione dell'enviroment siano molto evidenti sull'impatto visivo del render. Un altro essenziale parametro per l'envroment è la sua intensità luminosa che permetterà una regolazione ulteriore sul suo effetto accentuandolo o smorzandolo. Visible to Reflection Rays e Visible to Refraction Rays L'enviroment sarà o meno utilizzato nel calcolo della riflessione e/o della rifrazione. Argomenti che tratteremo prossimamente per i materiali. Le figure che seguono usano un Enviroment HDR mostrano meglio l'effetto delle varie opzioni Espandiamo l'item Enviroment per scoprire che al suo interno c'è, analogamente a quanto visto per le luci, un Enviroment Material.

11 Accontentiamoci di osservare come sia possibile scegliere dal menù Enviroment Type il tipo di colore ( Uniform ) o sfumatura di colori da usare ( 2 color gradient e 4 color gradient ). E' poi possibile scegliere Physically based Daylight ) che ci da accesso alla parte sottostante del pannello dove possiamo scegliere una luce di riferimento, questo metodo naturalmente lavora molto bene assieme all'uso di una luce distant impostata come Physical Sun. Indoor per gli ambienti interni Outdoor per gli esterni Studio per ambienti artificiali Possiamo entrare in una di queste directory e scegliere un enviroment facendoci doppio click sopra. Nel pannello Shader Tree Apparirà sotto l'item Enviroment un Item di tipo Immagine Per utilizzare un immagine occorre conoscere il metodo per aggiungere una texture di tipo immagine, argomento che tratteremo assieme ai materiali. Per il momento procediamo più rapidamente scegliendo tra gli eccellenti Enviroment HDR predefiniti che ci mette a disposizione Modo. Nel Layout Render, sulla colonna di destra, abbiamo un elenco di directory, ognuna delle quali contiene un tipo di elemento. Scegliamo Enviroment e osserviamo al suo interno la presenza di una ulteriore classificazione Selezionando l'item immagine accederemo come al solito al suo pannello delle proprietà. Per il momento accontentiamoci soltanto di sapere dov'è l'immagine e come accedere alle sue proprietà. In seguito, trattando i materiali, analizzeremo a fondo l'argomento.

12 Global Illumination e Radiosity su Modo Passiamo ora ad analizzare l'uso della global illumination in Modo. Per attivare il calcolo dell'illuminazione indiretta è sufficiente accedere al pannello delle proprietà dell' Item Render e spuntare Enable nel sottopannello Global Illumination Indirect Illumination. I parametri per il settaggio del global illumination sono numerosi ed alcuni piuttosto complessi da comprendere. Al nostro scopo accontentiamoci di esaminarne solo alcuni di particolare importanza: Osserveremo immediatamente un cambiamento nel nostro render. La Ambient Light è una forma molto grezza di illuminazione globale usata in assenza di calcoli più raffinati come il radiosity, ovvero quando non è abilitato l'indirect Illumination. Semplicemente tutta la scena viene leggermente illuminata in modo uniforme e piatto. Il calcolo è velocissimo, ma la qualità fornita estremamente scadente.

13 Della parte del pannello che si occupa dell'illuminazione indiretta ci interessano pochi parametri: Enable, come abbiamo visto, abilita il calcolo. Indirect Bounces definisce il numero di rimbalzi del raggio di luce presi in considerazione (come avevamo visto precedentemente). Aumentare il numero di rimbalzi aumenta ulteriormente i tempi di calcolo, ma allo stesso momento migliora la qualità del render. Abilitando la Indirect Illumination attiviamo il calcolo della radiosità delle superfici ottenendo un risultato assolutamente superiore, anche se il costo in termini di tempo di calcolo è notevolissimo, tanto che in animazione, talvolta, si preferisce non usare il radiosity e cercare di simularlo attraverso l'uso di un certo numero di deboli luci dirette opportunamente posizionate, colorate e prive di ombre.

14 Osserviamo nelle immagini a seguire il risultato dell'aumento del Bounce level. In questo esempio non usiamo Enviroment Facciamo attenzione a mantenere sempre attivo l'irradiance Caching (che segue nel pannello Irradiance Illumination ). Disattivare questa opzione cambierebbe l'approccio al calcolo del Radiosity utilizzando un sistema noto come Montecarlo che è però meno efficiente e di più difficile regolazione. Nel Pannello Irradiance Caching troviamo subito un parametro molto importante: Irradiance Rays definisce il numero di raggi utilizzati per campionare l'illuminazione. Maggiore il valore maggiore la qualità e i tempi di calcolo. Abbassando eccessivamente il numero di raggi otterremo un brutto effetto chiazzato e artefatti soprattutto sugli spigole delle superifci. Se l'immagine tende a bruciarsi sarà sufficiente abbassare leggermente l'intensità luminosa della fonte di luce. L'immagine sotto utilizza 16 rimbalzi l'intensità della luce è stata dimezzata e le ombre rese leggermente morbide. La qualità dell'illuminazione è di altissimo livello.

15 Enviroment e Global Illumination: conclusioni Abbiamo analizzato i parametri fondamentali attraverso i quali è possibile utilizzare questi due importanti strumenti. Abbiamo anche visto come l'enviroment vada a coinvolegere molti aspetti del render quali il calcolo della riflessione, della rifrasione e dello sfondo del render. Quello che vogliamo sottolineare per chiudere l'argomento è come l'enviroment e il calcolo dell'illuminazione indiretta possano cooperare per offrire il massimo dei risultati. E' sufficiente attivare il parametro Visible to Indirect Rays nel pannello delle proprietà dell'enviroment per far si che lo sfondo sia preso in considerazione quale una fonte di illuminazione. In questa condizione il calcolo dell'illuminazione diretta ed indiretta terrà conto di : fonti di luce dirette, ovvero le luci di scena calcolo della luce indiretta irradiata dalle superfici calcolo della luce ambientale irradiata dal nostro cielo virtuale Nel caso di utilizzo di HDR ci saranno anche le sorgenti di luce diretta da esso provenienti.