Número 4 · Julio-Septiembre 1995

Las luces en escenas 3D

NOTA: Pulsando sobre las fotos con borde azul ampliarás la imagen.

La luz en 3D Las luces son imprescindibles para mostrar y resaltar las zonas que nos interesen. Este mes repasamos algunos tipos de iluminación que podemos utilizar en una escena 3D y mostramos algunos ejemplos de aplicación.

   Centremos primero el tema con una introducción sobre la identidad de la luz, cual es su comportamiento y por qué es necesario para ver cualquier cosa que se pueda iluminar. Veremos además la naturaleza del color de las cosas y cuántos colores existen en el arco iris. La mayoría de estos conceptos de física son válidos también para la iluminación en aplicaciones 3D. De hecho, estas herramientas modelizan el comportamiento físico de la luz real siguiendo sus leyes naturales con la mayor fidelidad posible. Los parámetros que indicamos a las rutinas de cálculo de nuestra aplicación 3D preferida intentarán, emular las condiciones que se producen en la realidad.

Muchos de los efectos especiales de luz ofrecidos por las aplicaciones 3D, no corresponden prácticamente a la realidad. Se trata de fenómenos que se producen en las lentes de la cámara o de nuestros ojos. No obstante, esto no significa que no deban ser implementados, ya que la finalidad principal de estas aplicaciones es simular escenas reales captadas por una cámara real.

   La luz corriente tal como la percibimos normalmente, se puede entender como un conjunto de ondas electromagnéticas de diversas frecuencias mezcladas de forma totalmente aleatoria. La luz blanca, en realidad está compuesta por multitud de rayos de diferentes colores. Una onda electromagnética es la oscilación sobre dos planos perpendiculares de un campo magnético y otro eléctrico, respectivamente. Como permite interpretarse como una onda, podemos hablar de longitud de onda, frecuencia de oscilación y velocidad de propagación. Cada frecuencia determina el color del rayo de luz. Si esto parece simple, la luz también puede interpretarse además como una ráfaga de partículas sólidas llamadas fotones. Cada partícula actúa como un paquete de luz que transporta una cierta cantidad de energía. El color de cada rayo corresponde a la diferente cantidad de energía que transporta cada fotón de luz. Existen las equivalencias exactas entre el tamaño de cada fotón y la frecuencia de cada rayo asociado al mismo. La famosa fórmula de Albert Einstein, E = mc², interviene en el cálculo. La física clásica explicaba la luz como unas ondas. La física más reciente ha incorporado el concepto de partícula de luz para explicar satisfactoriamente algunas de las propiedades observadas en laboratorios especializados con aceleradores de particulas o en el espacio exterior con grandes campos gravitatorios. Ambas teorías se complementan para explicar ciertos fenómenos naturales y coinciden, por ejemplo, en que su velocidad máxima es de unos 300.000 Km/s si no encuentra obstáculos.

   El origen de la luz estriba en la estructura atómica de la materia. Todos recordamos el núcleo atómico con sus protones y neutrones y las capas de nubes de electrones a su alrededor. Cada electrón posee una cierta energía por el hecho de permanecer en órbita en una determinada capa. Un rayo de luz se produce cuando un electrón cambia de órbita por alguna colisión, campo eléctrico o magnético intenso o altas temperaturas. La energía del rayo será la diferencia de energía entre los niveles. Como sabemos ya, el color de cada rayo viene determinado por la energía que éste tiene. Ahora ya podemos deducir el número máximo de colores que existen en la naturaleza. Si conocemos el número de niveles en los que pueden estar situados los electrones en un átomo y las combinaciones de saltos que le son permitidos, podremos realizar el cálculo. Este número es conocido por la ciencia, es muy grande pero lo más importante es que es finito. Al contrario de la creencia popular, no hay 7 colores en el arco iris ni tampoco existe una infinidad de ellos.

Esta escena contiene un plano de luz difusa sobre las esferas que produce unas sombras bastante realistas y 3 focos lejanos de luz de color rojo, verde y azul.

   Tenemos en estos momentos suficientes conocimientos para saber de qué color puede ser cada material. Los átomos de la superfice de un cuerpo reciben rayos de la luz de todas las frecuencias o colores. Algunos de los fotones de luz serán absorbidos en forma de energía por los electrones que cambiarán de nivel. Sólo algunos electrones podrán saltar a un nivel que esté libre. Sólo estas frecuencias serán absorbidas por el material. El resto de frecuencias se verán reflejadas de nuevo al exterior y son estos colores los que ve un observador externo. Los colores que corresponde a estas frecuencias son precisamente a lo que nosotros llamamos color de un material. O sea, que un material es del color que refleja y no absorbe.

   Encontramos ya una aplicación directa para nuestras composiciones 3D. La luz de un solo color iluminará solamente a los objetos que no absorban ese color. Es decir, sólo veremos los objetos que contengas en algún grado ese color. De la misma manera, la luz blanca iluminará a todos los objetos excepto aquellos que sean de color negro. Los cuerpos negros absorben todo la luz, no reflejan ningún color. El negro en sí no es ningún color, representa la ausencia de color. El color blanco es una interferencia de todos los colores mezclados. en la vida cotidiana podemos observar rayos de luz de un solo color en los láseres. Un haz láser no es más que un conjunto de rayos de luz de la misma frecuencia. Otro fenómeno que nos permite observar haces de luz de un solo color es la separación de colores que se produce cuando una luz atraviesa un prisma regular de cristal de base triangular en una determinada dirección. También podremos observar este efecto en un día de lluvia con sol o en las cercanías de una catarata. En este caso, las gotas de agua actúan de la misma manera que un prisma.

La iluminación de esta escena es una luz roja. Las esferas son azul y blanca. Observamos como la azul recibe muy poca luz. La blanca recibe la luz de todos los colores.

   Las fuentes de luz típicas que incluyen las aplicaciones 3D permiten simular la mayoría de cuerpos productores de luz tanto de la naturaleza como creados por nuestra tecnología. Hay que mencionar que tener en cuenta que sólo hay un tipo de luz, los colores se distinguen solamente por la frecuencia, no hay luz difusa o luz brillante. Lo que sí podremos variar es el tipo de iluminación según la fuente de luz. La iluminación consiste en decidir desde dónde parten los rayos de luz y en qué dirección van. Opcionalmente, controlaremos el grado de disminución de la intensidad de la luz con la distancia a la fuente luminosa. Esta propiedad pertenece más al medio por el que se propaga que de la propia luz, pero de esta manera evitamos tener que indicar las características del espacio de cada zona de la escena.

   Esta introducción a la iluminación tomará como base el REAL 3D V2.47 y sus tipos de fuentes de luz. Los tipos de fuentes de luz que consideraremos son el punto (POINT), la línea (LINE), el plano (WALL), el foco (SPOT) y el cañón luminoso (BEAM). Hay también una generalización de todos ellos tomando cualquier cuerpo como un objeto luminoso. Para que un objeto cualquiera emita luz basta con activar la opción de "light source" en las propiedades "Modify/Properties/Attributes".

  Luz y Punto  

   Un punto luminoso es la fuente más simple de luz. Desde este objeto salen proyectados los haces de luz en todas las direcciones radiales posibles. Sería el equivalente a una estrella pero de tamaño infinitamente pequeño. Debemos tener en cuenta que el tamaño físico del objeto no implica que desprenda más luz. Podemos ampliar la fuente de luz para ver de qué tipo es y qué dirección tienen sus rayos pero no para incrementar el brillo. Las características de la luz vienen dadas en el color del objeto fuente de luz y a través de la opción "Properties/Lighting Attr." del menú "Modify".

  En la Línea de la Luz  

   Un punto de luz es útil para iluminar muchos cuerpos, pero si un objeto es excesivamente largo o alto, corremos el peligro de iluminar un extremo del mismo y dejar a oscuras el otro. También se pueden colocar varios puntos de luz en las cercanías del objeto, pero aparecen zonas iluminadas y zonas más oscuras entre dos fuentes de luz. Trazar una línea de luz es la solución ideal para estos casos. Obtendremos una zona longitudinal iluminada de forma uniforme. Es importante colocar la línea en la orientación paralela al objeto que vamos a iluminar.

  El Muro  

   Algunas situaciones no pueden ser resueltas satisfactoriamente con una sola línea de luz. Si necesitamos iluminar una zona simulando un día nublado, colocamos un plano de luz encima y tendremos una iluminación difusa muy real para simular exteriores. Otra aplicación concreta puede ser la simulación de pantallas de cine o de televisión o de grandes ventanales luminosos. Todas estas situaciones tienen como fuente de luz una zona lo suficientemente extensa para no poder ser representada con elementos luminosos como un punto o una línea. La situación del plano de luz debe ser como la que tienen las fuentes de luz reales, cuidado de no meterlo en el interior de un objeto opaco. Para simular un cielo nublado, por ejemplo, colocaremos un gran plano horizontal encima de toda la escena.

Una línea de luz situado detrás de la esfera crea un agradable ambiente de luz con sombras difusas de gran realismo. La superficie brillante de la esfera nos muestra el entorno.

  El Foco  

   Este objeto luminosa, denominado "Spot" el REAL 3D, se comporta como un foco de la vida real. La luz es emitida de forma radial, ese significa que a medida que se aleja de su origen, el grosor del haz de luz aumenta y la intensidad de la luz se ve disminuida debido a la dispersión. El ángulo de apertura el foco es totalmente controlable desde 1 a 179 grados. La potencia del foco se indica con el nivel de disminución de la intensidad. Si deseamos un potente foco dirigido a un solo objeto, seleccionaremos que no se desvanezca (No Fading). En este tipo de fuente luminosa es imprescindible una correcta orientación en el espacio. En el punto era indiferente, para la línea y el plano era más importante, pero en el foco es crucial. Si no dirigimos el foco al objeto a iluminar, no veremos absolutamente nada a no ser que la escena tenga otras fuentes de luz.

  El Cañón  

   Conocido por los anglosajones como "Beam", esta fuente de luz es similar a un foco pero sin que los rayos de luz se dispersen con la distancia. El grosor del haz de luz se mantiene constante a lo largo de su trayectoria de la misma forma que un haz láser. En la escena, se representa con el volumen de un cilindro que debemos orientar de forma adecuada al igual que el foco.

   Una iluminación que no hemos mencionado es la luz de ambiente de la escena. Es útil cuando no queremos sombrar muy contrastadas con las zonas iluminadas. En caso de olvidarnos de indicarla en las opciones de "render", podemos recurrir a un programa de retoque de imagen y aumentar ligeramente el brillo y disminuir el contraste. Como recomendación final, debemos recordar que las fuentes de luz también tienen la características del color. Para cambiarlo se puede usar el mismo método que usamos para los objetos no luminosos.

Esta escena contiene una luz puntual propia, pero mantiene desconectados las sombras. Este método "Shadowless" ahorra mucho tiempo de cálculos para obtener la imagen final. La misma escena, pero con un grado 4 en la opción de render "lightsamples" produce sombras muy realistas. Este parámetro hace que la iluminación sea difusa. Esta esfera recibe la luz de un foco lejano del mismo modo que lo hace un artista en un escenario. Esta iluminación es útil para destacar un objeto en particular.

La fuente de luz de esta escena es un punto situado automáticamente en el objeto de la cámara en el modo económico "lampless". Las sombras no son calculadas. La esfera de la derecha está iluminada con una fuente puntual blanca. La sombra en el modo "Normal" ya es mostrada pero parece muy forzada. Finalmente y por medio de Lightwave, colocamos un efecto de destello producido en las lentes de la cámara que capta la escena. El cañón de luz o "Beam" genera un haz de luz que mantiene intacto su grosor. No se dispersa ni desvanece a lo largo de toda su trayectoria.