Table of Contents Titel

Impressum

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Wer sollte dieses Buch lesen?

Software-Voraussetzungen

3D-Software

2D-Software

Über diese Ausgabe

Digitale Inhalte

Hinweis zur deutschen Übersetzung

Kapitel Eins - Grundlegende Beleuchtungstechniken

Die Quelle des Lichts

Der Off-Screen-Raum

Die Eigenschaften des Lichts

Direktes und indirektes Licht

Tricksen

Tricksen in 3D

Tricksen in Realfilmen

Visuelle Bedeutung des Lichtdesigns

Die Lesbarkeit verbessern

Objekte glaubhaft darstellen

Shader und Effekte verbessern

Die Kontinuität sicherstellen

Das Auge des Betrachters führen

Die emotionale Komponente

Übung macht den Meister

Ihr Arbeitsplatz

Kreative Kontrolle

Kapitel Zwei - Grundlagen der Beleuchtung und Übungen dazu

Den kreativen Prozess starten

Wann beleuchtet wird

Verändern, Rendern, Vergleichen

Die Namen der Lichter

Mit verschiedenen Versionen arbeiten

Verschiedene Lichtquellen-Typen

Die Punkt-Lichtquelle

Die Spot-Lichtquelle

Paralleles Licht

Das Sphären-Licht

Das Fläche-Licht

Physikalisch definierte Lichter

Leuchtende Objekte

Umgebungslicht

Einstellungen & Optionen überprüfen

Die Solo-Funktion und das Testen des Lichts

Die Abnahme

Diffuse und spiegelnde Reflexionen

Lichter verknüpfen

Masken

Übungen

Kapitel Drei - Schatten und Verdeckungen

Die visuelle Funktion der Schatten

Räumliche Beziehungen verdeutlichen

Zusätzliche Ansichten enthüllen

Die Bildkomposition verbessern

Kontrast hinzufügen

Objekte im nicht sichtbaren Szenenbereich andeuten

Elemente integrieren

Das Licht durch eine Wand abblocken

Die Darstellung der Schatten

Größe und Perspektive der Schatten

Die Farbe der Schatten

Harte und weiche Schatten

Die Schattenberechnungen

Depth Map / Schatten-Maps

Raytraced-Schatten

Schatten und Bewegungsunschärfe

Verdeckung

Ambient Occlusion

Occlusion-Passes berechnen

Spezialfälle bei Occlusion-Passes

Ein Occlusion Sandwich erstellen

Schatten und Occlusion vortäuschen

Negatives Licht

Schatten und Occlusion backen lassen

Schatten-Objekte

Cookies

Übungen

Kapitel Vier - Umgebungen und Architektur beleuchten

Tageslicht erzeugen

Das Sonnenlicht erstellen

Das Himmelslicht ergänzen

Indirektes Licht ergänzen

Alternative Techniken

Natürliches Licht in Innenräumen

Das Himmelslicht erzeugen

Das Sonnenlicht ergänzen

Das Streulicht ergänzen

Indirektes Licht ergänzen

Practical Lights

Eine Lichtquelle beleuchten

Die Beleuchtung durch die Practical Lights

Nachtszenen

Entfernung und Tiefe

Den Raum aufteilen

Die Tiefenwirkung durch Beleuchtung herausarbeiten

Eine Atmosphäre simulieren

Unterwasser

Übungen

Kapitel Fünf - Kreaturen, Figuren und Animationen beleuchten

Mit Licht modellieren

Richtungen andeuten

Definition ergänzen

Dreipunkt-Beleuchtung

Variationen umsetzen

Routine vermeiden

Funktionen des Lichts

Hauptlicht (Key Light)

Aufhelllicht (Fill Light)

Reflektiertes Licht (Bounce Light)

Streulicht (Spill Light)

Randlicht (Rim Light)

Streiflicht (Kick Light)

Glanzlicht (Specular Light)

Probleme der Figurbeleuchtung

Feste Lichtanordnungen erstellen

Szene-Lichter für die Figurbeleuchtung

Lichter aufteilen

Lichter mit der Figur bewegen

Mehrere Figuren gleichzeitig beleuchten

Die Beleuchtung der Bewegung anpassen

Stichproben nehmen

Subsurface Scattering

Haare beleuchten

Augen beleuchten

Übungen

Kapitel Sechs - Kameras und Belichtung

Blende und Schärfentiefe

Den Fokus festlegen

Die Schärfe ziehen

Echte Objektive simulieren

Objektiv-Pumpen

Den Schärfebereich finden

Hyperfokale Entfernung

Bokeh-Effekte nutzen

Schärfentiefe und verdeckte Bildbereiche

Der Aufwand für die Berechnung

Belichtungszeit und Bewegungsunschärfe

Belichtungszeit und Verschlusswinkel

Probleme mit dem ersten Animationsbild

Der Mythos vom Nachzieh-Effekt

Rotationen weichzeichnen

Zeilensprung- und Vollbildverfahren

Lichtempfindlichkeit und Filmkorn

Fotobelichtung

Die Wechselwirkungen verstehen

Das Zonensystem

Histogramme verwenden

Der Lichtwert

Belichtungsserie

Linsenfehler simulieren

Linsenverzerrung

Chromatische Aberration

Vignettierung

Blendenflecke und Halos

Übungen

Kapitel Sieben - Komposition und Bildgestaltung

Art der Einstellung

Einstellungsgröße

Z-Axis Blocking

POV Shots

Zweier-Einstellung

Over-the-Shoulder-Einstellung

Kamerawinkel

Die Handlungsachse

Perspektive

Aufsicht und Untersicht

Kamerafahrten erstellen

Die Komposition verbessern

Die Drittel-Regel

Positiven und negativen Raum nutzen

Grafisches Gewicht

Linien

Überdeckung

Film- und Videoformate

Formate und Seitenverhältnisse

Filmformate

Anpassung an Normalbildformate

Beschneiden und Vergrößern

Übungen

Kapitel Acht - Farben in Wissenschaft und Kunst

In einem linearen Workflow arbeiten

Den Gamma verstehen

Das Problem mit den unkorrekten Gammas

Der lineare Workflow in drei Schritten

Für lineare Texturen und Farben sorgen

Lineares Rendering

Compositing mit linearem Workflow

Farben mischen

Additiver Farbraum: RGB

Subtraktive Farben: CMYK

Farbwinkel, Sättigung und Helligkeit anpassen

Wenn die Lichtfarbe auf die Oberflächenfarbe trifft

Farbwelten entwickeln

Farbkontrast

Die Bedeutung der Farben

Farbe und Tiefe

Gefärbte Schwarz-Weiß-Bilder

Die Farbbalance nutzen

Die Farbtemperatur verstehen

Farben aus Bildern entnehmen

Mit digitalen Farben arbeiten

8-Bit-Farben

16-Bit-Farben

HDRI

Halbe Fließkommagenauigkeit

Kompakte Datenformate

Übungen

Kapitel Neun - Shader und Render-Algorithmen

Oberflächen schattieren

Diffuse, gestreute und gespiegelte Reflexion

Glanzlichter

Physikalisch basierte Shader

Anti-Aliasing

Oversampling

Undersampling

Filtern

Rendern mit hohen Auflösungen

Raytracing

Beschleunigungsstrukturen für das Raytracing

Raytracing-Spiegelungen

Schatten

Transparenz und Reflektion

Reyes-Algorithmus

Der RenderMan Interface-Standard

Reyes und Raytracing

Globale Illumination

Normale Radiosity

Photon-Mapping

Final Gathering

Unbiased Renderer

Caustics

Übungen

Kapitel Zehn - Texturen erstellen und zuweisen

Oberflächenattribute

Farbe-Mapping

Glanz-Mapping

Leuchten-Mapping

Transparenz-Mapping

Displacement-Mapping

Bump-Mapping

Normale-Mapping

Polynomial-Mapping und andere Mapping-Arten

Texturen auf Oberflächen anpassen

UV-Koordinaten zuweisen

Implizierte UV-Koordinaten verwenden

Ptex verwenden

Projektionen verwenden

Texturen erstellen

Ein 3D-Malprogramm verwenden

Ein 2D-Malprogramm verwenden

Texturen fotografieren

Kachelbare Texturen erstellen und verwenden

Überlagerungen / Decals

Realistische Verschmutzung erzeugen

Maps für mehrere Eigenschaften erstellen

Textur-Pole

Stilisierte Texturen malen

Die Auflösung der Textur-Maps

Prozedurale Texturen verwenden

Auflösungsunabhängigkeit

3D-Texturen

Animation

Das Aussehen

Prozedurale Texturen zu Maps umrechnen

Übungen

Kapitel Elf - Ebenen und Passes rendern für das Compositing

Auf Ebenen rendern

Warum der Aufwand?

Ebenen-Einstellungen austauschen

Halte-Ebenen

Matte-Objekte

Glühen hinzufügen

Eigenheiten des Alpha-Kanals

Das Rendern von Passes

Den Diffus-Pass rendern

Den Glanz-Pass rendern

Den Spiegelung-Pass rendern

Den Schatten-Pass rendern

Den Ambient-Pass rendern

Den Occlusion-Pass rendern

Den Beauty-Pass rendern

Beleuchtungs-Passes rendern

Den Globale Illumination-Pass rendern

Masken-Passes rendern

Den Tiefe-Pass rendern

Funktionen zum Verwalten von Passes

Viele Passes gleichzeitig rendern

Auf Realbilder anpassen

Referenzkugeln und Lichtproben

Lichtproben

Andere Techniken für die Angleichung der Beleuchtung

Farbverwaltung Ihrer Komposition

Die Wahl der Vorgehensweise

Übungen

Kapitel Zwölf - Produktionsabläufe und professionelles Vorgehen

Produktionsabläufe

Einen Animationsfilm planen

Visuelle Effekte vorbereiten

Die Hauptabteilungen

Produktionsabläufe darstellen

Beleuchten bei umfangreichen Produktionen

Schlüsselbilder definieren

Beleuchtungssetups wiederverwenden

Referenzierungen nutzen

Verfahren mischen

Die eigene Karriere voranbringen

Stichwortverzeichnis

Jeremy Birn

Lighting & Rendering Ausgabe III

Aus dem Amerikanischen übersetzt von Arndt von Koenigsmarck

Impressum

Die Informationen in diesem Produkt werden ohne Rücksicht auf einen eventuellen Patentschutz veröffentlicht. Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt. Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht ausgeschlossen werden. Verlag, Herausgeber und Autoren können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen.

Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien.

Die gewerbliche Nutzung der in diesem Produkt gezeigten Modelle und Arbeiten ist nicht zulässig.

Fast alle Produktbezeichnungen und weitere Stichworte und sonstigen Angaben, die in diesem Buch verwendet werden, sind als eingetragene Marken geschützt. Da es nicht möglich ist, in allen Fällen zeitnah zu ermitteln, ob ein Markenschutz besteht, wird das ®-Symbol in diesem Buch nicht verwendet.

Authorized translation from the English language edition, entitled DIGITAL LIGHTING AND RENDERING, 3rd Edition by JEREMY BIRN, published by Pearson Education, Inc, publishing as New Riders, Copyright © 2014 Jeremy Birn

All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc.

GERMAN language edition published by Rodenburg Verlag, Arndt von Koenigsmarck, Copyright © 2015.

Autorisierte Übersetzung der englischsprachigen Originalausgabe mit dem Titel „Digital Lighting and Rendering“ von Jeremy Birn, 3. Ausgabe, erschienen bei New Riders, ein Imprint von Pearson Education Inc.; Copyright © 2014

Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil des Buchs darf ohne Erlaubnis der Pearson Education Inc. in fotomechanischer oder elektronischer Form reproduziert oder gespeichert werden.

© der deutschen Ausgabe 2015 Rodenburg Verlag, Arndt von Koenigsmarck,

Dechant-Röper-Str. 32, 59706 Menden/Germany

Alle Rechte vorbehalten

Artdirektion & Layout: Steffen Kulpe (HK:MEDIENAGENTUR, www.hk-ag.net)

Übersetzung: Arndt von Koenigsmarck (www.vonkoenigsmarck.de)

1. digitale Auflage: Zeilenwert GmbH 2015

ISBN ePub 978-3-9814656-4-8

ISBN mobi 978-3-9814656-5-5

Inhaltsverzeichnis Cover

Titel

Impressum

Einleitung Wer sollte dieses Buch lesen?

Software-Voraussetzungen 3D-Software 2D-Software

Über diese Ausgabe

Digitale Inhalte

Hinweis zur deutschen Übersetzung

Kapitel EinsGrundlegende Beleuchtungstechniken Die Quelle des Lichts

Der Off-Screen-Raum Die Eigenschaften des Lichts Direktes und indirektes Licht

Tricksen Tricksen in 3D Tricksen in Realfilmen

Visuelle Bedeutung des Lichtdesigns Die Lesbarkeit verbessern Objekte glaubhaft darstellen Shader und Effekte verbessern Die Kontinuität sicherstellen Das Auge des Betrachters führen Die emotionale Komponente

Übung macht den Meister

Ihr Arbeitsplatz

Kreative Kontrolle

Kapitel ZweiGrundlagen der Beleuchtung und Übungen dazu Den kreativen Prozess starten

Wann beleuchtet wird Verändern, Rendern, Vergleichen Die Namen der Lichter Mit verschiedenen Versionen arbeiten

Verschiedene Lichtquellen-Typen Die Punkt-Lichtquelle Die Spot-Lichtquelle Paralleles Licht Das Sphären-Licht Das Fläche-Licht Physikalisch definierte Lichter Leuchtende Objekte Umgebungslicht

Einstellungen & Optionen überprüfen Die Solo-Funktion und das Testen des Lichts Die Abnahme Diffuse und spiegelnde Reflexionen Lichter verknüpfen Masken

Übungen

Kapitel DreiSchatten und Verdeckungen Die visuelle Funktion der Schatten

Räumliche Beziehungen verdeutlichen Zusätzliche Ansichten enthüllen Die Bildkomposition verbessern Kontrast hinzufügen Objekte im nicht sichtbaren Szenenbereich andeuten Elemente integrieren Das Licht durch eine Wand abblocken

Die Darstellung der Schatten Größe und Perspektive der Schatten Die Farbe der Schatten Harte und weiche Schatten

Die Schattenberechnungen Depth Map / Schatten-Maps Raytraced-Schatten Schatten und Bewegungsunschärfe

Verdeckung Ambient Occlusion Occlusion-Passes berechnen Spezialfälle bei Occlusion-Passes Ein Occlusion Sandwich erstellen

Schatten und Occlusion vortäuschen Negatives Licht Schatten und Occlusion backen lassen Schatten-Objekte Cookies

Übungen

Kapitel VierUmgebungen und Architektur beleuchten Tageslicht erzeugen

Das Sonnenlicht erstellen Das Himmelslicht ergänzen Indirektes Licht ergänzen Alternative Techniken

Natürliches Licht in Innenräumen Das Himmelslicht erzeugen Das Sonnenlicht ergänzen Das Streulicht ergänzen Indirektes Licht ergänzen

Practical Lights Eine Lichtquelle beleuchten Die Beleuchtung durch die Practical Lights

Nachtszenen

Entfernung und Tiefe Den Raum aufteilen Die Tiefenwirkung durch Beleuchtung herausarbeiten Eine Atmosphäre simulieren Unterwasser

Übungen

Kapitel FünfKreaturen, Figuren und Animationen beleuchten Mit Licht modellieren

Richtungen andeuten Definition ergänzen

Dreipunkt-Beleuchtung Variationen umsetzen Routine vermeiden

Funktionen des Lichts Hauptlicht (Key Light) Aufhelllicht (Fill Light) Reflektiertes Licht (Bounce Light) Streulicht (Spill Light) Randlicht (Rim Light) Streiflicht (Kick Light) Glanzlicht (Specular Light)

Probleme der Figurbeleuchtung Feste Lichtanordnungen erstellen Szene-Lichter für die Figurbeleuchtung Lichter aufteilen Lichter mit der Figur bewegen Mehrere Figuren gleichzeitig beleuchten Die Beleuchtung der Bewegung anpassen Stichproben nehmen Subsurface Scattering Haare beleuchten Augen beleuchten

Übungen

Kapitel SechsKameras und Belichtung Blende und Schärfentiefe

Den Fokus festlegen Die Schärfe ziehen Echte Objektive simulieren Objektiv-Pumpen Den Schärfebereich finden Hyperfokale Entfernung Bokeh-Effekte nutzen Schärfentiefe und verdeckte Bildbereiche Der Aufwand für die Berechnung

Belichtungszeit und Bewegungsunschärfe Belichtungszeit und Verschlusswinkel Probleme mit dem ersten Animationsbild Der Mythos vom Nachzieh-Effekt Rotationen weichzeichnen Zeilensprung- und Vollbildverfahren

Lichtempfindlichkeit und Filmkorn

Fotobelichtung Die Wechselwirkungen verstehen Das Zonensystem Histogramme verwenden Der Lichtwert Belichtungsserie

Linsenfehler simulieren Linsenverzerrung Chromatische Aberration Vignettierung Blendenflecke und Halos

Übungen

Kapitel SiebenKomposition und Bildgestaltung Art der Einstellung

Einstellungsgröße Z-Axis Blocking

POV Shots Zweier-Einstellung Over-the-Shoulder-Einstellung

Kamerawinkel Die Handlungsachse Perspektive Aufsicht und Untersicht Kamerafahrten erstellen

Die Komposition verbessern Die Drittel-Regel Positiven und negativen Raum nutzen Grafisches Gewicht Linien Überdeckung

Film- und Videoformate Formate und Seitenverhältnisse Filmformate Anpassung an Normalbildformate Beschneiden und Vergrößern

Übungen

Kapitel AchtFarben in Wissenschaft und Kunst In einem linearen Workflow arbeiten

Den Gamma verstehen Das Problem mit den unkorrekten Gammas Der lineare Workflow in drei Schritten Für lineare Texturen und Farben sorgen Lineares Rendering Compositing mit linearem Workflow

Farben mischen Additiver Farbraum: RGB Subtraktive Farben: CMYK Farbwinkel, Sättigung und Helligkeit anpassen Wenn die Lichtfarbe auf die Oberflächenfarbe trifft

Farbwelten entwickeln

Farbkontrast Die Bedeutung der Farben Farbe und Tiefe Gefärbte Schwarz-Weiß-Bilder

Die Farbbalance nutzen Die Farbtemperatur verstehen Farben aus Bildern entnehmen

Mit digitalen Farben arbeiten 8-Bit-Farben 16-Bit-Farben HDRI Halbe Fließkommagenauigkeit Kompakte Datenformate

Übungen

Kapitel NeunShader und Render-Algorithmen Oberflächen schattieren

Diffuse, gestreute und gespiegelte Reflexion Glanzlichter Physikalisch basierte Shader

Anti-Aliasing Oversampling Undersampling Filtern Rendern mit hohen Auflösungen

Raytracing Beschleunigungsstrukturen für das Raytracing Raytracing-Spiegelungen Schatten Transparenz und Reflektion

Reyes-Algorithmus Der RenderMan Interface-Standard Reyes und Raytracing

Globale Illumination Normale Radiosity

Photon-Mapping Final Gathering Unbiased Renderer

Caustics

Übungen

Kapitel ZehnTexturen erstellen und zuweisen Oberflächenattribute

Farbe-Mapping Glanz-Mapping Leuchten-Mapping Transparenz-Mapping Displacement-Mapping Bump-Mapping Normale-Mapping Polynomial-Mapping und andere Mapping-Arten

Texturen auf Oberflächen anpassen UV-Koordinaten zuweisen Implizierte UV-Koordinaten verwenden Ptex verwenden Projektionen verwenden

Texturen erstellen Ein 3D-Malprogramm verwenden Ein 2D-Malprogramm verwenden Texturen fotografieren Kachelbare Texturen erstellen und verwenden Überlagerungen / Decals Realistische Verschmutzung erzeugen Maps für mehrere Eigenschaften erstellen Textur-Pole Stilisierte Texturen malen Die Auflösung der Textur-Maps

Prozedurale Texturen verwenden Auflösungsunabhängigkeit 3D-Texturen

Animation Das Aussehen Prozedurale Texturen zu Maps umrechnen

Übungen

Kapitel ElfEbenen und Passes rendern für das Compositing Auf Ebenen rendern

Warum der Aufwand? Ebenen-Einstellungen austauschen Halte-Ebenen Matte-Objekte Glühen hinzufügen Eigenheiten des Alpha-Kanals

Das Rendern von Passes Den Diffus-Pass rendern Den Glanz-Pass rendern Den Spiegelung-Pass rendern Den Schatten-Pass rendern Den Ambient-Pass rendern Den Occlusion-Pass rendern Den Beauty-Pass rendern Beleuchtungs-Passes rendern Den Globale Illumination-Pass rendern Masken-Passes rendern Den Tiefe-Pass rendern Funktionen zum Verwalten von Passes Viele Passes gleichzeitig rendern

Auf Realbilder anpassen Referenzkugeln und Lichtproben Lichtproben Andere Techniken für die Angleichung der Beleuchtung

Farbverwaltung Ihrer Komposition

Die Wahl der Vorgehensweise

Übungen

Kapitel ZwölfProduktionsabläufe und professionelles Vorgehen Produktionsabläufe

Einen Animationsfilm planen Visuelle Effekte vorbereiten Die Hauptabteilungen Produktionsabläufe darstellen

Beleuchten bei umfangreichen Produktionen Schlüsselbilder definieren Beleuchtungssetups wiederverwenden Referenzierungen nutzen Verfahren mischen

Die eigene Karriere voranbringen

Stichwortverzeichnis

Einleitung Dieses Buch verknüpft Informationen aus verschiedenen Bereichen, damit Sie bessere 3D-Renderings erzeugen können. Auf den folgenden Seiten finden Sie daher praxisnahe Tipps und Tricks, die u. a. direkt aus professionellen Filmproduktionen abgeleitet wurden. Ebenso fließen Konzepte und Techniken der Fotografie, Gestaltungsprinzipien der traditionellen darstellenden Kunst sowie aktuelle technische Entwicklungen der 3D-Visualisierungsbranche mit ein.

Wer sollte dieses Buch lesen? Dieses Buch ist genau richtig für Sie, wenn Sie bereits über Grundlagenwissen zu Visualisierungen mit einer 3D-Software verfügen und daran interessiert sind, die Qualität Ihrer Renderings zu verbessern.

Professionellen Nutzern einer 3D-Software hilft dieses Buch durch praxisnahe Aufgabenstellungen, die speziell auf die Verbesserung der Beleuchtungs- und Renderqualität abzielen.

Design- und Grafik-Studenten hilft dieses Buch bei der Verbesserung der eigenen Fähigkeiten bezüglich Beleuchtung und Rendering von 3D-Projekten.

Ambitionierte 3D-Hobbyisten unterstützt dieses Buch dabei, die künstlerische Qualität eigener 3D-Renderings zu steigern und mehr über die Arbeitsweise professioneller Produktionen zu erfahren.

Ich habe mich bemüht, dieses Buch in einer möglichst klaren Sprache zu verfassen und Fachbegriffe ausführlich zu erläutern, wenn diese erstmalig auftauchen. Ebenso flankieren zahlreiche Beispielrenderings und Abbildungen die Erläuterungen der vorgestellten Gestaltungskonzepte und Techniken. Dieses Buch soll nicht Ihr Softwarehandbuch oder eine online Hilfe ersetzen, sondern ist dazu da, derartige Dokumentationen zu ergänzen. Ein Großteil der Informationen dieses Buchs wird sich nicht in Softwarehandbüchern finden lassen, obwohl es eigentlich sinnvoll wäre.

Software-Voraussetzungen Die in diesem Buch behandelten Techniken und Konzepte können in nahezu allen aktuellen 3D-Programmen umgesetzt werden. Ich empfehle jedoch, dass zusätzlich ein 2D-Malprogramm und eine Compositing-Software zur Verfügung stehen.

3D-Software Mir ist es ganz egal, ob Sie nun Blender (Open-Source Software von www. blender.org), MAXON CINEMA 4D, Side Effects Houndini, New Tek Light-Wave 3D, Autodesk Maya, Autodesk Softimage, Autodesk 3ds Max oder irgendeine andere Software benutzen, um 3D-Szenen zu beleuchten und als Bild oder Animation zu rendern. Sie können den Renderer benutzen, der bereits in Ihrer Software enthalten ist oder aber einen separaten Renderer, wie Solid Angle’s Arnold, NVIDIA MentalRay, Pixar’s RenderMan oder Chaos Group’s V-Ray. Es gibt kein einziges Programm, das alle in diesem Buch beschriebenen Optionen, Funktionen oder Algorithmen beherrscht. Machen Sie sich daher nichts daraus, wenn Sie hier auch etwas über Funktionen lernen, die vielleicht in Ihrem Programm nicht zur Verfügung stehen. Die meisten Abschnitte stellen verschiedene Verfahren und alternative Wege vor, um einen bestimmten Effekt zu erzielen, egal welche Software verwendet wird.

Obwohl dieses Buch unabhängig von einer bestimmten Software ist, werden auch spezielle Eigenheiten einzelner Programme aufgegriffen. Sofern es eine herausragende Eigenschaft einer bestimmten Software gibt oder ein bestimmtes Programm eine beschriebene Technik anders umsetzt, gehe ich auch darauf ein.

Das Kernthema dieses Buchs ist, dass Sie mit nahezu allen 3D-Paketen auf dem Markt außergewöhnliche Kunstwerke schaffen können, solange Sie die dem Rendering zugrunde liegenden Techniken verinnerlicht haben und kreativ mit den Eigenheiten und vielleicht auch Einschränkungen Ihrer eigenen Software umgehen lernen.

2D-Software Jede 3D-Software braucht auch eine 2D-Software an ihrer Seite, mit der Texturen erstellt und bearbeitet, sowie Bildebenen und Render-Passes in einer Komposition vereint werden können. Ein Programm, wie Adobe Photoshop (das auch von mir in vielen Bildbeispielen verwendet wird) ist dafür gut geeignet, wobei auch kostenfreie Alternativen, wie GIMP (www.gimp.org) oder Paint. NET (www.getpaint.org) genauso gute Arbeit leisten können. Ebenso kann eine klassische Compositing-Lösung, wie The Foundry’s Nuke, eyeon Fusion

oder Adobe After Effects beim Kombinieren von Render-Passes helfen, wobei sich einfache Kompositionen auch in Ihrem Malprogramm erstellen lassen.

Über diese Ausgabe Dies ist die dritte Überarbeitung des populären Buchs Digital Lighting & Rendering. Bereits die Erstausgabe wurde zum Standardwerk über die Kunst der Beleuchtung und Berechnung von 3D-Szenen und inspirierte viele, sich ernsthaft mit diesem Thema zu beschäftigen. Seit der ersten Veröffentlichung im Jahr 2000 wurde dieses Buch sowohl ein kommerzieller Erfolg, als auch von Kritikern gefeiert. Eine zweite, stark überarbeitete und ergänzte Auflage erschien 2006. Ich bin jedem Lehrer dankbar, der dieses Buch begleitend zu seinem Unterricht verwendet, jedem Leser, der das Buch im Internet positiv bewertet und weiter empfiehlt und jedem Künstler, der es einem Freund oder Kollegen weitergereicht hat.

Nun habe ich diese dritte Ausgabe vollendet, damit sichergestellt ist, dass dieses Buch aktuell bleibt und den Veränderungen von Technologien, Programmen und innerhalb der Industrie Rechnung trägt. Ziemlich viel hat sich seit der zweiten Ausgabe getan.

Ich habe Abschnitte ergänzt, um neue Technologien und Trends, wie physikalische Lichtsimulationen, physikalisch basierte Shader, Ptex (per-face texturing, wurde von den Walt Disney Animation Studios entwickelt, um die individuelle Texturzuweisung auch ohne UV-Koordinaten zu ermöglichen) und sogenanntes Unbiased Rendering mit aufzunehmen. Zudem setze ich einen neuen Schwerpunkt beim Thema Linearer Workflow, warum wir diesen brauchen und wie wir ihn nutzen.

Zahlreiche Kapitel wurden aktualisiert, um der Nutzung von globaler Illumination Rechnung zu tragen, die mittlerweile bei vielen Kino-Produktionen, als Bestandteil der 3D Charakter-Beleuchtung und natürlich auch bei der Beleuchtung von Landschaften und Architekturmodellen zum Standard zählt. Jedoch wird von mir natürlich niemand gezwungen, ab sofort globale Illumination für alle Visualisierungen zu verwenden. Ausführlich wird von mir ebenfalls die Nutzung von Ambient Occlusion und die damit zusammenhängende „Occlusion Sandwich“-Technik behandelt, sowie weitere fortschrittliche Ansätze zum Umgang mit Occlusion-Passes.

Weiterhin werden auch bewährte Beleuchtungstechniken, wie z. B. die Depth Map-Schatten behandelt. Obwohl deren Verwendung für viele Visualisierungsarten mittlerweile etwas antiquiert ist, sollte ein Lighting Technical Director noch immer wissen, wofür Depth Maps verwendet werden können, wie diese angepasst werden können und wie auf typische Fehler, z. B. durch einen schlecht angepassten Bias-Wert oder auf durchsickerndes Licht reagiert werden kann.

Obwohl in dieser dritten Auflage die Kapitelstruktur der zweiten Ausgabe übernommen wurde, sind abschnittweise längere Einschübe hinzugekommen und Unterkapitel ergänzt worden, z. B. zur Beleuchtung von Atmosphären und Unterwasser-Szenen sowie zu Bild-Kompositionen, zur Simulation natürlichen Lichts und zur Beleuchtung eines 3D-Charakters. Ich habe zudem Abschnitte ergänzt, die sich u. a. damit befassen, wie mehrere Lighting-Künstler bei Filmproduktionen in Teams zusammenarbeiten können und gebe neue Tipps zur Entwicklung eines eigenen Demo-Reels und zur eigenen Bewerbung auf eine Stelle in der 3D-Branche.

Bezogen auf den Bereich der Computergrafik kennen Sie sicher bereits die Feststellung, dass die Arbeit an einem Bild nie wirklich abgeschlossen ist. Wir hören nur irgendwann auf, daran zu arbeiten. Filme und Renderings könnten immer noch besser sein. Perfektionisten werden daher immer noch etwas finden, an dem noch etwas ergänzt oder verändert werden könnte. Gleiches trifft natürlich auch auf Bücher zu. Eine bedrohlich näher rückende Deadline ist oft das einzige das uns zwingt, lieb gewonnene Projekte zu beenden. Nachdem ein Buch bereits veröffentlicht wurde, erfüllt mich diese Möglichkeit, alles noch einmal in Ruhe zu prüfen, zu ergänzen und zu aktualisieren mit großer Freude. Ich bin daher sehr glücklich und stolz, Ihnen hiermit diese neue Ausgabe übergeben zu können.

Digitale Inhalte Überall im Buch finden Sie Bezüge zu 3D-Projekten und Szenen, die als Beispiele verwendet werden. Nutzen Sie die Gelegenheit, mit diesen Szenen zu experimentieren und diese für Ihre eigenen Projekte weiter zu entwickeln. Sie finden diese Dateien unter www.3dRender.com

Hinweis zur deutschen Übersetzung Das Original dieses Standardwerks zur digitalen Beleuchtung und zum Rendering in 3D-Programmen liegt in englischer Sprache vor. Wie auch bei anderen Computer- und Softwarethemen üblich, sind dabei viele Begrifflichkeiten oft nicht sinnvoll ins Deutsche zu übertragen oder als Fachausdrücke bereits fest im deutschsprachigen Raum etabliert. An einigen Stellen wurden daher die englischen Fachbegriffe im Text zusätzlich zur deutschen Umschreibung stehen gelassen.

[KAPITEL EINS]

Grundlegende Beleuchtungstechniken Beleuchtungstechniken wurde bereits Jahrzehnte vor dem Siegeszug der Computergrafik angewendet, u. a. am Theater, in der Fotografie, beim Film, aber auch in der klassischen Malerei. Wir als 3D-Künstler können unglaublich viel von diesen traditionellen Beleuchtungsmethoden lernen. Dieses Kapitel stellt daher die wichtigsten Beleuchtungstechniken und Begriffe vor und gibt einen Ausblick auf wichtige Fragen und mögliche Schwierigkeiten, die dabei zu meistern sind.

Die Quelle des Lichts Bevor wir eine Lichtquelle zu unserer Szene hinzufügen, sollten wir uns über den Auslöser Gedanken machen, also über die Ursache dieses Lichts. Diese Ursache können Sie sich als Hintergrundgeschichte des Lichts vorstellen. Wahrscheinlich würden Sie ja auch nicht bereits mit der Animation einer 3D-Figur beginnen, bevor Sie sich nicht Gedanken dazu gemacht hätten, was die Figur überhaupt tun soll. Ebenso wenig würden Sie eine Textur malen, ohne zu wissen, welche Art Oberfläche diese darstellen soll. Dennoch gibt es viele, die Lichtquellen einfach aus dem Bauch heraus und zufällig in der Szene verteilen, ohne sich Gedanken über die Art dieses Lichts zu machen, oder warum gerade an dieser Stelle überhaupt Licht entstehen soll.

Der Gedanke an die Ursache und Art des Lichts sollte jeder Entscheidung vorweggehen, die mit den Einstellungen einer Lichtquelle zusammenhängt. Wenn Sie diese Beleuchtungsursache kennen, wissen Sie auch, wie intensiv dieses Licht sein sollte und welche Arten von 3D-Lichtquelle dafür infrage kommen.

Der Off-Screen-Raum Mit Off-Screen ist der Raum gemeint, der nicht von Ihrer Kamera eingesehen wird, also z. B. der Bereich über der Kamera. Die Lichtwirkung, die Schattenwürfe und die Spiegelungen, die wir z. B. auf einem Foto sehen, haben ihre Ursache oft außerhalb des sichtbaren Bilds und werden weniger durch Lichtquellen ausgelöst, die mit abgebildet sind. Ein wichtiger Teil der Beleuchtungsarbeit liegt daher darin, die richtigen Lichtquellen im Off-Screen-Raum zu erstellen und damit eine realistische Beleuchtung zu erreichen.

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie die Beleuchtung des Off-Screen-Raums die Gesamtwirkung des Bilds beeinflussen kann, werfen Sie einen Blick auf die Fotos der

Abbildung 1.1. Nur über die Veränderungen des Lichts erhalten wir viele Informationen darüber, wo das Foto entstanden ist.

Wie erreichen wir es, dass unsere Beleuchtung dem Betrachter ebenso viel über die Umgebung der Objekte verrät? Wie können wir nur über das Licht derart viel über die Bereiche verraten, die eigentlich gar nicht zu sehen sind? Die Antworten auf diese Fragen liegen in dem Studium der zur Verfügung stehenden Eigenschaften jeder einzelnen Lichtquellenart.

Abbildung 1.1: Links oben wird die Szene von einer Schreibtischlampe beleuchtet, oben rechts fällt das Licht durch ein Fenster. Die Fotos in der unteren Reihe zeigen die Beleuchtung durch einen bedeckten Himmel (unten links) und durch direktes Sonnenlicht (unten rechts).

Die Eigenschaften des Lichts Durch die Wahrnehmung der Eigenschaften des Lichts können wir Rückschlüsse auf dessen Quelle schließen. Dabei sind die Haupteigenschaften die Farbtemperatur des Lichts, die Helligkeit, die Weichheit, Muster und Variationen im Licht sowie der Einfallswinkel des Lichts.

Jede Art Lichtquelle hat eine ganz bestimmte Farbtemperatur, über die sich die Farbe des Lichts ergibt. In Kapitel 8 erforschen wir künstlerische und wissenschaftliche Aspekte der Farben. Dort finden Sie dann auch Tabellen mit Farbtemperaturen realer Lichtquellen und es wird erläutert, warum Farben immer in einem relativen Kontext wahrgenommen werden und was es mit dem Weißabgleich der Kamera auf sich hat.

Die Helligkeit, wie auch die Farbe, ist immer in Abhängigkeit der Einstellungen an der Kamera zu verstehen und verändert sich daher u. a. mit der Belichtungszeit. Kapitel 6 erklärt daher die Vorgänge beim Belichten durch eine Kamera und wie wir eine 3D-Szene beleuchten müssen, um eine reale Filmaufnahme zu simulieren.

Die Weichheit des Lichts ergibt sich aus diversen Einstellungen einer Lichtquelle. So sorgt z. B. die Lichtabnahme an den Flanken eines Spots für die Weichheit seines Lichtkegels. Die Eigenschaft der Lichtabnahme legt fest, wie sich die Helligkeit mit der Entfernung zur Lichtquelle reduziert. Schließlich tragen auch weiche Schatten dazu bei, eine Illusion von weichen, diffusen Lichtquellen zu erzeugen, wogegen harte Schatten für hartes Licht stehen. Die Abbildung 1.1 zeigte sowohl die harten Sonnen-Schatten an den Schachfiguren, wie auch die weichen Schatten, wie sie ein bedeckter Himmel erzeugt. In Kapitel 3 stellen wir verschiedene Techniken vor, um harte und weiche Schatten zu berechnen und besprechen, wann Schatten durch Ambient Occlusion ersetzt werden können.

Strukturen im Licht und auch die Form einer Lichtquelle sind weitere wichtige Eigenschaften. Die Abbildung 1.1 zeigt bereits solche Effekte, die z. B. entstehen, wenn Sonnenlicht durch einen Vorhang fällt. Kapitel 2 widmet sich diesem Thema und behandelt u. a. sogenannte Cookies, um verschiedene, typische Lichtmuster zu reproduzieren.

Der Einfallswinkel des Lichts sagt uns, von wo Licht kommt. So kommt Sonnenlicht am späten Nachmittag z. B. aus einem flacheren Winkel als am Mittag. Als Lichtdesigner nutzen wir Lichtrichtungen um damit verschiedene Wirkungen zu erzielen, z. B. als Hauptlicht (Key Light), Streiflicht (Kicker) oder Randlicht (Rim Light). Die gezielte Lichtausrichtung zur Erzeugung verschiedener visueller Funktionen wird in Kapitel 5 u. a. am Beispiel der Figurbeleuchtung erläutert.

Fast alle Adjektive, die wir zur Umschreibung von Licht benutzen, sind gleichzeitig Eigenschaften des Lichts. Manchmal betrachte ich auch eine Bewegung, also z. B. ob ein Licht flackert oder statisch bleibt, ebenfalls als eine Eigenschaft des Lichts. Einige halten den Kontrast ebenfalls für eine Lichteigenschaft, wobei ich selbst diesen eher als eine Kombination aus der Helligkeit und Weichheit des Lichts in der Szene interpretiere. Was

jedoch in jedem Fall auf alle Lichteigenschaften zutrifft ist, dass Sie diese im echten Leben um uns herum beobachten und studieren können, um diese Effekte dann mit den Lichtquellen in der 3D-Welt zu simulieren.

Um sich klar darüber zu sein, welche realen Lichtquellen wir uns näher ansehen sollten, müssen wir uns zuerst überlegen, welches Licht für die Beleuchtung unserer 3D-Szene verantwortlich sein soll.

Direktes und indirektes Licht Direktes Licht kommt direkt von einer Lichtquelle, wie z. B. einer Glühbirne oder der Sonne und trifft von dort kommend auf eine Oberfläche. Indirektes Licht wird durch Abprallen von mindestens einer Oberfläche auf Objekte reflektiert und erhellt dadurch indirekt. Das Licht einer Stehlampe, die einen kreisförmigen Bereich der Decke ausleuchtet, ist also direktes Licht. Das von der Decke reflektierte Licht, das den gesamten Raum weich ausleuchtet, ist hingegen indirektes Licht.

Direkte Lichtquellen sind normalerweise die hellsten Lichter Ihrer Szene, wogegen das z. B. von einer Wand oder dem Boden reflektierte indirekte Licht für die diffuse Streuung des Lichts und die daraus resultierende weiche Beleuchtung steht. In Kapitel 4 wird erklärt, wie zusätzliche Lichter konfiguriert werden können, um indirektes Licht zu simulieren, das sich in der Szene durch Reflexionen verteilt. Ebenso gehen wir dort auf die globale Illumination ein, mit deren Hilfe diffuses Licht automatisch simuliert werden kann.

Tricksen Tricksen bedeutet hier, das absichtliche Abweichen von Eigenschaften, die eine Lichtquelle eigentlich hätte. Dabei sollte ein Betrachter des Bilds diesen Kunstgriff möglichst nicht störend wahrnehmen.

Tricksen in 3D Die Abbildung 1.2 gibt Ihnen ein einfaches Beispiel zum Tricksen mit Lichtquellen, wobei dort das Kerzenlicht als Hauptlichtquelle eingesetzt wurde. Mit einer Punkt-Lichtquelle an der Position der Flamme wird die gesamte Szene beleuchtet. Die Buddha-Statue wird ebenfalls von diesem Kerzenlicht erhellt, aber nur in einem schmalen Bereich an der Seite.

Abbildung 1.2: Ohne Tricksen gelingt es dem Licht der Kerzenflamme nicht, die Statue ansprechend auszuleuchten.

Insgesamt wirkt die Abbildung 1.2 zwar einigermaßen glaubhaft, aber mir erscheint der Buddha nicht ausreichend ausgeleuchtet. Das direkte Kerzenlicht erreicht nur eine Hälfte der Statue und kann deren gesamte Form nicht richtig herausarbeiten. Trotz der dominanten Position und Größe der Statue wird der Buddha dadurch nicht gut genug in Szene gesetzt.

Um die Beleuchtung der Statue zu verbessern, erstelle ich eine Kopie der Lichtquelle und beschränke die Wirkung dieser neuen Lichtquelle ausschließlich auf die Buddha-Statue. Das zusätzliche Licht wird also alle anderen Bereiche und Objekte der Szene nicht zusätzlich beleuchten können. Wir kommen auf diese Funktion noch in Kapitel 2 zurück. Anschließend folgt der eigentliche Trick, denn ich bewege die neue Lichtquelle etwas nach vorne, auf den Betrachter zu. Die Abbildung 1.3 stellt diese Position in einer Ansicht von oben auf die Szene dar. Zudem helle ich dieses Licht noch zusätzlich auf. Der Buddha erhält dadurch noch helleres Licht, was natürlich auch wieder eine Trickserei ist.

Wie in Abbildung 1.4 zu erkennen, wird die Form der Statue nun durch das ergänzte Licht viel besser herausgearbeitet.

Abbildung 1.3: Das Punkt-Licht am unteren Rand der Abbildung verwendet viele Eigenschaften der Kerzenflamme, wurde jedoch an einer anderen Stelle platziert, um die Statue frontaler zu beleuchten.

Abbildung 1.4: Durch das getrickste Licht erscheint die Buddha-Statue besser durch die Kerzenflamme ausgeleuchtet.

Die Objekte im Hintergrund (die Vase und die Schalen mit den Räucherstäbchen) sind derart hell, dass sie die Aufmerksamkeit zu stark auf sich ziehen. Ich nehme mir daher deren Materialien erneut vor und dunkele diese etwas ab. Zudem reduziere ich deren Glanz. Auch dies ist wieder ein Trick, um dem Betrachter eine größere Distanz zwischen diesen Objekten und der Kerzenflamme vorzugaukeln. Dies hilft uns, den Buddha

zusätzlich hervorzuheben. Die Abbildung 1.5 stellt diese Szene erneut dar, bei der nun die Objekte im Hintergrund abgedunkelt wurden und die Statue jetzt die gewünschte Aufmerksamkeit erhält.

Abbildung 1.5: Das Abdunkeln der Objekte im Hintergrund der Szene und das Ergänzen eines zusätzlichen Streiflichts führen zu einer Hervorhebung der Statue.

Einen weiteren Trick haben Sie vielleicht bereits in Abbildung 1.5 entdeckt, denn ich habe zusätzlich noch ein Randlicht an der oberen rechten Flanke der Statue ergänzt. Dieses Licht könnte z. B. von einer weiteren Kerze kommen, die im Off-Screen-Bereich der Szene steht. Tatsächlich handelt es sich aber nur um einen gängigen Trick, um ein Objekt noch besser vom Hintergrund und der Umgebung zu trennen. Wir sprechen in Kapitel 5 noch ausführlich darüber, wie Randlichter konfiguriert und ausgerichtet werden.

Solche Tricks sind völlig normal und gängig bei nahezu allen 3D-Projekten. Der Schattenwurf einer Figur, der ungünstig auf andere Figuren fällt, wird z. B. oft einfach entfernt oder verschoben. Scheinbar von einer Lampe auf eine Figur fallendes Licht kann tatsächlich aus einer ganz anderen Richtung und Entfernung kommen, wenn dadurch die Figur vorteilhafter erscheint. Die Silhouette einer Form lässt sich schön durch Randlichter herausarbeiten, selbst wenn vielleicht gar keine passende Lichtquelle an der entsprechenden Stelle der Szene vorhanden ist. Selbst wenn eine physikalisch korrekte und realistische Szene erzeugt werden soll und Sie daher keine Tricks verwenden möchten, kann es dennoch durch den Auftraggeber zu Änderungswünschen kommen, die solche Tricks nötig machen.

Tricksen in Realfilmen Zu wissen, wie bei 3D-Grafiken getrickst werden kann, ist sehr wichtig. Selbst bei normalen Filmaufnahmen kommen derartige Tricks und Kniffe zum Einsatz. Der Lichtschimmer des durch ein Fenster fallenden Sonnenlichts kommt dort vielleicht von Lichtern, die an der Studiodecke hängen. Eine Schauspielerin in einem dunklen Wald wird eventuell im Gesicht durch zusätzliches Licht ausgeleuchtet, obwohl sie normalerweise viel dunkler erscheinen müsste. Sogar die Wände eines Filmsets haben manchmal Rollen (Fachbegriff Wild Wall), um sie leichter aus dem Weg und unabhängig von anderen Elementen verschieben zu können.

Warum jedoch sind Lichtdesigner und Beleuchter auf derartige Tricks angewiesen? Warum können wir nicht einfach die Beleuchtung so akkurat und realistisch wie möglich anlegen? Die Antwort ist recht simpel, denn sowohl Filme als auch die Beleuchtung sind Kunstformen, nicht nur bloße Wissenschaft. Eine tiefer gehende Antwort benötigt ein Verständnis dafür, wie Künstler das Licht verwendet, um die Bildstimmung und –Wirkung zu beeinflussen.

Visuelle Bedeutung des Lichtdesigns Beim Beleuchten geht es um mehr als nur um das Simulieren realer Lichtquellen. Vielmehr lassen sich mit Licht bestimmte Bildwirkungen erzielen und ausdrucksstarke Bilder präsentieren. Die Bildwirkung hängt davon ab, wie interessant oder auch uninteressant Ihr Licht die Szene erscheinen lässt.

Die Lesbarkeit verbessern Wie in der Fotografie, der Filmproduktion und der Malerei, geht es beim 3D-Rendering darum, aus einer 3D-Szene ein zweidimensionales Motiv zu erstellen. Mit die Lesbarkeit verbessern ist daher gemeint, dass ein Betrachter des Bilds genügend Informationen erhält, wie der 3D-Raum dieses Motivs und wie die abgebildeten Objekte tatsächlich aussehen. Damit Ihre Renderings ausdrucksstark wirken und die 3D-Form der dargestellten Objekte gut vermitteln, müssen Sie Ihre Modelle sorgsam ausleuchten. Einige nennen dies die Modellierung mit Licht, da ein Betrachter hierdurch die komplexe Form der 3D-Modelle begreifen kann. Wie z. B. eine organische Figur mit Licht herausgearbeitet werden kann, wird in Kapitel 5 besprochen.

Objekte glaubhaft darstellen In der Computergrafik lassen sich verschiedene Stilrichtungen für die Darstellung und das Rendering verwenden. Einige Projekte benötigen Fotorealismus (Renderings, die nicht von einem Foto unterschieden werden können), wogegen andere Projekte eine stilisierte Darstellung oder z. B. einen Comic-Look benötigen. Egal, ob Ihr Rendering fotorealistisch sein soll oder nicht, die Beleuchtung muss in jedem Fall glaubhaft erscheinen. Ein glaubhaftes Bild hält sich zumindest an gewisse Vorgaben, bei denen z. B. die Lichter derart aufeinander abgestimmt sind, wie wir es aus der Realität gewohnt sind. So erwartet ein Betrachter z. B., dass durch ein Fenster fallendes Sonnenlicht immer intensiver ist, als das Licht der Tischlampe im gleichen Raum. Sogar in Zeichentrickfilmen erwarten wir die Einhaltung gewisser Regeln, z. B. was Balance und Gewicht angeht. Dabei kann die Einhaltung dieser Beleuchtungsgrundsätze selbst eine völlig unrealistische Szene noch glaubwürdig erscheinen lassen.

Der Schlüssel zu einer glaubhaften Beleuchtung liegt in der Betrachtung des realen Lebens. Vor Beginn eines neuen Projekts sollten Sie daher die Lichtstimmung an Orten analysieren, die Ihrer 3D-Szene nahekommen. Selbst für Spezialeffekte geben abgefilmte reale Objekte, Tiere oder Menschen eine gute Referenz ab, wie sich vergleichbare Elemente in einer virtuellen Umgebung verhalten könnten. Bei komplett in 3D umgesetzten Projekten können Referenzbilder der realen Welt hilfreich sein, auf denen sich Farben und Licht studieren lassen. Egal, wie Sie an derartige Referenzen kommen, z. B. durch eigene Fotografien, eine Bildersuche im Internet oder durch Kopieren aus Filmen, solche Vorlagen sind in allen Projektphasen hilfreich.

Sie können solche Bilder z. B. bereits in der Pitch-Phase einem Kunden zeigen und auch in späteren Projektphasen diese Bilder noch mit Ihren Renderings abgleichen, um Korrekturen vorzunehmen.

Nur schlechte Künstler machen ihre Werkzeuge für eine nicht gelungene Arbeit verantwortlich. Ein Teil der Arbeit an einem glaubhaften Motiv besteht immer darin, Fehler und Schwächen der eigenen Soft- oder Hardware zu kompensieren. Nahezu alle in diesem Buch besprochenen Effekte, wie das indirekte, von einer Wand zurückgeworfene Licht oder gar die Lichtdurchlässigkeit menschlicher Haut, können durch sorgfältige Texturierung, Beleuchtung und Bildbearbeitung simuliert werden, auch wenn Ihre Software nicht alle Effekte automatisch simulieren kann. Der Betrachter Ihrer Bilder möchte glaubhafte und eindrucksvolle Motive sehen und sicher keine Entschuldigungen über Fehler Ihrer Software hören.

Shader und Effekte verbessern

Bei 3D-Grafiken werden Lichter auch deswegen hinzugefügt, um spezielle Eigenschaften von Oberflächen besser hervorzuheben. So könnten Sie z. B. ein Licht deshalb hinzufügen, um das Auge einer Figur feuchter und glänzender erscheinen zu lassen, oder um einer Aluminiumdose durch einen zusätzlichen Schimmer metallischer wirken zu lassen. Viele dieser Effekte, die eigentlich vollständig über Texturen und Shader zu realisieren wären, können nur durch Lichtquellen tatsächlich herausgearbeitet werden. Egal wie aufwändig Sie Ihre Materialien definieren, es ist die Aufgabe der Lichter, Ihr Gold-Material tatsächlich zum Glitzern zu bringen.

Effekte, wie Wasser, Rauch und Wolken verlangen oft eine speziell darauf angepasste Beleuchtung. Die Abteilung für derartige Spezialeffekte wird Ihnen vielleicht die Regentropfen simulieren, es ist jedoch Ihre Aufgabe als Lighting-Artist, diesen Tropfen Glanz oder ein Streiflicht zu geben, damit der Regen tatsächlich sichtbar wird. Andere Effekte, wie z. B. eine Explosion, stellen in der Realität ebenfalls Lichtquellen dar. Sie müssten daher in diesem Fall zusätzliche Lichter setzen, um die Umgebung der Explosion rötlich glühend auszuleuchten.

Die Kontinuität sicherstellen Wenn Sie an umfangreicheren Projekten, wie z. B. einer Filmproduktion mitarbeiten, sind viele Menschen bei der Beleuchtung jeder Szene involviert. Obwohl somit die Beleuchtung das Werk vieler Künstler ist, gilt es sicherzustellen, dass bei der Betrachtung der zusammengeschnittenen Einzelszenen keine visuellen Brüche entstehen. In Kapitel 12 werden daher Strategien vorgestellt, wie ein Beleuchter-Team arbeiten kann, um diese Kontinuität sicherzustellen. Dazu gehört z. B. die Wiederverwertung von Lichtanordnungen für Szenen oder einzelne Figuren, das Übertragen von Licht aus einer Hauptszene auf andere Einstellungen des Films und die Angleichung der Beleuchtung in den kombinierten Filmsequenzen.

Im Bereich der Spezialeffekte verschärfen sich die Anforderungen an die Kontinuität, denn 3D-Elemente müssen dort oft mit abgefilmten Elementen kombiniert werden. Im Laufe eines Drehtags ist die Sonne sicherlich manchmal auch hinter einer Wolke verschwunden oder zeigt durch andere Einflüsse in den Sequenzen eine unterschiedliche Färbung oder Intensität. Obwohl die glaubhafte Integration z. B. eines Raumschiffs oder einer virtuellen Kreatur in ein Realbild bereits sehr wichtig ist, ist die Kontinuität mit angrenzenden Filmsequenzen ebenso zu beachten. So kann es durchaus vorkommen, dass Sie die eigentlich stimmige Beleuchtung einer Szene nochmals überarbeiten müssen, um die Kontinuität mit nachfolgenden Szenen zu gewährleisten.

Das Auge des Betrachters führen Bei gut ausgeleuchteten Szenen wird das Auge des Betrachters automatisch von den Bereichen angezogen, die z. B. für die zu erzählende Geschichte oder die Animation wichtig sind. In Kapitel 7 vertiefen wir, wie eine gute Bildkomposition funktioniert und wie wir die Aufmerksamkeit des Betrachters lenken können. Neben der Hervorhebung eines für uns wichtigen Elements, vermeidet eine gute Ausleuchtung nämlich auch, dass der Betrachter von anderen Dingen im Bild abgelenkt wird. Wenn Sie einen Animationsfilm ansehen und Ihnen dabei plötzlich etwas Ungewöhnliches auffällt, wie ein merkwürdiges Flackern, ein Glanzpunkt, der dort nicht hingehört oder ein Schatten, der sich in ungewohnter Form auf eine Figur legt, wandern Ihre Aufmerksamkeit und Ihr Blick fort von der Akteuren der Szene und, was noch schlimmer ist, fort von der gerade erzählten Geschichte. Gutes Licht kann einen Film stark aufwerten, sollte aber auch nie von der Handlung des Films ablenken.

Die emotionale Komponente Sobald das Publikum in eine Geschichte eingetaucht ist und mit den Hauptfiguren mitfiebert, wird Ihre Beleuchtung praktisch nicht mehr wahrgenommen. Stattdessen wird das Licht zum Bestandteil einer Stimmung oder eines Gefühls. Dies bewusst zu erzeugen und die Gefühle des Publikums positiv zu beeinflussen, gehören zu den wichtigsten Zielen des Lichtdesigns bei Kinoproduktionen. Kapitel 8 beschäftigt sich daher mit den Stimmungen und Assoziationen, die mit unterschiedlichen Farbwelten erzeugt werden können. Ohne die natürlichen Eigenschaften und die Glaubhaftigkeit des Lichts negativ zu beeinflussen, können Sie die Bildsprache und Bildstimmung dennoch beeinflussen. Handelt es sich um hartes, intensives Licht mit starken Kontrasten und scharfen Schatten? Wird eher diffus, indirekt und weich beleuchtet, mit weichen Schatten? Finden sich viele intensive, stark gesättigte Farben in der Szene oder ist alles eher trist und schummerig? Gibt es vielleicht ein Ereignis oder einen Ort in der Szene, an dem sich die Farben und Kontraste verändern, um dadurch auch Veränderungen an einem Bildelement darzustellen? Die zu erzählende Geschichte zu kennen und ggf. mit dem Regisseur den Kern einer Szene zu diskutieren, gehören zu den Schlüsselpunkten bei der Planung einer bestimmten Bildstimmung.

Diese Ziele eines guten Lichtdesigns sind nur im Rahmen eines künstlerischen Prozesses zu erreichen, der sich an der Filmkunst orientiert, die sich wiederum viel von der klassischen Malerei abgeschaut hat. Obwohl dieses Buch auch Technologien bespricht, durch die die Beleuchtung teilweise automatisiert oder simuliert werden kann, liegt der Kern guter Beleuchtung noch immer in der Meisterschaft klassischer Techniken, die auch nicht durch eine neue Funktion zukünftiger 3D-Programme an Bedeutung verlieren werden.

Übung macht den Meister Das Beleuchten ist ein iterativer Prozess. Die laufende Überarbeitung Ihrer 3D-Szene und das Verfeinern Ihrer Beleuchtung sind sehr wichtig für Ihre Entwicklung als Lichtdesigner, vor allem wenn Sie dazu Rückmeldungen von anderen erhalten können. Um Ihnen dabei eine Hilfestellung zu leisten, finden Sie auf der englischen Webseite zu diesem Buch www.3dRender.com eine kontinuierlich anwachsende Zahl an Beispielszenen in verschiedenen Dateiformaten (http://3drender.com/challenges/index.htm). In einem angrenzenden Diskussionsforum können Sie beobachten, wie andere an die Beleuchtung dieser Szenen herangegangen sind. Teilweise sind dort auch Zwischenstufen dieser Arbeiten zu sehen, verwendete Render-Passes oder andere nachträglich ergänzte Elemente. Besonders hilfreich ist aber sicherlich die Möglichkeit, Rückmeldungen zu den präsentierten Arbeiten zu erhalten.

Obwohl diese Beleuchtungswettbewerbe ursprünglich als reine Möglichkeit konzipiert wurden, online mit anderen in einen kreativen Wettkampf zu treten, sind diese Szenen natürlich ebenso wertvoll für diejenigen unter Ihnen, die fertige Szenen zum Üben der 3D-Ausleuchtung suchen, egal ob Sie die Ergebnisse zur Diskussion stellen möchten oder nicht. Beim Lesen dieses Buchs werden Sie feststellen, dass ich viele dieser Szenen auch in Abbildungen verwende, um daran Prinzipien und Konzepte zu erläutern. Dennoch können diese Szenen natürlich auch in zahllosen anderen Variationen beleuchtet und gerendert werden. Die Abbildung 1.6 zeigt so z. B. einige Ergebnisse verschiedener Künstler, die alle mit der gleichen Stillleben-Szene einer Fruchtschale gearbeitet haben. Wie wäre es, wenn Sie ebenfalls diese Szene laden und Ihre eigene Interpretation versuchen?

Abbildung 1.6: Das Fruchtschalen-Stillleben interpretiert von Angel Camacho (oben links), Lazhar Rekik (oben rechts), Florian Wild (Mitte links), Andrzej Sykut (Mitte rechts), Holger Schömann (unten links) und Ctrlstudio (unten rechts).

Ihr Arbeitsplatz Bevor Sie sich in die Arbeit stürzen und 3D-Szenen beleuchten, beschäftigen Sie sich mit der Lichtsituation in Ihrem Büro und der Umgebung Ihres Computers.

Wenn Sie in einem Raum mit direktem Sonnenlicht arbeiten oder sehr helle Lampen an der Decke verwenden, kann die Beurteilung einer 3D-Szene auf dem Monitor dadurch beeinträchtigt sein. Stellen Sie daher vor Arbeitsbeginn sicher, dass alle Lampen im Arbeitsraum in der Intensität reduziert oder ausgeschaltet sind und Sie keine störenden Reflexionen auf dem Monitor sehen können.

Nehmen Sie sich zudem die Zeit und vergewissern Sie sich, dass Ihr Monitor gut kalibriert ist. Eine ganz einfache Methode dabei ist, sich eine entsprechende Grafik, wie in Abbildung 1.7 anzeigen zu lassen. Sie finden dieses Bild ebenfalls unter www.3dRender.com. Justieren Sie Ihren Monitor so, dass Sie alle Ziffern in der oberen und unteren Reihe lesen können. Ansonsten sehen Sie nur einen eingeschränkten Bereich des gesamten Dynamikspektrums. Verwenden Sie in diesem Fall die Regler für Helligkeit und Kontrast direkt an Ihrem Monitor oder in den entsprechenden Software-Einstellungen Ihres PCs, damit alle Helligkeitsabstufungen sichtbar werden.

Abbildung 1.7: Wenn Sie dieses Bild auf Ihrem Monitor betrachten, sollten alle Ziffern gut lesbar sein.

Wenn Sie zu irgendeinem Zeitpunkt ausgedruckte Bilder liefern müssen, ist dafür die beste Methode, zuerst ein Testbild auszudrucken und anhand dieses Ausdrucks den Monitor so einzustellen, dass das angezeigte Bild dem Ausdruck entspricht. Diese Art der Kalibrierung

kann nie perfekt für jede Farbe sein, Sie sollten so aber zumindest eine aussagekräftige Druckvorschau erhalten können.

Wenn Sie etwas für ein Video oder eine Fernsehausstrahlung produzieren, hat sich bewährt, das Ergebnis nicht nur auf einer Sorte Fernseher zu betrachten. Viele Studios benutzen für die finale Farbkalibrierung spezielle und teure Kontrollmonitore, die eine präzise Farbwiedergabe ermöglichen.

Was der Konsument daheim auf seinem Fernseher sieht, mag jedoch wieder ganz anders wirken. Wenn sie die Möglichkeit haben, Ihre Produktion auf verschiedenen Fernsehern zu überprüfen, gibt Ihnen das oft eine bessere Idee davon, wie es wahrscheinlich beim Endkunden aussehen wird.

Kreative Kontrolle Diese Lektion haben Sie vielleicht schon in einem Fischrestaurant gelernt: „Wenn es nach Fisch riecht, ist es wahrscheinlich kein frischer Fisch“. Ganz ähnlich lässt es sich auf den Bereich der Computergrafik übertragen: „Wenn es nach Computergrafik aussieht, ist es keine gute Computergrafik“. Wenn ein Bild gut ausgeleuchtet und gut gerendert wird, drängt sich die dahinter stehende Technologie nicht mehr auf. Der Betrachter empfindet das Bild vorrangig als angenehm, realistisch oder vielleicht innovativ in seiner Komposition. Wenn wir ein erstklassiges Rendering sehen, dürfte die Tatsache, dass es am Computer entstanden ist, nicht das erste sein, an das wird denken.

Immer wenn Sie als Künstler die volle Kontrolle über das 3D-Rendering haben, liegt es nur noch an Ihnen, was ein Betrachter in Ihrer Arbeit sieht. Dass das Werk am Rechner entstanden ist, wird zweitrangig. Das Ziel dieses Buchs ist daher, Ihnen die volle Kontrolle über die Beleuchtung und das Rendering zu geben, damit jeder Aspekt Ihrer Bilds exakt Ihrer Vorstellung entspricht und eine Folge wohl überlegter Entscheidungen ist.

Jedes Kapitel wird sich mit einem Aspekt der Beleuchtung oder des Renderings von 3D-Sezen beschäftigen, wie die Zusammenhänge sind und wie wir Verbesserungen bewirken können. Im kommenden Kapitel geht es damit los, wie die ersten Schritte bei der Beleuchtung einer Szene aussehen sollten, welche Art von Licht erzeugt werden sollte und welche Einstellungen an diesen Lichtern zu beachten sind.

[KAPITEL ZWEI]

Grundlagen der Beleuchtung und Übungen dazu Es gibt kaum zufällig gute Ergebnisse bei 3D-Grafiken. Um professionelle Arbeiten abzuliefern, müssen Sie die volle Kontrolle über jeden Schritt der Beleuchtung übernehmen, angefangen bei der ersten Planung, bis hin zur möglichen Überarbeitungen des Ergebnisses. Sie müssen für jeden Zweck die richtige Art von Licht wählen, Testberechnungen für jedes Licht durchführen, die Optionen und Einstellungendes Lichts anpassen und verschiedene Versionen zur Vorlage erstellen, bis der Kunde oder die künstlerische Projektleitung zufrieden sind.

Den kreativen Prozess starten Wo fängt der Beleuchtungsprozess an? Die Antwort kann je nach Projekt und Arbeitsumfeld unterschiedlich ausfallen. Bei kleinen Firmen lässt sich viel bereits durch ein direktes Gespräch mit dem Kunden oder der künstlerischen Leitung erledigen. So erfahren Sie z. B., dass die Szene nachts, vor einem Premierenkino spielen soll. Es sollen ein in blauen oder violetten Tönen gehaltener Himmel und Blitzlichter von Fotokameras zu sehen sein, durch die Personen von allen Seiten beleuchtet werden. Zudem sollen Scheinwerfer im Hintergrund Lichtbündel in den Himmel schicken. Dank so einer Beschreibung können Sie bereits Konzepte entwerfen, die Sie am folgenden Tag zur Abstimmung präsentieren können.

Die Präsentation von Entwürfen hilft bei der Diskussion und dem Herausarbeiten des gewünschten Ziels. Wenn Ihnen eigene Konzept- oder Referenzbilder fehlen, machen Sie sich im Internet auf die Suche nach passenden Vorlagen, scannen Sie Bilder aus Magazinen oder Büchern ein oder kopieren Sie sich Bilder aus Videos. Je schneller Sie erste Bilder und Entwürfe vorlegen können, desto einfacher und besser wird die Kommunikation in der Startphase des Projekts verlaufen.

Eine gängige Aufgabenstellung bei Spezialeffekten ist die Beleuchtung von 3D-Eementen und das Einsetzen in einen Realfilm. Dazu erhalten Sie wahrscheinlich Background Plates, also digitale Bilder aus diesem Film. Oft gibt es zusätzliche Referenzbilder, z. B. einer Styroporkugel oder anderer einfacher Objekte, die vor die Kamera gehalten wurden. Mit diesen Hilfsmitteln können Sie die Beleuchtung Ihrer 3D-Szene besser an die Lichtstimmung am Drehort anpassen. Ihre Background Plate gibt den Fahrplan für die Beleuchtung der Szene vor. Analysieren Sie den Lichtwinkel, die Schattenschärfe sowie die Farben und Kontraste dieses Bilds, damit Ihre Beleuchtung möglichst gleich ausfällt.

Wenn Sie an einem reinen Animationsfilm mitwirken, hat die künstlerische Abteilung bereits lange vor Beginn Ihrer Beleuchtungsarbeit das Aussehen aller Szene definiert.

Wahrscheinlich liegen daher bereits Illustrationen oder gemalte Bilder vor, die u. a. die Lichtstimmung jeder Szene festlegen. Lassen Sie sich von diesen Vorgaben inspirieren und versuchen Sie, Farben und Veläufe möglichst exakt nachzubilden. Die Wahl der 3D-Funktionen und Lichtquellen steht Ihnen dabei frei.

Wann beleuchtet wird Befindet sich Ihr Projekt noch in einer frühen Phase, wie z. B. der Modellierung oder dem Rigging (Vorbereitung von Figuren für die Animation), werden Sie sicher nicht viel Zeit mit der Beleuchtung verschwenden wollen. Es reicht eine einfache Grundbeleuchtung aus, damit alle Modelle gut gesehen werden.

Geht es dann an die ersten Testberechnungen der Animation, sollte zumindest eine Lichtquelle auch für Schattenwürfe sorgen. Fehlen Schatten, können unerwünschte Abstände zwischen Objekten, wie z. B. ein über dem Boden schwebender Fuß, schnell übersehen werden. Solche Fehler fallen bei voll ausgeleuchteten Szenen noch stärker ins Auge, daher sollte bereits bei den Testberechnungen darauf geachtet werden.

Die eigentliche Beleuchtung beginnt, wenn alle Objekte an Ort und Stelle sind. Sie wissen nun, wo die Kamera steht und welche Elemente direkt zu sehen sind. Die Animation ist bereits final, sodass Sie wissen, wo z. B. die Figuren agieren. Ebenso sind zu diesem Zeitpunkt bereits alle Shader und Texturen zugewiesen. Sie sehen also, wie die Oberflächen auf Licht reagieren. Manchmal zwingt der Produktionsablauf auch zum Beleuchten, obwohl noch Veränderungen an den Animationen oder gar an der Kamera vorgenommen werden. Das ist nicht wünschenswert, aber oft ein notwendiges Übel. So eine Szene zu beleuchten bedeutet, dass Sie Zeit verschwenden, weil Sie die Szene ggf. mehrfach überarbeiten müssen, wenn sich die Animation, die Shader oder Texturen nachträglich noch verändern.

Verändern, Rendern, Vergleichen Ihr erstes gerendertes Bild ist im besten Fall ein grober Entwurf dessen, was Sie im finalen Ergebnis erzielen möchten. Ein Großteil der Zeit beim Beleuchten wird mit der Überprüfung und Verbesserung Ihrer Beleuchtung verbracht. Das ist der Kern Ihrer Arbeit. Die Kunst der Beleuchtung liegt in der kontinuierlichen Überarbeitung des Lichts, um zum Zeitpunkt der Abgabe das bestmögliche Ergebnis zu liefern. Diese Überprüfungs-Schleife ist ein essentielles Element: Sie verändern etwas, warten auf das Testrendering, bewerten dieses und korrigieren erneut. Je schneller Sie nach einer Veränderung Ergebnisse sehen und vergleichen können, desto effektiver ist diese Methode. Sie können schneller arbeiten und am Ende der Produktionszeit ein ausgereifteres Ergebnis präsentieren.

Wie erhalten wir nun aber schnellere Ergebnisse? Einige Veränderungen, wie das Verschieben einer Lichtquelle oder das Anpassen des Öffnungswinkels an einem Spot, können mit vielen aktuellen Programmen bereits in Echtzeit dargestellt werden. Dazu gehören die Haupteigenschaften des Lichts, wie dessen Helligkeit, der entstehende Glanz und die Schatten. Diese Echtzeitdarstellung ist jedoch nur begrenzt verbindlich oder präzise und weicht normalerweise von dem ab, was wir im finalen Rendering sehen werden.

Wenn Sie Testberechnungen durchführen, sollten Sie die folgenden Punkte beachten, um Zeit zu sparen:

Lassen Sie nur die Objekte sichtbar, die Sie wirklich sehen müssen. Wenn es besonders komplexe Objekte in Ihrer Szene gibt, können diese oftmals ausreichend genau durch einfache Geometrien ersetzen werden, um die Beleuchtung in der Umgebung zu überprüfen.

Wenn Sie gezielt an den Einstellungen einer Lichtquelle oder an deren Schattenwurf arbeiten, schalten Sie alle übrigen Lichter für das Rendering aus. Die Betrachtung einer einzelnen Lichtquelle und deren Wirkung auf die Gesamtszene wird dadurch viel klarer und Sie sparen zusätzlich wertvolle Berechnungszeit, die ansonsten für die Darstellung der Beleuchtungswirkung der übrigen Lichter verwendet werden müsste.

Die meisten Anpassungen betreffen nur Teile eines Motivs. Lassen Sie daher nicht immer das gesamte Bild rendern, sondern beschränken Sie das Rendering auf die für Sie gerade wichtige Region.

Auch wenn Sie Animationen in Kinoauflösung liefern müssen, führen Sie die Testberechnungen nur in Videoauflösung durch und ergänzen diese für die Abnahme durch nur einige Renderings in voller Auflösung, bis die Beleuchtung durch den Kunden abgenommen wurde.

Schalten Sie alle Funktionen und Effekte aus, die unmittelbar nichts mit dem zu tun haben, was Sie gerade bearbeiten. Für viele Testberechnungen reicht es auch, dass die Haare einer Figur nicht zu sehen sind. Raytracing, globale Illumination oder hochwertiges Anti-Aliasing (Kantenglättung) sind für Testberechnungen unnötig.

Während die Computer immer leistungsfähiger werden, werden auch die Ansprüche an Projekte immer komplexer und passen sich dieser Entwicklung an. Machen Sie sich daher in Ruhe Gedanken darüber, was Sie wirklich in den Renderings sehen möchten. Diese Abwägung werden Sie in Ihrer Kariere auch später noch laufend treffen müssen.

In Kapitel 11 sprechen wir über die Komposition, ein weiteres Element, das fortlaufend überprüft und verbessert werden muss. Wenn Sie 3D-Elemente in separate Ebenen

rendern lassen, können viele Veränderungen an Ihrer Szene in einem Compositing-Programm erfolgen. Oft lassen sich so Veränderungen viel schneller umsetzen, da das erneute Rendern entfällt.

Die Namen der Lichter Die ordentliche Benennung der Lichtquellen wird umso wichtiger, je mehr Menschen an einem Projekt arbeiten und eventuell Ihre Lichter ebenfalls benutzen oder editieren müssen. Damit eine zweite Person sofort versteht, welche Aufgabe jede Lichtquelle in der Szene hat, sollten Sie alles aussagekräftig benennen. Dies hilft Missverständnisse und Fehler zu vermeiden.

Besonders sinnvoll sind Namen, die sowohl die Art des Lichts, die Ursache des Lichts und das dadurch beleuchtete Element beinhalten. Ein Name, wie z. B. „Glanz_vonStreichholz_aufAugen“ macht direkt klar, dass dieses Licht von der Flamme eines Streichholzes ausgeht und für den Glanz auf den Augen einer Figur sorgen soll. „Indirekt_vonRotemTeppich_aufSzene“ beschreibt Licht, dass von einem roten Teppich auf die umliegende Szene reflektiert wird. Viele Studios benutzen noch viel detailliertere und komplexere Namen. Es ist jedoch Ihnen überlassen, welches Namensschema Sie sich überlegen, solange sich alle in Ihrer Arbeitsgruppe daran halten und sinnvolle Namen für alle Lichter verwendet werden.

Das Zusammenfassen von Lichtern in aussagekräftig benannten Gruppen ist ebenfalls wichtig. Wenn Sie verschiedene Lichter für den gleichen Zweck verwenden, sollten diese gruppiert werden. Dies können z. B. Lichter sein, die von außen durch Fenster in die Räume scheinen, alle Innenraum-Lichter, Lichter die eine Figur ausleuchten oder Lichtquellen, die einen identischen optischen Effekt erzeugen sollen. Dies vereinfacht das Auffinden dieser Lichter, deren Bearbeitung und natürlich auch deren separate Speicherung und Wiederverwendung z. B. in einem anderen Projekt.

Mit verschiedenen Versionen arbeiten Sie werden oft viele Versionen einer Szene erstellen, bis das finale und abgenommene Resultat vorliegt. Wenn Sie diese Zwischenschritte speichern, achten Sie darauf, dass auch die entsprechenden Renderings mitgesichert werden und alle Lichter vorhanden bleiben, die zu diesem Ergebnis geführt haben. Wenn Sie dem Auftraggeber Testrenderings gezeigt haben, speichern Sie die dazugehörende Szene separat, damit Sie jederzeit zu genau diesem Ergebnis zurückkehren können. Manchmal werden Sie zu älteren Versionen zurückkehren müssen, wenn der Auftraggeber nach einem Änderungswunsch doch wieder zum früheren Zustand zurückkehren möchte. Wenn Sie nacheinander zwei Varianten eines Motivs zur

Abnahme vorlegen, wird oft um Mischversionen „dazwischen“ gebeten. Hierbei ist besonders wichtig, mit den verschiedenen Projektdateien nicht durcheinander zu kommen.

Wenn Sie zwei Bildversionen vergleichen, benutzen Sie dafür ein Ansichtsfenster, in dem zwischen beiden Varianten hin und her geschaltet wird. Nebeneinander angezeigt ist es oft schwerer, die Unterschiede zu bemerken. Beim hin und her Schalten zwischen Bildern fallen auch kleine Veränderungen sofort auf. Dies ist auch eine sehr gute Methode, um Renderings vor und nach der Veränderung einer Szene zu vergleichen. Auch bei Kundenpräsentationen können Sie so vorgehen, um Ihre Veränderungen an dem Projekt noch eindrucksvoller zu dokumentieren.

Verschiedene Lichtquellen-Typen Der erste Schritt beim Beleuchten einer 3D-Szene besteht in der Auswahl eines geeigneten Lichtquellen-Typs. Die verschiedenen Typen orientieren sich dabei grob an realen Lichtquellen. Jeder Typ hat seine Eigenheiten. Sie sollten daher diese Unterschiede kennen, um die richtige Wahl zu treffen.

Die Punkt-Lichtquelle Ein Punkt-Licht (alternative Namen: Point-Light, Omni, Omnidirectional Light) stellt die einfachste 3D-Lichtquelle dar. Das Licht wird gleichmäßig in alle Richtungen abgegeben, wobei alle Lichtstrahlen von der punktartigen 3D-Position dieser Lichtquelle ausgehen. In Abbildung 2.1 wird die Szene durch so ein Punkt-Licht beleuchtet, das rechts im Bild zu erkennen ist. Es wird deutlich, wie alle Schatten von der Position dieses Licht wegfluchten.

Abbildung 2.1: Ein Punkt-Licht gibt Licht gleichförmig in alle Richtungen ab. Die Schatten fächern stark auf und fluchten von der Position des Lichts weg.

Eine 3D Punkt-Lichtquelle lässt sich gut mit einer Glühbirne vergleichen, die ohne Lampenschirm oder Reflektor an einem Kabel von der Zimmerdecke hängt. Wie in der Abbildung 2.2 zu sehen, verwenden daher sogar einige 3D-Programme eine stilisierte Glühbirne als Icon für diese Art Lichtquelle. Dennoch gibt es Unterschiede, denn im Gegensatz zu einer echten Glühbirne ist ein Punkt-Licht unendlich klein. Alle Lichtstrahlen starten daher in dem exakt gleichen Punkt.

Wenn ein Punkt-Licht zusätzlich Schatten berechnet und Sie einen Lampenschirm um die Position des Lichts herum modellieren, können Sie das abgegebene Licht formen und ausrichten, wie bei einer realen Lampe (siehe Abbildung 2.3). Trotzdem bevorzugen viele Lichtdesigner in solchen Fällen die Nutzung von Spot-Lichtquellen, da diese noch bessere Kontrolle darüber bieten, worauf das Licht ausgerichtet wird.

Abbildung 2.3: Berechnet ein Punkt-Licht Schatten und wird es in einer abschirmenden Geometrie platziert, ist die Lichtwirkung vergleichbar mit der eines Spots.

Die Spot-Lichtquelle

Abbildung 2.2: Die Symbole eines Punkt-Lichts in den Programmen Light Wave 3D, Electric Image, Maya und Softimage. Die Wirkung dieser Lichtquellen ist jeweils identisch.

Spot-Lichter (oder kurz: Spots) sind sehr populäre Lichter innerhalb der Computergrafik, denn sie lassen sich sehr gut kontrollieren. Wie beim Punkt-Licht gehen die Lichtstrahlen auch hier von dem unendlichen kleinen Punkt, der 3D-Position der Lichtquelle aus. Anstatt jedoch in alle Richtungen zu laufen, findet die Lichtabgabe nur innerhalb eines Kegels, entlang in einer bestimmten Richtung statt. Über die Drehung des Spots kann die Zielrichtung dieses Lichtkegels gesteuert werden. Alternativ hierzu kann auch ein Ziel-Objekt verknüpft werden (alternative Begriffe: Target oder Interest), auf das sich der Spot dann automatisch ausrichtet. Die Szene in Abbildung 2.4 wird diesmal durch einen Spot beleuchtet. Beachten Sie, wie jetzt nur noch die Elemente innerhalb des Lichtkegels beleuchtet werden. In dem Lichtkegel wirken Beleuchtung und Schattenwürfe wie bei einem Punkt-Licht. Wenn Sie sich ein Punkt-Licht als ganzen Kuchen vorstellen, dann ist ein Spot eben nur ein einzelnes Kuchenstück daraus. Da Künstler es lieben, möglichst viel Kontrolle über die Lichtrichtung zu haben, bevorzugen viele die Spot-Lichtquellen. Fast alle Beleuchtungsaufgaben können Sie damit erledigen. Selbst wenn Licht eigentlich in verschiedene Richtungen abgegeben werden soll, können Sie dafür mehrere Spots kombiniert verwenden (siehe Abbildung 2.5).

Spots bringen nützliche Einstellungen mit, um den ausgeleuchteten Bereich exakt zu definieren. Ein individueller Öffnungswinkel (alternativ auch Cone Angle oder Äußerer Winkel) definiert die Breite des Lichtkegels. Die Weichheit an den Flanken dieses Kegels kann über Parameter mit Namen, wie Innerer Winkel, Penumbra Angle, Falloff oder Spread Angle justiert werden.

Abbildung 2.4: Die Beleuchtung durch einen Spot beschränkt sich auf einen Lichtkegel, der individuell ausgerichtet werden kann.

Abbildung 2.5: Sie können mehrere Spots in verschiedene Richtungen ausrichten und so wie ein Punkt-Licht wirken lassen. Sie haben so noch mehr Kontrolle darüber, worauf das Licht ausgerichtet wird.

Ein hart abgegrenztes Spot-Licht zieht die Aufmerksamkeit automatisch auf sich, da ein klar umrissener Kreis beleuchtet wird. Mit einem kleinen weichen Rand wirkt so ein Spot dann vielleicht wie der Suchscheinwerfer eines Helikopters, oder wie ein Theaterspot, der einen Darsteller in Szene setzt.

Als Licht-Künstler können wir so einen Spot aber auch mit einem extrem weichen Lichtkegel benutzen, um sehr dezent zusätzliches Licht praktisch aufzumalen. Wenn alle Spots derart weich konfiguriert wurden, um z. B. einzelne Bereiche leicht aufzuhellen oder einzufärben und sich die Lichtkegel dabei an den Rändern leicht überlappen, verschmilzt die Beleuchtung der einzelnen Spots. Die einzelnen Lichtkegel sind nicht mehr wahrnehmbar. Stattdessen wirkt die Beleuchtung nun sehr weich und zusammenhängend. Die Abbildung 2.6 gibt dazu ein Beispiel. Mit hart abgegrenzten Lichtkegeln sind die Beleuchtungen der Spots sofort als individuelle Kreise zu erkennen (siehe links in Abbildung 2.6). Laufen die Spots an den Rändern weich aus, ist die Grenze zwischen den beleuchteten Bereichen nicht mehr zu erkennen und die Verwendung von Spots ist für den Betrachter nicht länger offensichtlich. Ganz so wie rechts in Abbildung 2.6, wo die Schattierungen weich ineinanderlaufen und für eine homogene Beleuchtung des Raums sorgen. In Kapitel 4 lernen wir, wie solche Licht-Anordnungen erstellt werden können.

Spotlichter haben oft auch eine Option für Klappen (alternative Namen: eckiger Spot oder Barn Doors). An echten Spots bestehen solche Klappen aus Blechen, die direkt davor montiert werden, so wie in Abbildung 2.7.

Abb. 2.6: Bei hart abgegrenzten Lichtern (links) kann die Wirkung jedes Spots eindeutig erkannt werden. Laufen die Lichtkegel seitlich weich aus, fließen die sich überlappenden Lichtkegel ineinander und sind nicht mehr einzeln erkennbar (rechts).

Abbildung 2.7: Mithilfe von Klappen an einem Spot kann ein Beleuchter den eigentlichen Lichtkegel des Spots verkleinern und individuell abschneiden.

Diese Klappen können rotiert werden, um den Lichtkegel horizontal und vertikal einzuschränken. In 3D-Programmen können wir diese Funktion kreativ nutzen, um das abgegebene Licht quadratisch oder rechteckig zu formen.

Spots sind aber auch wegen anderer technischer Vorteile bei 3D-Grafikern beliebt. Da sich diese Lichtquellen präzise auf bestimmte Bereiche ausrichten und fokussieren lassen, können so auch die Schattenberechnungen besonders bei der Verwendung von Depth-Map-Schatten optimiert werden. Durch die Möglichkeit des Ausrichtens vereinfacht sich ebenfalls die Projektion von Strukturen (Cookies bzw. Masken) mithilfe eines Spots, um z. B. eine Lichtquelle in Verbindung mit einer Textur oder einem Muster wie einen Diaprojektor zu verwenden.

Paralleles Licht Paralleles Licht ist besonders zur Simulation von Sonnenlicht geeignet und wird in den verschiedenen 3D-Programmen z. B. auch Unendliches Licht, Distant, Direct, Infinite oder Sun Light genannt. Die Abbildung 2.8 stellt verschiedene gängige Icons zu diesem Licht vor.

Paralleles Licht unterscheidet sich von allen anderen Lichtquellen dadurch, dass die Lichtrichtung ausschließlich über die Rotation der Lichtquelle gesteuert wird und deren Position keine Rolle spielt. Die Position der Lichtquelle ändert also nichts an der Beleuchtung, nur die Ausrichtung ist wichtig. Der Einfallswinkel des Lichts ist für alle Objekte in der Szene identisch, egal wo das Licht platziert wurde. So werden z. B. alle Objekte von oben beleuchtet, wenn ein paralleles Licht senkrecht nach unten gedreht wird, selbst wenn sich Objekte auch über der Lichtquelle befinden.

In Abbildung 2.9 wurde ein paralleles Licht schräg nach links unten ausgerichtet. Dadurch wirken alle Objekte von rechts oben beleuchtet, egal wo die Position des Lichts ist. Die gesamte 3D-Szene wird mit parallelen Lichtstrahlen geflutet, deren Richtung nur von der Drehung der Lichtquelle abhängt. Beachten Sie, wie dadurch auch alle Schattenwürfe exakt parallel zueinander verlaufen und nicht zueinander geneigt, wie noch beim Punkt- und beim Spot-Licht.

Parallele Lichter simulieren das Licht einer sehr weit entfernten Lichtquelle, wie z. B. der Sonne. In der realen Welt leuchtet auch die Sonne sehr große Gebiete mit nahezu parallelen Lichtstrahlen aus, genau wie bei einem parallelen Licht. Sogar relativ große Plätze, wie z. B. ein Fußballstadion, werden homogen ausgeleuchtet, und beide Tore zeigen parallele Schattenwürfe an ihren Pfosten.

Abbildung 2.8: Gängige Icons paralleler Lichtquellen deuten bereits an, dass alle Lichtstrahlen in gleicher Richtung abgegeben werden.

Abbildung 2.9: Durch ein paralleles Licht werden parallel zueinander verlaufende Schatten erzeugt und alle Objekte werden aus einer identischen Richtung beleuchtet.

Das Sphären-Licht Bei einem Sphären-Licht (auch Himmelslicht, Licht-Dom, Sky Dome oder Environment Sphere genannt) wird der die gesamte Szene mit Licht eingehüllt. Dadurch eignen sich diese Lichter sehr gut für die Simulation des vom Himmel erzeugt Lichts. Damit lassen sich auch alle Bereiche aufhellen, die nicht vom Hauptlicht erfasst werden. Die Abbildung 2.10 zeigt eine Szene, die ausschließlich durch so ein sphärisches Licht beleuchtet wird.

Wenn Sie so ein kugelförmiges Licht mit einem Bild belegen, kann der Renderer die Farben und Helligkeiten des Bilds nutzen, um die Lichtstrahlen individuell zu färben und in der Intensität zu regeln. Diese Technik nennt sich Image-Based-Lighting (Abkürzung: IBL) und wird in Kapitel 4 behandelt. Ist in der Szene einen Boden vorhanden, wird dadurch die untere Hälfte des sphärischen Lichts abgeblockt und kann nicht mehr zur Beleuchtung beitragen. In solchen Fällen bieten sich halbkugelförmige Lichter an, die nur die Szene oberhalb des Bodens beleuchten.

Alleine verwendet wirkt das Licht eines Himmelslichts sehr weich und erzeugt extrem weiche Schatten. Dennoch lässt es sich natürlich auch mit einem parallelen Licht kombiniert, um eine Außenszene unter freiem Himmel zu beleuchten. Das parallele Licht simuliert dabei das Sonnenlicht, das nur aus einer Richtung kommt, und das Himmelslicht ergänzt die weiche Beleuchtung des Himmels, die aus allen anderen Richtungen auf die Szene fällt.

Abbildung 2.10: Ein Himmelslicht schließt die gesamte Szene ein und beleuchtet diese mit den Farben, die auf dieses kugelförmige Licht gelegt wurden.

Das Fläche-Licht Fläche-Lichter werden auch Area Lights oder Rect Lights genannt und simulieren eine Fläche mit variabler Form und Größe aus der Licht austritt. Dies erzeugt die weiche Beleuchtung und die Qualität an Schatten, die auch bei einer entsprechend geformten realen Lichtquelle zu erwarten sind. Diese Eigenschaft unterscheidet das Fläche-Licht besonders von Punkt- oder Spot-Lichtern, bei denen das Licht nur von einem einzelnen Punkt ausgeht. Fläche-Lichter sind daher ideal z. B. für die Beleuchtung durch Neonröhren, für die Simulation des durch ein Fenster fallenden Himmelslichts oder für alle Situationen, bei denen Sie individuell konfigurierbares, weiches Licht mit realistischen Schattenwürfen benötigen.

Bei anderen Lichtquellen, wie Punkt-, Spot- oder parallelem Licht, führt das Vergrößern der Lichtquelle oft nur zu einer Vergrößerung des Icons der Lichtquelle, ohne etwas an der tatsächlichen Beleuchtung zu verändern. Bei Fläche-Lichtern führt eine Vergrößerung jedoch dazu, dass die Beleuchtung und die Schattenwürfe weicher werden. Die Helligkeit eines Fläche-Lichts ist normalerweise an dessen Größe gekoppelt. Ein großes Fläche-Licht kann viel heller sein als ein kleines. Das würden wir auch in der Realität so erwarten, wenn eine große leuchtende Fläche Licht z. B. in einen Raum abgibt. Kleine Fläche-Lichter erzeugen daher manchmal zu wenig Licht, es sei denn, Sie erhöhen drastisch deren Intensität. Eine Ausnahme liegt dann vor, wenn das Fläche-Licht über photometrische Daten gesteuert werden kann, wie z. B. Lumen oder Candela, denn dann ändert sich die Helligkeit nicht mehr mit der Größe der Lichtquelle. Wenn Ihr Fläche-Licht bereits Größe-, oder U- und V-Parameter anbietet, benutzen Sie diese um die Größe der Lichtquelle zu steuern, anstatt die Lichtquelle zu skalieren.

Fläche-Lichter werden oft in verschiedenen Formen angeboten, wie z. B. kugelförmig, rechteckig, scheibenförmig oder als Linie (das Licht wird dann von dieser Linie aus emittiert). Wenn Sie die Wahl haben, wählen Sie die Form, die am besten zu dem Leuchtmittel oder der Lampe passt, die Sie simulieren möchten. Eine Linie als Form könnte z. B. sehr gut die Beleuchtung einer Neonröhre darstellen.

Die Abbildung 2.11 wurde mit einem Fläche-Licht beleuchtet. Beachten Sie, wie weich die Beleuchtung und die Schatten nun wirken im Gegensatz zur Beleuchtung z. B. mit einem Punkt-Licht. Ein Fläche-Licht, das einen weichen Schattenwurf berechnen soll, benötigt jedoch für ein rauschfreies Ergebnis viele Berechnungsschritte (Samples). Mehr Schatten-Samples verbessern die Schattenqualität zum Preis einer längeren Berechnungszeit.

Abbildung 2.11: Ein großes Fläche-Licht erzeugt eine weiche Beleuchtung mit weich auslaufenden Schatten.

Die erzielbare Qualität bei der Beleuchtung und den Schattenwürfen macht das Fläche-Licht zu einer sehr guten Wahl, wenn es um realistische Ergebnisse geht. Die Berechnung dieser Lichtquellen braucht zwar fühlbar länger, Dank der stetig steigende Leistungsfähigkeit der Computer beißen viele Studios aber in den sauren Apfel und nehmen die verlängerten Renderzeiten in Kauf, um ein noch attraktiveres Ergebnis zu erhalten.

Geht es um die Beleuchtung eines Innenraums, bei dem Tageslicht durch ein Fenster fällt, kann ein Fläche-Licht außen vor dem Fenster platziert werden, um das weiche Himmelslicht zu simulieren (siehe Abbildungen 2.12 und 2.13). Dabei wird zwar keine Sonneneinstrahlung dargestellt – dafür ist ein paralleles Licht besser geeignet –, aber es eignet sich als Aufhelllicht, dessen Lichtstrahlen aus verschiedenen Richtungen kommen. In einigen 3D-Programmen gibt es sogar eine spezielle Art des Fläche-Lichts, das sich z. B. Portal-Licht nennt und speziell für diesen Fall konzipiert wurde. Portal-Lichter funktionieren wie normale Fläche-Lichter, können jedoch mehr als nur eine einzelne Farbe

abgeben. Es werden die Helligkeiten und Farben des Himmels auf der Rückseite des Portals ausgewertet, um die Beleuchtung eines Innenraums noch realistischer zu gestalten.

Abbildung 2.12: Ein Fläche-Licht kann vor einem Fenster platziert werden, um damit die weiche Beleuchtung durch einen Himmel zu simulieren.

Abbildung 2.13: Die Beleuchtung eines Fläche-Lichts dringt durch ein Fenster in den Raum ein und erhellt dadurch alle Objekte in der näheren Umgebung des Fensters.

Physikalisch definierte Lichter Eine physikalisch definiert Lichtquelle, oft auch IES-Licht oder Photometrisches Licht genannt, ist auf die Eigenschaften einer realen Lichtquelle kalibriert. Oft lassen sich IES-Dateien (kurz für Illuminating Engineering Society) laden, die durch Messungen an realen Lichtquellen gewonnen wurden. IES-Dateien können oft kostenfrei im Internet bei Leuchtenherstellern geladen werden. Dabei lassen sich die Einstellungen so einer physikalischen Lichtquelle anhand realer Einheiten, wie einem Lumen-Wert oder der Farbtemperatur vornehmen. Das Laden einer anderen IES-Datei kann dann auch zu der Simulation einer ganz anderen Leuchte führen. Die Abbildung 2.14 zeigt Ihnen drei Lichtquellen mit verschiedenen IES-Dateien. Deutlich wird, wie jede Lichtquelle ein ganz eigenes Lichtbild an der Wand erzeugt.

Anstatt einen einfachen RGB-Wert vorzugeben, kann die Färbung einer fotometrischen Lichtquelle oft über eine Farbtemperatur definiert werden. In Kapitel 8 wird die in Kelvin gemessene Farbtemperatur näher erläutert und eine Tabelle mit verschiedenen Farbtemperaturen abgebildet. Niedrigere Werte zwischen 1700° und 1800° Kelvin entsprechen rotem Licht, 3000° Kelvin entspricht Gelb und noch höhere Werte im Bereich zwischen 8000° und 10 000° Kelvin geben bläuliches Licht wieder.

Statt die Helligkeit eines Lichts in Prozent oder einer anderen programmspezifischen Einheit anzugeben, kann diese auch physikalisch korrekt in Lumen vorgegeben werden. Der Lumen-Wert entspricht der Menge an Licht, die von einer Lichtquelle abgegeben wird.

Abbildung 2.14: Drei Lichtquellen mit unterschiedlichen IES-Daten werfen unterschiedliche Beleuchtungsmuster auf eine Wand.

Viele sind eher vertraut mit der Einheit Watt, um die Helligkeit z. B. einer Glühbirne anzugeben. Auf einem Filmset würden wir z. B. vermuten, dass ein 10k (10000 Watt Spotlicht) heller als ein 2k ist. Diejenigen, die noch mit den klassischen Glühbirnen aufgewachsen sind, haben ein Gefühl dafür, wie der Helligkeitsunterschied z. B. zwischen einer 60 Watt und einer 150 Watt Glühbirne ist. Tatsächlich beschreibt die Einheit Watt aber nur die verbrauchte Leistung und nicht die Intensität des abgegebenen Lichts. Effizientere Leuchten geben mehr Licht bei geringerer Leistungsaufnahme ab. So gibt z. B. eine alte 60 Watt Glühbirne ungefähr 890 Lumen an Licht ab, eine 23 Watt Neonröhre kann es auf 1500 bis 1600 Lumen bringen. In letzter Zeit hat sich daher die Beschreibung auf den Verpackungen von Leuchtmitteln verändert und es werden dort zusätzlich auch die Lumen-Werte angegeben.

Erwarten Sie jedoch nicht, dass alleine die Nutzung fotometrischer Lichter Ihre Szene realistischer macht. Eine Kette kann nur so stark sein, wie ihr schwächstes Glied und da gibt es noch viele zerbrechliche Kettenglieder zwischen den Lichtern und dem finalen Rendering. Licht startet an einer Quelle und muss sich erst einmal durch leeren Raum bewegen, an Flächen abprallen und schließlich im Kameraobjektiv landen, bevor es zur Beleuchtung der Szene beiträgt. Physikalische Lichter können daher nur dann den Realismus Ihres Bilds verstärken, wenn alle anderen Berechnungen ebenfalls physikalisch korrekt ablaufen. So kann z. B. eine ansonsten physikalisch korrekt definierte 150 Watt Glühbirne die Szene nicht realistisch beleuchten, wenn der zu beleuchtende Raum nicht in der richtigen Größe konstruiert wurde. Wenn Sie z. B. in der Maßeinheit Zentimeter arbeiten, überprüfen Sie also zuerst, ob Ihre Szene in dieser Maßeinheit die korrekte Größe hat, bevor Sie fotometrische Lichter verwenden.

Auch Materialien und Shader müssen physikalisch korrekt sein, also abgeleitet von realen Oberflächen, anstatt nur nach optischen Gesichtspunkten definiert. Sie müssen eine physikalische Kamera verwenden und natürlich dafür sorgen, dass diese eine realistische Belichtungszeit für eine Innen- oder Außenszene verwendet. Eine korrekt eingestellte physikalische Kamera, die Belichtungseinstellungen für eine Außenszene verwendet, wird die Leuchtwirkung einer Glühbirne im Innenraum viel zu dunkel darstellen. Für Nacht- oder Innenraumszenen muss die Belichtungszeit verlängert werden, um physikalisch korrekt definierte Lichtquellen realistisch darstellen zu können.

Wenn all dies für Sie unnötig kompliziert erscheint, sollten Sie physikalische Lichter erst einmal ausklammern. Themen, wie die Belichtungseinstellungen der Kamera oder Shader werden in nachfolgenden Kapiteln noch behandelt. Physikalische Leuchten sind besonders in Architektur-Renderings sehr beliebt, bei Filmproduktionen jedoch weniger populär.

Dennoch werden immer mehr Techniken, wie globale Illumination, physikalisch basierte Lichtquellen, Shader und Kameras auch in Filmproduktionen verwendet, zumindest als Basis für anschließende Tricksereien und Optimierungen.

Leuchtende Objekte Einige Programme ermöglichen es, beliebige 3D-Objekte in der Szene auch als Lichtquellen zu benutzen. Dank so einer Funktion lassen sich auch ausgefallene Formen, wie z. B. ein Neonschriftzug als echte Lichtquelle verwenden (siehe Abbildung 2.15).

Jeder Renderer, der globale Illumination beherrscht, ermöglicht auch Objekten, Licht an die Umgebung abzugeben. Wenn mit globaler Illumination oder mit Final Gathering gerendert wird, reicht die Zuweisung eines leuchtenden oder sehr hellen Materials aus, um dieses Objekt zu einer Lichtquelle zu machen. Dazu muss oft eine Oberflächenfarben oder Leuchtfarbe vergeben werden, die heller als reines Weiß ist. So stehen z. B. die RGB-Werte 1, 1, 1 für ein reines Weiß, wogegen die Werte 10, 2, 2 ein sehr helles Rot ergeben, das umliegende Objekte beleuchten kann.

Abbildung 2.15: Obwohl diese Szene keine Lichtquellen enthält, wirken die um die Säulen modellierten Spiralformen hier wie gebogene Neonröhren.

Da die Verwendung von Objekten als Lichtquellen immer populärer wird, bieten einige Renderer dafür spezielle Materialien oder Schattierungsoptionen an, wie z. B. das V-Ray Light Material. Dieses Material ermöglicht durch dessen Direct Illumination-Option sogar die Erzeugung von Licht an Objektoberflächen, ohne dass globale Illumination verwendet wird.

Es ist also möglich, 3D-Szenen zu rendern, in denen keine klassischen Lichtquellen vorhanden sind. Die Beleuchtung kommt dann z. B. von 3D-Modellen, deren Oberflächen derart helle Materialien tragen, dass in Verbindung mit globaler Illumination die umliegenden Objekte beleuchtet werden. Das ist natürlich reizvoll, da alles Licht ganz natürlich z. B. an modellierten Glühbirnen-Objekten entstehen kann. Trotzdem darf nicht vergessen werden, dass Renderer oft auf normale Lichtquellen und nicht auf leuchtende Objekte optimiert sind. Sie werden daher feststellen, dass normale Lichtquellen mehr

Kontrolle bieten und zudem effizienter berechnet werden können. Leuchtende Objekte für die Beleuchtung der Szene werden daher eher in Spezialfällen, wie z. B. bei der Beleuchtung einer Wand durch ein aufgehängtes Neonzeichen, bei glühendem Metall, einer Flamme oder für glühende Kraftfelder verwendet. Wenn Sie nur das Licht einer Glühbirne benötigen, benutzen Sie besser ein Punkt-Licht an der Position der Glühbirne. Das ist die effektivste und flexibelste Herangehensweise.

Umgebungslicht In der realen Welt ist das Umgebungslicht (oder auch Ambient Light) überall um uns herum zu finden. Es beinhaltet das Licht des Himmels, vom Fußboden oder der Decke abgepralltes Licht und das gestreute Licht anderer Lichtquellen. Wenn Sie eine Faust machen, können Sie daran alle Bereiche beleuchtet sehen. Genauer betrachtet werden Sie zudem bemerken, dass diese Beleuchtung unterschiedliche Farben und Intensitäten enthält. Echtes Umgebungslicht ist also in jeder Umgebung anders und niemals homogen und flach.

Viele 3D-Programme bieten ambientes Licht (auch Global Ambient oder Umgebungslicht genannt), durch das alle Objekte gleichmäßig und somit unrealistisch aufgehellt werden. Alle Seiten der Objekte werden mit der gleichen Intensität und Färbung beleuchtet, was der Szenenschattierung Variationen raubt. Benutzen Sie daher solches Licht nicht! Umgebungslicht gibt es in 3D-Programmen schon sehr lange, viel länger als es globale Illumination gibt. Es wirkt lange nicht so gut wie die globale Illumination und noch nicht einmal so gut wie die Techniken, mit denen globale Illumination vorgetäuscht werden kann. Wir kommen darauf in Kapitel 4 zurück.

Ehrlich gesagt wirkt es generell wie ein billiger Trick, um eine Szene aufzuhellen. Die Abbildung 2.16 stellt die flache und künstlich wirkende Schattierung dar, die von einem Umgebungslicht zu erwarten ist. Wenn Sie Ihre Szene aufhellen möchten, sollten Sie daher andere Lichtquellen dafür benutzen, um zu dunkle Bereiche aufzuhellen. Jede andere Lichtquelle erzeugt natürlicheres Licht als das Umgebungslicht dazu in der Lage wäre.

Die Software Maya bietet eine zusätzlich Option bei ambienten Lichtern namens Ambient Shade, wodurch dieses Licht weniger gleichförmig berechnet wird. Mit dem Wert 1 wirkt das ambiente Licht dann eher wie ein Punkt-Licht. Niedrigere Werte streuen das Licht immer stärker, wodurch Licht auch auf andere Bereiche der Objekte gelangt. Mit einem Wert 0 erhalten wir dann wieder das gewohnte flache und gleichförmige Licht.

Die Beleuchtungsarbeit sollte immer mit einer komplett schwarzen Szene beginnen. Nach dem Setzen der ersten Lichtquelle sollte Ihr Rendering also auch nur diese Beleuchtung anzeigen. Damit alle Lichtquelleneinstellungen präzise vorgenommen werden können, sollten Sie also alle eventuell vorhandenen Standardlichter oder automatischen Umgebungsbeleuchtungen ausschalten.

Abbildung 2.16: Ambientes Licht lässt die Szene flach erscheinen und raubt dem Rendering Details und Variationen.

Einstellungen & Optionen überprüfen Nachdem Sie eine Lichtquelle aufgerufen und in der Szene platziert haben, können zahlreiche Einstellungen daran vorgenommen werden. Diese Parameter legen z. B. fest, wie sich das Licht in der Szene ausbreitet, welche Objekte davon erfasst werden und ob die beleuchteten Modelle eher rau oder glänzend poliert erscheinen sollen, um nur einige Beleuchtungsoptionen zu nennen.

Die Solo-Funktion und das Testen des Lichts Um die Einstellungen eines Lichts zu überprüfen, bietet sich die Solo-Funktion an. Das bedeutet, dass alle übrigen Lichtquellen der Szene kurzzeitig ausgeschaltet oder ausgeblendet werden und immer nur die Beleuchtung einer Lichtquelle im Rendering zu sehen ist. Dadurch wird sofort klar, welchen Anteil an der Beleuchtung und den Schattenwürfen in der Szene jede Lichtquelle hat und Sie können alle Parameter präzise einstellen.

Sie werden überrascht sein, wie viele Szenen Lichtquellen enthalten, die gar nichts zur Beleuchtung beitragen. Vielleicht weil dieses Licht z. B. von einem schattenwerfenden Objekt abgeblockt wird. Vielleicht wurde aber auch eine Lichtabnahme verwendet, durch

die das Licht zu schnell an Intensität verliert. In einer Szene, die viele Lichtquellen enthält, verliert man schnell die Übersicht, welche Lichtquelle für welches Licht verantwortlich ist. Das lässt sich ganz einfach verhindern, wenn Sie mit jeder Lichtquelle isoliert arbeiten.

Enthält die Szene viele gleiche Lichtquellen, wie z. B. Reihen von identischen Deckenleuchten, sollten Sie zuerst nur eine dieser Lichtquellen erstellen, einzeln rendern und deren Einstellungen überprüfen. Sind Sie dann mit der Beleuchtung dieser Lichtquelle zufrieden, erstellen Sie die übrigen Kopien.

Dieser Rat, Lichtquellen über eine Solo-Funktion einzeln zu rendern, ist keineswegs nur für Anfänger gedacht. Auch Profis gehen oft nach diesem Schema vor. Selbst wenn Sie einmal mehr als eine Lichtquelle testrendern müssen, müssen dabei nicht alle Lichter der Szene sichtbar sein. Manchmal müssen z. B. nur die Lichter überprüft werden, die eine Figur beleuchten. Die Beleuchtung der übrigen Lichter in der Szene ist dann uninteressant. Solange Sie immer daran denken, alle Lichter für das finale Rendering wieder zu aktivieren, bietet sich das Ausblenden für Testberechnungen nicht benötigter Lichter generell an, um die Berechnungszeit zu verkürzen und die Lichtwirkung jeder einzelnen Lichtquelle besser einschätzen zu können.

Die Abnahme Die Abnahme (auch Decay, Attenuation oder Distance Falloff genannt) gibt an, wie die Lichtleistung mit der Entfernung zur Lichtquelle abnimmt. Oben in Abbildung 2.17 ist beispielhaft eine Lichtquelle ohne aktive Abnahme zu sehen. Die Beleuchtung der hintersten Säule ist exakt so hell wie die der Säule, die nahe an der Lichtquelle steht. Das Bild darunter zeigt eine Lichtquelle mit invers quadratischer Lichtabnahme (auch Inverse Square oder Quadratic genannt). Weiter von der Lichtquelle entfernte Säulen erhalten nun weniger Licht.

Abbildung 2.17: Ohne aktive Abnahme (oben) erhalten alle Säulen gleich viel Licht. Mit einer invers quadratischen Abnahme (unten) nimmt die Lichthelligkeit mit der Entfernung zur Lichtquelle ab.

Einige Programme stellen mehrere Optionen für die Abnahmeberechnung zur Verfügung. Ein anderer Weg zur Steuerung der Abnahme ist die Angabe eines Zahlenwerts, oft Abnahme, Decay oder Exponent genannt. Diese Steuerungsmöglichkeit ist noch flexibler, da auch Zwischenwerte verwendet werden können. Wenn Sie z. B. eine Abnahmerate wünschen, die etwas weniger als 2 beträgt, verwenden Sie einfach den Wert 1,8. Gängige Werte wurden in Tabelle 2.1 zusammengestellt.

ZAHLENWERT ART DER ABNAHME

0 Keine

1 Linear (invers)

2 Quadratisch (invers quadratisch)

3 Kubisch

Tabelle 2.1: Abnahmeraten der Lichtleistung

Invers quadratische Abnahme

Der Abnahmewert 2, auch invers quadratische, inverse square oder quadratic Abnahme genannt, kommt dem physikalisch korrekten Abnahmeverhalten von Licht am nächsten. In der Realität kommt die Lichtabnahme durch das Auffächern der Lichtstrahlen auf ihrem Weg durch den Raum zustande, hat also nichts mit einem Energieverlust der Lichtstrahlen selbst zu tun. Echtes Licht kann jahrelang riesige Distanzen überbrücken, ohne an Intensität einzubüßen. Dennoch driften einzelne Lichtstrahlen mit zunehmender Entfernung immer weiter auseinander und erscheinen dadurch schwächer. Die Abbildung 2.8 verdeutlicht dies durch ein Blatt Papier, dass bei doppelt so großer Entfernung von der Lichtquelle auch nur noch die Hälfte der Lichtstrahlen abbekommt. Gleiches gilt auch entlang der Breite dieses Blatts. Eine Verdopplung des Abstands führt somit zu einer Viertelung der Helligkeit. Dieses Auffächern des Lichts über die Entfernung hinweg wird über die invers quadratische Abnahme simuliert.

Wenn eine Lichtquelle direkt in der Szene sichtbar ist, also z. B. als Lampe auf einem Tisch oder wie in Abbildung 2.19 als Streichholzflamme, ist die Nutzung von invers quadratischer Abnahme eine gute Idee. Auch wenn Sie mit globaler Illumination rechnen lassen, sollten Sie bei den vorhandenen Lichtquellen diese Art der Abnahme aktivieren. Da sich das zwischen Objekten ausgetauschte Licht ebenfalls nach dieser Regel in der Helligkeit abschwächt, steigert sich dadurch der Realismus und die Plausibilität der Lichtverteilung.

Abbildung 2.18: Diese Illustration verdeutlicht, warum sich mit der Verdopplung des Abstands die Anzahl der Eintreffenden Lichtstrahlen halbiert. Da dies sowohl in der Höhe als auch der Breite des beleuchteten Objekts passiert, reduziert sich bei einer Verdopplung des Abstands das eintreffende Licht auf ein Viertel.

Abbildung 2.19: Die invers quadratische Abnahme ist dann besonders sinnvoll, wenn eine Lichtquelle (wie hier das Streichholz) direkt im Bild zu sehen ist. Die Figur stammt von Rini Sugianto.

Licht mit invers quadratischer Abnahme muss in der Regel viel heller sein als eine Lichtquelle, die keine Abnahme verwendet. Sie müssen also den Multiplikator, bzw. die Intensität stark erhöhen, damit das Licht größere Distanzen überbrücken und ggf. noch weiter entfernte Objekte erreichen kann. Dies erhöht jedoch auch die Gefahr, dass Objekte in unmittelbarer Nähe dieser Lichtquelle viel zu hell beleuchtet werden. Haben Sie keine Angst davor, sehr hohe Werte für die Lichthelligkeit zu verwenden. Besonders, wenn das Licht noch weit entfernte Bereiche beleuchten soll, können daraus auch einmal Werte von einigen Tausend oder gar Millionen resultieren.

Kapitel 8 beschäftigt sich mit der Bedeutung des linearen Workflows und dessen Einhaltung. Ohne linearen Workflow können Lichtabnahmen anders wirken. Erscheinen Lichter mit invers quadratischer Abnahme generell zu kontraststark (Objekte in der Nähe wirken zu hell und entferntere Objekte bekommen gleichzeitig zu wenig Licht ab), könnte dies am fehlenden linearen Workflow liegen. Anstatt mit anderen Abnahmewerten zu experimentieren, sollten Sie zuerst den linearen Workflow verinnerlichen. Die invers quadratische Abnahme ist dann die physikalisch korrekteste Einstellung und wirkt so natürlich und glaubwürdig wie sie es soll.

Keine Abnahme verwenden

Sie werden Situationen erleben, in denen Sie keine Abnahme verwenden, besonders dann, wenn Licht simuliert werden soll, das von weit entfernten Lichtquellen stammt oder wenn sie paralleles Licht verwenden. Werden weit entfernte Lichtquellen, wie z. B. die Sonne simuliert, wirkt eine ausgeschaltete Abnahme realistischer. So wird z. B. ein Sonnenstrahl, der wie in Abbildung 2.20 in einen Raum fällt, wohl kaum auf dem Weg zwischen dem

Fenster und der linken Seite des Tisches an Intensität verlieren. Es ist also keine Abnahme nötig.

Bei parallelem Licht ist es normal, dass keine Abnahme verwendet wird. Erinnern Sie sich daran, dass bei diesen Lichtquellen die Position keine Rolle spielt. Nur die Ausrichtung der Lichtquelle gibt die Richtung der Lichtstrahlen vor, da der gesamte Raum mit parallelen Lichtstrahlen geflutet wird. In einigen Programmen werden daher auch keine Abnahme-Einstellungen für parallele Lichter angeboten.

Abbildung 2.20: Die Sonnenstrahlen unterliegen keiner Abnahme, da sie bereits Millionen von Kilometern unterwegs waren, bevor sie durch das Fenster in den Raum fallen. Auf den letzten Zentimetern ihrer Reise ist daher keine sichtbare Abnahme zu erwarten.

Abbildung 2.21: Eine kubische Lichtabnahme kann z. B. Licht in trübem Wasser simulieren.

Andere Abnahme-Einstellungen

Mit einer Abnahme von 3 (kubische Abnahme) verliert das Licht noch schneller als in der Realität an Helligkeit. Diese Einstellung könnte z. B. Licht in dichtem Nebel oder in trübem Wasser simulieren (siehe Abbildung 2.21).

Licht mit einem sehr hohen Abnahmewert könnte auch hilfreich sein, wenn nur Oberflächen in unmittelbarer Nähe beleuchtet werden sollen, z. B. wenn mithilfe eines zusätzlichen Lichts noch ein weiterer Glanzpunkt auf einer Stoßstange platziert werden soll.

Die Verwendung einer linearen Abnahme (Abnahme-Wert 1) kann ein hilfreicher Kompromiss sein, zwischen der Verwendung der invers quadratischen Abnahme und gar keiner Abnahme. Wenn Sie z. B. von einem Boden reflektiertes Licht simulieren möchten, kann eine kleine Abnahme nützlich sein. Da in solchen Fällen invers quadratisch schon zu stark sein kann, könnte eine lineare Abnahme genau passen. Neben diesen Abnahme-Einstellungen bieten viele Programme noch zusätzlich Radien an, um die Abnahme zu steuern. So könnten Sie z. B. den Start der Abnahme bei einer Distanz von 50 Einheiten anlegen und das Licht dann bis zum Erreichen einer Distanz von 100 Einheiten komplett ausblenden. Das wäre dann natürlich nicht physikalisch korrekt, aber sehr praktisch. Wenn Sie nicht möchten, dass ein bestimmtes Objekt noch Beleuchtung von einer Lichtquelle erhält, ist die Reduzierung des Lichtradius sicherlich präziser als nur über die invers quadratische Abnahme zu arbeiten. Solche individuell definierten Entfernungen, zwischen denen dann die Lichtabnahme begrenzt wird, sind auch sehr hilfreich für spezielle Effekte, wie z. B. Lichterscheinungen in einem Kraftfeld oder das Glühen um eine sich im Nebel ausbreitende Schockwelle.

Diffuse und spiegelnde Reflexionen In der Realität kann Licht sowohl spiegelnd als auch diffus gestreut von einer Oberfläche reflektiert werden. Bei der diffusen Reflexion wird das Licht in alle Richtungen abgelenkt. Stellen Sie sich Licht vor, das auf eine raue Wand oder ein grobes Stück Stoff fällt. Es entsteht eine diffuse Licht-Reflexion. Spiegelnde Reflexionen sind dann zu beobachten, wenn das Licht nicht gestreut wird, sondern stattdessen parallel abprallt und somit ein perfektes scharfes Bild nachzeichnet. Ein Spiegel oder jedes andere Objekt mit glatter und spiegelnder Oberfläche zeigen uns z. B. eine spiegelnde Reflexion.

3D-Programme können das an Oberflächen abprallende Licht sowohl diffus als auch spiegelnd darstellen. Die diffuse Beleuchtung stellt dabei die Basis-Schattierung dar, die sich über die gesamte Form ausbreitet, die einer Lichtquelle zugewandt ist. Die spiegelnde

Reflexion erscheint normalerweise als kleiner Glanzpunkt, der die Spiegelung der Lichtquelle selbst andeuten soll.

Diffuse und spiegelnde Reflexionen werden auf verschiedene Weise konfiguriert. Einerseits legt ein Shader oder Material fest, wie eine Oberfläche auf diffuse und spiegelnde Beleuchtung reagieren soll. Dadurch kann ein Objekt sehr glänzend erscheinen, während ein anderes eher matt und stumpf wirkt und ganz ohne Glanz und Reflexionen bleibt.

Abbildung 2.22: Eine Lichtquelle kann diffuse Beleuchtung (links), nur spiegelnde Beleuchtung (Mitte) oder beides gleichzeitig erzeugen (rechts).

Zudem bieten viele Programme auch Optionen an, ob eine bestimmte Lichtquelle überhaupt diffuse oder spiegelnde Reflexionen erzeugen soll. Die Abbildung 2.22 stellt die Ergebnisse verschiedener Reflexionseinstellungen an einer Lichtquelle dar.

Die meisten Lichter erzeugen normalerweise sowohl diffus gestreutes, als auch spiegelndes Licht. Es mag jedoch auch Zeiten geben, da Sie nur das eine oder andere erzeugen möchten. Wenn Sie dem Auge einer Figur mehr Glanz verleihen wollen, ohne es gleichzeitig aufzuhellen, lassen Sie das Licht nur spiegelnde Reflexe erzeugen. Wenn Sie ein Fläche-Licht verwenden, um das von einem Boden zurückprallende Licht zu simulieren (dies ist besonders weiches Licht, ohne klar erkennbare Quelle), sollte diese Lichtquelle keine spiegelnden Reflexe erzeugen und daher nur diffus sein, damit keine unrealistischen Glanzpunkte auf spiegelnden Objekten entstehen können.

Einige Renderer ermöglichen abgestufte Einstellungen für diffuse und glänzende Reflexe von Lichtquellen. Statt eine Reflexionsart nur vollständig ein oder aus zu schalten, könnten Sie z. B. der Sonne einen spiegelnden Faktor zwischen 1,0 und 1,2 geben und anderen Aufheller-Lichtern nur Werte zwischen 0,3 und 0,5. Andere Lichter, die nur das vom Boden reflektierte Licht simulieren sollen, können Werte zwischen 0 und 0,25 erhalten. Diese Werte sind nur grobe Anhaltspunkte. Sie sollten durch Testberechnungen individuelle Einstellungen für die diffusen und spiegelnden Eigenschaften aller Lichtquellen selbst überprüfen.

Manchmal ist es auch hilfreich, ein Licht aus zwei separaten Lichtquellen zu kombinieren. Eine dieser Lichtquellen ist dann nur für das diffuse, die andere nur für das spiegelnde Licht zuständig. Der Fachbegriff für diese Zweiteilung eines Lichts ist Splitting out oder zu

Deutsch eine Lichtaufteilung. Sobald ein Licht derart aufgeteilt wurde, können die Helligkeit, Farbe und Position des spiegelnden Lichts unabhängig vom diffusen Licht eingestellt werden.

Spiegelnde Reflexionen sollen die Spiegelung einer Lichtquelle darstellen. In 3D-Programmen sind jedoch viele Lichtquellen unnatürlich klein, wobei die Lichtstrahlen alle an der gleichen Position entstehen. Ein Punkt-Licht z. B. ist unendlich klein. Daher wäre eine präzise Spiegelung dieser Lichtquelle auch immer kleiner als ein Pixel, also im Rendering nie zu sehen. Aus diesem Grund tricksen die Shader oder Materialien und bieten uns individuelle Einstellungen für die Größe des Glanzpunkts an und gaukeln uns eine größere Lichtquelle vor. Daher zeigen die Glanzpunkte in der Regel auch keine realistischen Spiegelungen der vorhandenen Lichtquellen. Glanzpunkte entstehen nicht wie echte Spiegelungen aus nachverfolgten Berechnungsstrahlen (Raytracing). Stattdessen werden die Größe und Schärfe eines Glanzpunkts, also der spiegelnden Reflexion, hingeschummelt, als würde sich eine entsprechend große Lichtquelle dort spiegeln.

Lichter verknüpfen Stellen wir uns vor, Sie benötigen Licht nur für einen speziellen Effekt, wie z. B. zum Ergänzen eines Glanzpunkts auf einem Auge. In so einem Fall könnten Sie eine Lichtverknüpfung benutzen (auch Light Linking oder Selective Lighting genannt), durch die eine Lichtquelle nur noch auf bestimmte Objekte wirkt. Eine Lichtquelle, die nicht mit einem Objekt verknüpft wurde, wird dessen Oberfläche nicht länger beleuchten können. Für den Augenglanz können Sie ein Punkt-Licht verwenden, das nur spiegelnde Reflexe erzeugt und dieses Licht mit dem Auge-Objekt verknüpfen. Wird die Lichtquelle nahe an der Kamera positioniert, ist dadurch sichergestellt, dass sich ein Glanz auf dem Auge zeigen wird, wenn die Figur zur Kamera schaut. Zudem können Sie Dank dieser Verknüpfung sicher sein, dass keine anderen Objekte durch dieses Licht beeinflusst werden. So eine Lichtverknüpfung kann auch genutzt werden, um unterschiedliche Objekte individuell zu beleuchten. Wird ein Licht für die Beleuchtung vieler Objekte verwendet, kann es vorkommen, dass der Großteil der Objekte wie gewünscht schattiert wird, einige wenige Objekte aber in unpassender Färbung, Helligkeit oder in einem ungünstigen Winkel beleuchtet werden. Anstatt dies hinzunehmen, teilen Sie einfach die eine Lichtquelle in zwei Lichter auf. Das eine Licht wird mit den zuvor schlecht beleuchteten Objekten verknüpft, die andere Lichtquelle wird so konfiguriert, dass dort diese Objekte von der Beleuchtung ausgeschlossen werden.

Bei Testberechnungen sollte die Szene nun so wirken, als wäre nach wie vor nur eine Lichtquelle vorhanden und würde alle Objekte von einer Position aus beleuchten. Ist das geschafft, nutzen Sie die neue Lichtquelle dazu, die zuvor unzureichend schattierten Objekte bezüglich der Beleuchtung zu korrigieren. Dabei müssen Sie etwas aufpassen, denn einige Programme deaktivieren beim Ausschließen von Objekten von einer Lichtquelle

automatisch auch die Schattenberechnung. Der Schattenwurf für die Objekte sollte jedoch in der Regel nur von einer der beiden Lichtquellen stammen. Deaktivieren Sie daher in solchen Fällen die individuelle Verknüpfung der Schattenberechnung oder schalten Sie zumindest die Beeinflussung der Schattenberechnung durch die Verknüpfung von Lichtern ab.

Abbildung 2.23 zeigt ein Beispiel, wie die individuelle Verknüpfung von Lichtern und Objekten mehr Kontrolle gibt, wie die verschiedenen Objekte beleuchtet werden.

Abbildung 2.23: Die Licht-Verknüpfung ermöglicht die individuelle Beleuchtung von Objekten, wobei Helligkeit, Farbe und Einfallswinkel pro Objekt variiert werden können.

In der Szene werden zwei Lichtquellen verwendet, um das Licht der Streichholzflamme zu simulieren. Eine Lichtquelle ist nur mit der Hand und Kleidung der Figur verknüpft und wurde exakt in der Flamme platziert, damit eine realistische Beleuchtung des Arms und der Hand berechnet werden. Das zweite Licht wirkt nur auf den Kopf der Figur und wurde etwas vor das Gesicht verschoben, damit das Flammenlicht größere Teile des Gesicht erhellt.

Die Verknüpfung von Lichtern mit Objekten ist ein genial mächtiger Trick, dennoch ist Vorsicht geboten, denn wenn einige Objekte unverhältnismäßig mehr Licht als andere erhalten, wirkt das ganze Bild eventuell unrealistisch. Sie müssen daher bei dieser Technik regelmäßige Testberechnungen durchführen und die Plausibilität der Beleuchtung besonders intensiv überprüfen.

Masken

Wenn es um die Beleuchtung bei Filmen oder in einem Theater geht, werden manchmal Masken (auch Cookies, Cucoloris oder Gobo genannt) vor den Lichtern verwendet. Das sind Papp-, Holz- oder Metalltafeln, in die Öffnungen geschnitten wurden. Solche Masken werden benutzt, um die Homogenität des Lichts aufzubrechen. Woher dabei der Fachbegriff Cookie (übersetzt also Plätzchen oder Keks) genau kommt kann nur vermutet werden, aber in der Anfangszeit der Kinofilme wurden die verwendeten Lichter noch sehr heiß. Damals wurden teilweise normale Backbleche mit ausgestanzten Löchern vor den Leuchten verwendet.

Abbildung 2.24: Bei einer echten Cookie-Maske sind verschiedene Öffnungen vorhanden, um das Licht zu formen oder Variationen darin zu erzeugen.

Der Begriff Cucoloris könnte aus einer Vermischung von Cookie und Iris entstanden sein und Gobo könnte eine Abkürzung des Englischen go-between (also dazwischen stehen) sein. Die Abbildung 2.24 zeigt, wie so eine Licht-Maske aussehen könnte und verwendet wird.

Sie können ein beliebiges 3D-Objekt vor einer Lichtquelle mit aktivem Schattenwurf platzieren und als Maske benutzen. Direkter ist jedoch die Nutzung eines Bilds auf der Lichtquelle. In vielen Programmen kann die Farbe des Lichts über eine beliebige Textur gesteuert werden. So könnten Sie z. B. ein Bild, wie auf der linken Seite von Abbildung 2.25 als Cookie-Map direkt auf einer Spot-Lichtquelle verwenden. Die rechte Seite der Abbildung zeigt das Ergebnis, bei dem die zugewiesene Bildstruktur durch den Spot auf die Szene projiziert wird.

Abbildung 2.25: Eine Textur, wie hier links dargestellt, bricht das Licht auf und wirkt, als würde Sonnenlicht durch eine Baumkrone fallen (rechte Seite).

Übungen Die folgenden Übungen werden Ihnen dabei helfen, mit den verschiedenen Lichtquellen und deren Einstellungen Erfahrungen zu sammeln. Wenn Sie gerade keine 3D-Szene zum Beleuchten greifbar haben, laden Sie eine der verfügbaren Projekte von meiner Webseite www.3dRender.com/challenges, die in verschiedenen Dateiformaten vorliegen.

1. Eine sehr gute Übung ist die Erstellung einer Szenenbeleuchtung nur mit einer einzelnen Lichtquelle. Dies kann z. B. auch gut als eine Art Hausaufgabe oder Team-Arbeit in Klassen oder Kursen verwendet werden. Verschiedene der frei verfügbaren 3D-Szenen, die Sie von meiner Seite laden können, eignen sich gut für diese Aufgabe. Sogar eine relativ einfache Szene, wie die mit der Fruchtschale, kann gut bereits mit einer Lichtquelle beleuchtet werden. Wiederstehen Sie der Versuchung, globale Illumination zu aktivieren und achten Sie auf die Aktivierung eines Schattens für Ihre Lichtquelle. Aktivieren Sie Raytracing für das Rendering, falls Sie einen Raytraced Schatten verwenden. Das Thema Schatten wird zwar erst im nächsten Kapitel behandelt, aber selbst mit einem Standardschattenwurf erhalten Sie bereits bessere Kontraste, um die beleuchteten und unbeleuchteten Bereiche besser voneinander trennen zu können. Bei der Verwendung nur eines Lichts bleiben alle nicht beleuchteten Bereiche einfach schwarz, das Ergebnis wird daher einen sehr starken Kontrast haben. Beobachten Sie dabei, wie gut Sie die Form der Objekte über die hellen und dunklen Bereiche herausarbeiten können. Dabei können Sie die wichtigen Formen gezielt mit harten Kontrasten entlang der Silhouetten herausarbeiten

oder aber die Objekte mit einer hell beleuchteten und einer komplett schwarzen Hälfte darstellen lassen.

2. Eine klassische Übung, wie Sie bereits seit Jahrzehnten auch bei Beleuchtern in Hollywood-Filmstudios verwendet wird, besteht in der Ausleuchtung einer Orange. Wer diese Aufgabe so meistert, dass allein über die Helligkeitsverläufe die gesamte Form und die Färbung der Orange herausgearbeitet wird, hat bereits viel darüber gelernt, wie z. B. auch das Gesicht eines Schauspielers auszuleuchten ist. Das 3D-Modell einer Orange ist ebenfalls in der Stillleben-Szene mit der Fruchtschale enthalten. Die Abbildung 2.26 zeigt dazu eine Möglichkeit, wie diese Orange in Szene gesetzt und beleuchtet werden könnte.

Abbildung 2.26: Eine der klassischen Übungen von Film-Ausleuchtern ist das Beleuchten einer Orange, um deren Form und die verschiedenen Oberflächendetails herauszuarbeiten.

3. Eine sehr gute Hausaufgabe für Gruppen und Studenten, die den Umgang mit den verschiedenen Lichtquellen üben sollen, ist das Nachbauen einer Beleuchtung basierend auf vorgegebenen Bildern. Zuerst erarbeitet der Übungsleiter eine 3D-Szene, die er auf unterschiedlichen Wegen beleuchtet. Die berechneten Bildergebnisse werden gespeichert. Nun werden alle Lichter aus der Szene gelöscht und die Szene wird samt den Renderings an die Studenten oder Teilnehmer des Kurses übergeben. Mit diesen Bildvorlagen sollen die Kursteilnehmer die darauf dargestellte Lichtstimmung möglichst exakt reproduzieren. So könnte der Übungsleiter z. B. unter Verwendung von einem Spot mit simulierten Klappen einen diagonalen Lichtstrahl auf die hintere Wand eines Raum setzen, die Szene eher diffus über eine Fläche-Licht beleuchten oder

ein Licht mit nur spiegelnden Reflexen für die Erzeugung von Glanzpunkten auf einigen Objekten der Szene verwenden. Um die Aufgabe etwas zu erleichtern, könnte der Übungsleiter zudem seine Rendereinstellungen und die verwendeten Schatteneinstellungen zur Verfügung stellen. Selbst die Beleuchtung einer einfachen Szene nachzubauen kann recht kniffelig sein.

[KAPITEL DREI]

Schatten und Verdeckungen Die Einstellungen für die Schattenwürfe verlangen ebenso viel Sorgfalt und Zeit, wie die übrigen Lichteinstellungen. Sie können sich die Beleuchtung durch ein Licht als die eine Hälfte des Lichtdesigns vorstellen und die Schattenkonfiguration als die andere, gleichwertige Hälfte. Schatten können die Helligkeitsverläufe und Farbschattierungen aufwerten, die räumlichen Beziehungen zwischen den Objekten verdeutlichen und generell die Bildkomposition verbessern.

Eng mit dem Thema der Schatten verwandt ist die Verdeckung, auch Occlusion genannt. Dieser Effekt kann wie ein weicher Schatten aussehen und mit normalen Schatten kombiniert werden, um gezielt Bereiche des Bilds abzudunkeln.

Die Berechnung von Schatten und von Verdeckungen gehören zum Kernbereich der Beleuchtung, der zu meistern ist. Die richtige Auswahl der verfügbaren Schatten-Berechnungsmethoden zu treffen, sich diverse Tricks zuzulegen, um diese Schatten zu manipulieren sowie das Wissen, wie Schatten und die Occlusion auf eine möglichst hochwertige und dennoch schnelle Weise berechnet werden können, sind sehr wichtig für einen guten 3D-Künstler. Dieses Kapitel stellt daher sowohl technische als auch die künstlerische Seiten von Schatten und Occlusion in 3D-Programmen vor.

Die visuelle Funktion der Schatten Viele meinen, dass durch Schatten generell etwas verhüllt oder nur eingeschränkt sichtbar bleibt. Tatsächlich machen Schatten oft erst sichtbar, was ansonsten verborgen geblieben wäre. Ich stelle Ihnen daher nun die Funktionen vor, die Schatten in Filmen und Renderings haben.

Räumliche Beziehungen verdeutlichen Wirft ein Objekt einen Schatten auf ein anderes, werden die räumlichen Beziehungen zwischen diesen Objekten offenbar. Vergleichen Sie z. B. die Szenen in Abbildung 3.1

miteinander, die sich nur durch den Schattenwurf voneinander unterscheiden. Auf der linken Seite fällt die Entscheidung deutlich schwerer, welche Bälle wo im Raum liegen. Die Schatten auf der rechten Seite der Abbildung machen es hingegen sehr einfach zu erkennen, wie nahe die einzelnen Bälle zu der rückwärtigen Wand positioniert wurden, welche Bälle auf dem Boden liegen oder wie die Abstände zwischen den Bällen allgemein sind.

Abbildung 3.1: Eine grundlegende Funktion der Schatten ist, die räumlichen Beziehungen zwischen Objekten zu verdeutlichen. Die rechte Bildhälfte macht klar, welche Bälle auf dem Boden liegen und wie jeweils die Abstände von der Wand sind.

Immer wenn eine Figur etwas berührt oder anfasst erwarten wir, dass die Figur einen Schatten auf das Objekt und das Objekt einen Schatten auf die Figur wirft. Nur so werden räumliche Beziehungen zwischen Objekten deutlich. Enthält eine Szene Lichtquellen ohne Schattenwurf, kann es zu optischen Problemen an solchen Berührstellen kommen. Einige Optionen, wie Begrenzungs- und Bias-Einstellungen bei Depth-Map-Schatten oder Schattenverknüpfungen, durch die z. B. nur die Hand der Figur keinen Schatten mehr wirft, können zum Fehlen von Schatten führen, obwohl ein Betrachter diesen dort erwartet. Wir kommen darauf noch zurück.

Der Boden eines Raums kann mit Schatten übersät sein, welche die räumliche Beziehung zu den übrigen Objekten verdeutlichen. Alleine der Schattenwurf eines Fußes auf dem Boden macht deutlich, ob die Figur auf dem Boden steht oder darüber schwebt. Bei jedem Möbelstück im Raum wird sofort klar, ob dieses auf dem Boden steht oder welche Teile eine größere Distanz zum Boden haben.

Diese Eigenschaft der Schatten, unmissverständlich die räumliche Beziehung zwischen Objekten anzuzeigen, ist zugleich Fluch und Segen. Schatten zeigen sofort die Ungenauigkeiten oder Fehler einer Szene, wenn z. B. eine Lücke zwischen dem Boden und einem Fuß bleibt, wo dieser doch eigentlich festen Bodenkontakt haben sollte. In solchen Fällen bleibt dann oft nur die Überarbeitung der Animation.

Zusätzliche Ansichten enthüllen Zusätzlich zur Verdeutlichung der räumlichen Beziehungen, kann ein geschickt platzierter Schatten auch andere Ansichten eines Objekts sichtbar machen, die ansonsten verborgen geblieben wären. Die Abbildung 3.2 zeigt z. B. das Profil der Frau im Schattenwurf. Ohne diesen Schatten würden wird nur die Vorderseite des Gesichts sehen können. Stellen Sie sich eine Lichtquelle mit Schattenwurf wie eine zusätzliche Kamera vor, mit einer eigenen Blickrichtung und Perspektive auf die Szene. Viele 3D-Programme stellen daher auch eine Funktion zur Verfügung, mit deren Hilfe wir die Szene aus Sicht einer Lichtquelle betrachten können, um dieses Licht präziser platzieren zu können. Die Außenkante dessen, was dann zu sehen ist, also z. B. die Silhouette einer Figur, ist dann auch die Form, die der Schatten erhält. Wenn Sie verschiedene Objekte aus Sicht der Lichtquelle betrachten wird direkt deutlich, welche davon einen Schatten auf andere Objekte werfen werden.

Abbildung 3.2: Der Schattenwurf enthüllt das Profil der Figur, das ansonsten aus Sicht der Kamera verborgen geblieben wäre.

Der Schattenwurf einer Figur sollte diese ergänzen und nicht von dem Charakter ablenken. Dabei sollte kein Teil des beleuchteten Objekts zu nahe an einer Punkt- oder Spot-Lichtquelle liegen, damit die Schattenwürfe nicht unnatürlich vergrößert werden. Achten Sie zudem darauf, dass Tricks oder Ungenauigkeiten in der Szene nicht zu merkwürdigen Schattenwürfen führen. Wurde z. B. ein Arm zusätzlich verlängert, um die Hand an der gewünschten Position im Vordergrund zu platzieren, kann dies aus der Sicht der Kamera völlig glaubwürdig aussehen. Der Schattenwurf dieses Arms könnte dann jedoch merkwürdig wirken. In so einem Fall müsste der Winkel des Schattenwurfs korrigiert werden, damit der störende Schattenanteil nicht länger zu sehen ist.

Die Bildkomposition verbessern Schatten können für den Bildaufbau und die Komposition sehr wichtig sein. Der Verlauf eines Schattens kann das Auge des Betrachters zu einem bestimmten Bildelement führen oder aber Teil einer visuellen Struktur sein, um im Bild für ein Gleichgewicht zu sorgen. Die Abbildung 3.3 zeigt, wie ein bewusst platzierter Schatten den Raum strukturieren kann, wo ansonsten nur eine monotone Wand zu sehen gewesen wäre.

Abbildung 3.3: Das rechte Bild wurde durch einen zusätzlichen Schatten auf der Wand aufgewertet. Dadurch tritt der obere Rand der Vase stärker hervor und die Gleichförmigkeit der Wand im Hintergrund wird aufgebrochen.

Kontrast hinzufügen Die Abbildung 3.3 macht deutlich, wie ein Schatten für mehr Kontrast zwischen Objekten sorgen kann, die ansonsten ähnliche Helligkeiten und Farben hätten. Wie auf der rechten Seite dieser Abbildung zu erkennen, verstärkt der Schatten hinter der Vase die Tiefenwirkung des Bilds, indem der Kontrast zwischen der Vase im Vordergrund und der Wand dahinter erhöht wird. Die Vase wird dadurch viel klarer sichtbar und deren Form kann schneller erfasst werden, selbst wenn es sich hier nur um eine kurze Einstellung in einer Animation handeln sollte.

Objekte im nicht sichtbaren Szenenbereich andeuten

Ein Schatten kann auch Objekte simulieren, die sich nicht im für die Kamera sichtbaren Bereich der Szene befinden (Off-Screen). Diese Definition des Off-Screen-Bereichs ist besonders dann wichtig, wenn Ihr Bild eine Geschichte erzählen oder trotz einer einfachen Szene eine Stimmung vermittelt soll. Der Schatten eines nicht sichtbaren Objekts deutet dann an, dass da noch mehr vorhanden ist, als der Betrachter direkt sehen kann. Der Schattenwurf in Abbildung 3.4 erzählt eine ganze Menge über die Elemente, die womöglich in der Umgebung vorhanden sind. Manchmal kann für diesen Zweck auch eine Maske (Cookie) mit dem Licht verwendet werden, um nicht sichtbare Objekte in der Umgebung vorzugaukeln (siehe auch Kapitel 2).

Abbildung 3.4: Der Schatten verrät etwas darüber, wie die Umgebung der Szene aussieht.

Elemente integrieren Dadurch, dass die Beziehungen zwischen den Objekten deutlich werden, können Schatten auch für die Integration von Elementen in der Szene sorgen. Selbst bei den fantastischen oder kuriosen Szenen, die oft typisch sind für Computergrafiken, sind Schatten oft das

einzig verbliebene realistische Element, mit dem die verschiedenen Objekte miteinander verknüpft und dem Betrachter plausibel gemacht werden können.

Abbildung 3.5: Durch Schatten können ansonsten nicht zueinander passende Elemente integrativ miteinander verbunden werden.

Selbst ein in der U-Bahn mitfahrendes Nilpferd, wie in Abbildung 3.5, kann durch die Schatten glaubhaft mit seiner Umgebung in Einklang stehen. Die Erzeugung von Kontaktpunkten zwischen 3D-Objekten und Figuren, zwischen menschlichen Schauspielern und virtuellen Charakteren oder einer 3D-Figur und einer abgefilmten Umgebung, gehört wahrscheinlich zu den wichtigsten Aufgaben der Schatten. Ohne diese Schatten würden die Bildelemente solcher Rendering zusammenhangslos „auseinanderfallen“ und eher wie eine Kollage separater Bilder wirken.

Das Licht durch eine Wand abblocken Im echten Leben blockieren Wände automatisch das Licht. Das Licht der Lichtquellen im Raum bleibt nur im Raum und das Licht der Natur außerhalb, beleuchtet die Wand nur von außen. Dies führt zu einer Fülle möglicher Farben und Lichtverteilungen in jedem Raum eines Gebäudes. Die Abbildung 3.6 zeigt was passiert, wenn die Lichter außerhalb eines Gebäudes keine Schatten werfen würden. Das Sonnenlicht könnte ungehindert auch durch die Decke und die Wände in den Raum gelangen.

Abbildung 3.6: Die Außenbeleuchtung des Gebäudes oder Raums muss Schatten erzeugen, um nicht ungehindert den Raum zu fluten (links), ansonsten durchdringt das Sonnenlicht alle Wände und Decken und der gesamte Innenraum wird überbelichtet (rechts).

Immer wenn Sie in Ihrem Bild mehr als nur einen Bereich einsehen können, also z. B. durch ein Fenster oder eine geöffnete Tür noch in andere Räume oder durch ein offenes Treppenhaus noch in andere Flure blicken können, können Sie erwarten, dass sich das Licht in diesen Bereichen jeweils unterscheidet. Die Helligkeiten und Farben der Beleuchtung werden wahrscheinlich in jedem Raum oder jedem Stockwerk variieren. Zudem wird das Licht außerhalb des Gebäudes sicher ganz anders sein als das Licht innerhalb. Diese Unterschiede treten auf, da jedes reale Leuchtmittel eine andere Helligkeit und Lichtfärbung aufweist und weil die Farben der beleuchteten Objekte sich auf das diffuse Licht übertragen. Ein farbiger Lampenschirm wird das Licht der Glühbirne einfärben und weißes Licht, das von einer farbigen Wand abprallt, wird dadurch ebenfalls gefärbt. Um solche Szenen zu beleuchten, müssen Sie jeden Raum oder Bereich separat ausleuchten und dafür sorgen, dass alle Wände Schatten werfen. Nur die Fenster und geöffneten Türen sind dabei auszusparen.

Die Darstellung der Schatten Bei der Berechnung von Schatten sind viele Einstellungen zu beachten. Schatten können eine von der restlichen Szene abweichende Färbung haben. Ein Objekt kann einen großen oder einen kleinen Schatten werfen. Schatten können deckend oder transparent berechnet werden. Ebenso können Schatten scharf oder weich auslaufend sein.

Größe und Perspektive der Schatten Die Größe eines Schattens wird durch den Abstand der Lichtquelle von dem schattenwerfenden Objekt bestimmt. Eine weit entfernte Lichtquelle wird einen Schatten erzeugen, der ungefähr der Größe des beleuchteten Objekts entspricht, so wie es die linke

Seite der Abbildung 3.7 zeigt. Steht die Lichtquelle hingegen nahe an dem Objekt, wird der Schatten sehr viel größer als das Objekt selbst ist (siehe rechte Seite der Abbildung). Dabei spielt auch der Typ der Lichtquelle eine Rolle. Der Schatten wird nur dann größer, wenn Sie ein Punkt-, Spot- oder Fläche-Licht näher am Objekt platzieren. Ganz anders bei der Verwendung von parallelem Licht. Damit wird der Schatten immer exakt so groß wie das beleuchtete Objekt, egal wo die Lichtquelle platziert wird.

Schatten können ihre Form stark verändern, wenn sich die Lichtrichtung verändert. So scheint z. B. auf der linken Seite der Abbildung 3.8 etwas mit den Sonnenstrahlen nicht zu stimmen. Dieses Licht stammt von Spots, die direkt vor jedem Fenster platziert wurden. Deutlich wird, wie dadurch die Schatten trapezförmig auseinanderlaufen. Werden die Spots weiter entfernt platziert, so wie auf der rechten Seite der Abbildung 3.8, um eine weit entfernte Lichtquelle, wie z. B. die Sonne zu simulieren, lässt dies die Schatten paralleler verlaufen. Wenn Sie auf der rechten Bildhälfte die rechten und linken Ränder der Schatten miteinander vergleichen, so bleiben diese auf ganzer Länge nahezu parallel zueinander, wie es auch in der Realität der Fall wäre. Alternativ könnte in diesem Fall auch ein paralleles Licht anstatt der Spots verwendet werden.

Abbildung 3.7: Wie groß soll der Schatten werden? Platzieren Sie die Lichtquelle weiter entfernt um einen kleinen Schatten zu erhalten (links) oder nahe am Objekt für einen großen Schatten (rechts).

Abbildung 3.8: Sonnenlicht, das von einem zu nah platzierten Punkt ausgeht (links), verrät dem Betrachter, dass es sich hier um eine nahe platzierte Lichtquelle handeln muss. Werden die Lichtquellen weiter weg platziert, resultieren parallele Sonnenstrahlen (rechts).

Die Farbe der Schatten In der Realität scheinen Schatten oft eine andere Farbe als die übrige Umgebung zu haben. An einem sonnigen Tag z. B. können die Schatten auf einer weißen Wand bläulich erscheinen. Dies kommt zustande, weil das gelbliche Sonnenlicht von einem Objekt abgeblockt wird und dadurch hinter diesem Objekt nur noch indirektes Licht und das bläuliche Licht des Himmels übrig bleiben.

Die natürliche Schattenfarbe

In einer 3D-Szene entstehen die natürlichsten und realsten Schattenfarben dann, wenn alle Lichtquellen individuell gefärbtes Licht abgeben. Nehmen wir wieder das Beispiel des sonnigen Sommertags, wobei das Sonnenlicht z. B. gut mit einem intensiven, parallelen Licht leicht gelber Färbung dargestellt werden kann. Dann ergänzen Sie verschieden ausgerichtete Lichtquellen, die das diffuse, vom Himmel abgestrahlte Licht simulieren sollen (Aufheller) und färben diese Lichter leicht bläulich ein. Dort, wo sich das Sonnenlicht und das diffuse Himmelslicht überlagern, addieren sich deren Farbwerte. Das gelbliche Sonnenlicht und das bläuliche Himmelslicht neutralisieren sich dabei zu einem gewissen Anteil, so dass gemeinschaftlich beleuchtete Bereiche nahezu neutral weiß ausgeleuchtet wirken.

Innerhalb der Schatten wird jedoch das Sonnenlicht abgeblockt. Dies sind die einzigen Bereiche, in denen ausschließlich das gestreute, bläuliche Himmelslicht zu sehen ist. Soll diese Färbung intensiver werden, erhöhen Sie also die Farbsättigung der Lichter, die in die Schatten hinein leuchten. Die Abbildung 3.9 zeigt diese natürliche Schattenfärbung noch einmal am Beispiel des gelblichen Sonnenlichts (das auch für den hart abgegrenzten Schattenwurf verantwortlich ist) und der bläulichen Himmelslichter, die für die Aufhellung und Einfärbung der Schatten zuständig sind.

Achten Sie einmal bewusst auf die bläulichen Schatten, wenn Sie an einem sonnigen Tag draußen spazieren gehen. Dieser Effekt wird umso deutlicher, je weniger Wolken am Himmel zu sehen sind und je neutral weißer die Eigenfarbe der Fläche ist, auf die ein Schatten fällt.

Abbildung 3.9: Das Zusammenspiel von gelblichem Sonnenlicht und bläulichem Himmelslicht sorgt automatisch für natürliche, leicht bläulich gefärbte Schatten.

Der Farbkontrast zwischen Komplementärfarben, wie z. B. Gelb und Blau, kann Ihre Szene besonders harmonisch gestalten. Aus gestalterischen Gründen könnten Sie auch farbige Objekte Schatten werfen lassen, die komplementär zu der Eigenfarbe des Objekts gewählt wurden. So könnte dann z. B. ein rotes Objekt einen blauen Schatten werfen, wenn Sie den Schatten gezielt mit bläulichem Licht beleuchten. Der Farbkontrast zwischen dem Objekt und seinem Schatten rückt das Objekt zusätzlich visuell in den Vordergrund. Seien Sie sich nur darüber klar, dass derart individuell gefärbte Schatten nichts mit der Realität zu tun haben und nur ein stilistisches Hilfsmittel sind.

Der Parameter für die Schattenfarbe

Viele 3D-Lichtquellen bieten einen zusätzlichen Parameter für die zu erzeugende Schattenfarbe an (auch Shadow Color genannt), über den sich eine beliebige Farbe in die Schattenberechnung dieser Lichtquelle mischen lässt. Normalerweise wird hier reines Schwarz verwendet, der Schattenwurf wird also weder künstlich aufgehellt noch eingefärbt. Dies entspricht auch dem eigentlich realen Schatten. Diese Farbeinstellung zu verändern ist also ein Trick, der manchmal zu unrealistischen Ergebnissen führt. Einige verwenden hier generell sehr dunkle, aber etwas gefärbte Einstellungen, die von der Helligkeit her nur leicht über dem perfekten Schwarz liegen, um den Schatten eine leichte Färbung mitzugeben. Selbst dies kann bereits zu unrealistischen Ergebnissen führen. Die Abbildung 3.10 zeigt ein gelbliches Sonnenlicht, dessen Schattenwurf bläulich gefärbt

wurde. Sie werden bemerken, dass dieses Ergebnis nicht so glaubwürdig wirkt, wie die Berechnung mit einem schwarzen Schatten und einem zusätzlichen, blauen Himmelslicht.

Woran liegt dies? Wenn wir über die Schattenfarbe künstlich eine Farbe in den Schatten hineinmischen, wird dadurch auch nur der Schatten beeinflusst. Die einer Hauptlichtquelle abgeneigte Seite eines Objekts wird dadurch also nicht gleichzeitig eingefärbt, da hier auch kein Schatten vorliegt. Exakt hier liegt das größte Problem. Betrachten Sie dazu erneut die Abbildung 3.10. Die Schatten auf dem Boden erscheinen zwar bläulich, aber die der Sonne abgeneigte Seite der Hydranten wird davon nicht erfasst. Darum wirkt das Ergebnis weniger stimmig und natürlich im Vergleich zu dem natürlichen Ansatz mit verschieden gefärbten Lichtquellen aus Abbildung 3.9.

Gefärbte Aufheller stellen die beste Alternative dar, um dunkle Bereiche zu färben. Für realistische Renderings stellt die Nutzung der Schattenfarbe einen Trick dar und sollte daher vermieden werden.

Abbildung 3.10: Wenn die Schatten der Lichtquellen eingefärbt werden, wirkt das Ergebnis oft künstlich. Beachten Sie, wie die der Sonne abgewandte Seite der Hydranten eine andere Färbung erhalten als die Schatten auf dem Boden.

Die Schattenfarbe als Diagnose-Werkzeug

Auch wenn die Nutzung des Schattenfarbe-Parameters in normalen Renderings vermieden werden sollte, so können wir mit seiner Hilfe dennoch die Schatten in Testberechnungen hervorheben. Das kann hilfreich sein, wie die Abbildung 3.11 mit rot gefärbtem Schatten zeigt. Wir können so sehr gut erkennen, worauf dieser Schatten überhaupt fällt. Benutzen Sie diese Technik wann immer Sie sich nicht sicher sind, welcher Schattenwurf überhaupt von welcher Lichtquelle stammt. Bei einem derart farblich intensivierten Schatten fallen auch Änderungen an anderen Schatteneinstellungen viel besser auf, selbst wenn der wieder entfärbte Schatten später sehr viel subtiler wirkt. Wenn Sie mit der Überprüfung des Schattens fertig sind, setzen Sie dessen Farbe einfach wieder auf Schwarz zurück.

Abbildung 3.11: Die zeitweise Einfärbung eines Schattens macht es für uns einfacher, diesen Schatten losgelöst von anderen Schatten zu begutachten und dessen Einstellungen zu überprüfen.

Die Schattenfarbe nutzen, um Schatten ohne Licht zu rendern.

Es kann vorkommen, dass Sie zwar einen zusätzlichen Schatten in der Szene benötigen, aber keine zusätzliche Lichtwirkung haben möchten. Einige 3D-Programme bieten daher auch eine Schattenwerfer-Option an den Lichtquellen an (oder auch Shadow-only-Light), damit diese Lichtquelle nichts mehr in der Szene aufhellt, sondern nur noch Schattenberechnungen durchführt. Fehlt so eine Option in Ihrer Software, kann dieser Effekt auch durch einen Trick erzeugt werden.

Dazu ermöglichen viele Programme, dass Sie die Lichtfarbe auf reines Schwarz reduzieren und im Gegenzug die Schattenfarbe auf einen negativen Wert setzen (siehe Abbildung 3.12).

In der Software 3ds Max sind keine negativen Farbwerte erlaubt. Alternativ hierzu können Sie jedoch wieder die Lichtfarbe Schwarz verwenden, die Schattenfarbe auf Weiß schalten und die Dichte des Schattenwurfs mit -1 angeben (siehe Abbildung 3.13).

Abbildung 3.12: In Maya kann eine Lichtquelle ausschließlich zur Berechnung von Schatten verwendet werden, wenn die Lichtfarbe auf Schwarz reduziert und die Schattenfarbe negativ gesetzt wird. Beachten Sie die RGB-Werte von je -1 für die Schattenfarbe.

Ist all dies in Ihrer Software nicht möglich, gibt es noch eine andere Möglichkeit, eine Lichtquelle nur Schatten erzeugen zu lassen, zumindest wenn Ihr Programm auch negative Lichter unterstützt. Setzen Sie dazu zwei identische Spot-Lichter an die gleiche Stelle. Der erste Spot hat eine Intensität von 1 und berechnet einen Schatten.

Der zweite Spot wird auf die Intensität -1 gesetzt und berechnet keinen Schatten. So ein Lichter-Paar wirkt nur zusammen. Das erste Licht beleuchtet die Szene (zumindest die nicht im Schatten liegenden Bereiche) und das zweite Licht zieht den exakt gleichen Beleuchtungsbetrag wieder von der Szene ab. Das negative Licht zieht dabei auch Beleuchtung aus den Bereichen der Szene ab, der von der ersten Lichtquelle mit dem Schatten versehen wurde.

Lichter, die nur Schatten berechnen, können extrem hilfreich sein, wenn Sie die exakte Größe, den Winkel oder die Form der Schatten unabhängig von der Beleuchtung der Szene justieren möchten. Sie könnten z. B. auch wie in Abbildung 3.14, rote, grüne und blaue Lichtquellen für die Beleuchtung der Szene verwenden und diese keine Schatten berechnen lassen. Anschließend ergänzen Sie eine einzelne, nur Schatten werfende Lichtquelle, damit die Objekte nur einen einzelnen Schattenwurf in die gewünschte Richtung erhalten.

Harte und weiche Schatten In der Standardeinstellung entstehen oft nur harte Schatten, mit einem hart abgegrenzten Rand, wie in Abbildung 3.15. Die unbedachte Nutzung solcher Schatten, selbst wenn es sich

Abbildung 3.13: In 3ds Max kann ein nur Schatten erzeugendes Licht erstellt werden, indem die Lichtfarbe Schwarz, die Schattenfarbe Weiß und die Dichte des Schattens -1 verwendet werden.

um relativ kleine Lichtquellen mit wenig Streulicht handelt, führt oft zu einem typisch klischeehaften 3D-Look Ihres Renderings, der Ihre Beleuchtung unrealistisch erscheinen lässt.

Abbildung 3.14: Mehrfache Schattenwürfe (links) lassen sich durch einen einzelnen Schatten mit einer nur Schatten werfenden Lichtquelle ersetzen (rechts).

Abbildung 3.15: Harte Schatten sind oft die Standardqualität der Lichtquellen. Diese wirken nur dann realistisch, wenn die Beleuchtung einer Lichtquelle mit sehr kleiner Größe simuliert werden soll.

In den meisten Fällen wird die Verwendung weicher Schatten realistischer als die Berechnung harter Schatten wirken. Weiche Schatten drängen sich optisch weniger in den Vordergrund und laufen an den Rändern natürlich weich aus. In Abbildung 3.16 wurde beispielsweise ein sehr weit auffächernder Lichtkegel verwendet, um die weiche Schattenberechnung durch einen weichen Helligkeitsübergang am Rand des Lichtkegels zusätzlich zu unterstützen.

Wann harte Schatten Sinn machen

Es gibt einige Fälle, bei denen harte Schatten angebracht sind. Hier sind einige Beispiele aufgeführt, wo Sie harte Schatten z. B. als kreatives Stilmittel einsetzen könnten:

Abbildung 3.16: Weiche Schatten wirken natürlicher, so wie bei einer Lichtquelle, die etwas größer ist.

Um das Licht einer einzelnen, sehr kleinen oder kompakten Lichtquelle darzustellen, wie z. B. einer nackten Glühbirne

Die Darstellung von direktem Sonnenlicht an einem klaren Tag, kann auch in der Realität relativ hartes Licht sein

In einer Weltraumumgebung, wo Objekte durch Licht beleuchtet werden, das zuvor nicht durch eine Atmosphäre gestreut wurde

Um die Aufmerksamkeit über eine künstliche Lichtquelle auf ein Objekt zu lenken, wie z. B. auf einen Artisten im Zirkus, der von einem konzentrierten Spot ausgeleuchtet wird.

Um einen klar umrissenen Schattenwurf zu erhalten, der z. B. von dem Betrachter als Umriss eines Bösewichts auf der Mauer wahrgenommen werden soll

Um eine lebensfeindliche oder unwirtliche Umgebung zu erzeugen

Selbst in solchen Spezialfällen brauchen die Schatten aber nicht zu 100 % hart zu sein. Ein etwas aufgeweichter Rand macht Schatten generell realistischer. Selbst an einem wolkenfreien Sommertag erzeugt die Sonne keine perfekt hart umrissenen Schatten.

Wann weiche Schatten verwendet werden

Es gibt sehr viele Situationen, in denen weiche Schatten zu erwarten sind. Hier sind einige Beispiele dazu aufgelistet:

Um natürliches Licht an einem bedeckten Tag zu simulieren, wobei die Schatten generell weniger stark ausgeprägt sind

Um indirektes Licht zu simulieren, das z. B. durch die diffuse Streuung an einer Wand reflektiert wurde

Um Licht zu simulieren, das durch ein halbtransparentes Objekt gefiltert wurde, wie z. B. einen Lampenschirm, Blätter an einem Baum oder die Vorhänge an einem Fenster

Um eine Umgebung angenehmer und gemütlicher sowie Elemente natürlicher und organischer erscheinen zu lassen. Viele Leuchten für Innenräume sind darauf ausgelegt, das Licht zu streuen und z. B. die Beleuchtung durch eine Glühbirne weicher wirken zu lassen.

Um eine Figur vorteilhafter oder anziehender aussehen zu lassen. Viele Nahaufnahmen von Hollywood-Stars, besonders der weiblichen Darsteller, entstehen unter weicher Ausleuchtung.

Wenn Sie sich bewusst umsehen, werden Sie oft eine Kombination aus weichen und harten Schatten bemerken, selbst wenn Sie vielleicht nur harte Schatten erwartet hatten. An einem sonnigen Tag fällt z. B. ein harter Schatten an einer Wand schnell auf, dennoch lassen sich durch die diffuse Beleuchtung des Himmels auch weiche Schatten, z. B. unter einem Auto finden.

Die tatsächlichen Einstellungen zum Rendern harter oder weicher Schatten variieren zudem je nach Art der Lichtquelle und Art der ausgewählten Schattenberechnung.

Die Schattenberechnungen Oft stehen zwei populäre Techniken der Schattenberechung zur Wahl:

Depth Map-Schatten (auch Schatten-Map oder Shadow Map genannt) sind normalerweise besonders schnell und effektiv zu berechnen, haben jedoch eine begrenzte Auflösung und müssen speziell angepasst werden, um Störungen in ihrer Darstellung zu vermeiden. Wir kommen gleich darauf zurück.

Raytraced-Schatten sind einfach in der Anwendung und präzise in jeder Renderauflösung, sie benötigen aber auch oft viel länger für die Berechnung.

Dieser Abschnitt klärt darüber auf, wie Schatten-Maps und Raytraced-Schatten verwendet werden, was ihre Vor- und Nachteile sind und wie sich harte und weiche Schatten auch über andere Verfahren berechnen lassen.

Depth Map/Schatten-Maps Depth Maps (auch Shadow Maps genannt) lassen sich schneller und mit weniger Speicherbedarf rendern als Raytraced-Schatten. Obwohl Depth Map-Schatten mittlerweile etwas in die Jahre gekommen sind, werden sie dennoch auch in professioneller 3D-Beleuchtungsarbeit verwendet. Dieser Schatten wird basierend auf einer Tiefenmaske (Depth Map) berechnet, die festlegt, wo ein Schatten angezeigt werden soll. Eine Depth Map (auch als dmap abgekürzt) besteht aus einer Reihe von Zahlen, die für Entfernungen stehen. Noch bevor die eigentliche Bildberechnung beim Rendering startet, werden dazu aus Sicht der Lichtquellen, die einen Depth Map-Schatten erzeugen sollen, die Entfernungen zu den zuerst von den Lichtstrahlen getroffenen Oberflächen berechnet und in der Depth Map gespeichert (siehe Abb. 3.17). Während des Renderings werden die Lichtstrahlen dann einfach dort abgeschnitten, wo die in der Depth Map verzeichnete Entfernung zur Lichtquelle erreicht wird. Das Licht kann daher nicht mehr weiter als in dieser Map angegeben leuchten. Wird unter dem Apfel z. B. ein Boden gerendert, muss der Renderer einfach nur in der Depth Map nachsehen, welche Bereiche des Bodens im Schatten liegen. Das vereinfacht die Schattenberechnung erheblich, denn ansonsten müsste der Renderer bei jedem berechneten Pixel überprüfen, ob zwischen diesem und den Lichtquellen der Szene irgendwelche anderen Objekte liegen.

Abbildung 3.17: Ein Depth Map-Schatten basiert auf einer Anzahl von Entfernungsmessungen (hier als weiße Linien dargestellt) zwischen der Lichtquelle und den zuerst von dieser beleuchteten Elementen.

Die Abbildung 3.17 zeigt nur eine Ebene von Entfernungsmessungen, so wie diese in einer Spalte der Schatten-Map aufgeführt sein könnten. Eine echte Depth Map breitet sich sowohl horizontal, wie vertikal über das gesamte von der Lichtquelle beleuchtete Gebiet aus. Eine Depth Map mit einer angenommenen Auflösung von 512*512 Pixeln würde daher 512 Entfernungsmessungen in der Höhe und 512 Messungen in der Breite speichern können.

Auflösung und Speicherbedarf

Die Messung einer Entfernung wird innerhalb der Schatten-Map als Fließkommazahl gespeichert. Fließkommazahlen sind in der Lage jede Art Zahl darzustellen, egal ob winzig klein oder riesig groß, wobei lediglich 4 Bytes als Speicherbedarf pro Messung anfallen. Die angegebene Auflösung einer Depth Map wird horizontal und vertikal verwendet, woraus sich ein Speicherbedarf in Bytes von 4 * (Depth Map-Auflösung in einer Richtung)2 ergibt. Die Tabelle 3.1 zeigt den Speicherbedarf gängiger Schatten-Map-Auflösungen umgerechnet in Megabyte an.

DEPTH MAP-AUFLÖSUNG SPEICHERBEDARF

512 1 MB

1024 4 MB

2048 16 MB

4096 64 MB

8192 256 MB

Tabelle 3.1: Speicherbedarf verschieden großer Schatten-Maps

Wie in Tabelle 3.1 zu erkennen, schlagen größere Schatten-Maps ordentlich auf den Arbeitsspeicher Ihres Rechners. Bei einem exakt ausgerichteten und im Lichtkegel angepassten Spot, sollte eine Schatten-Map-Auflösung von 1024 bereits ausreichen, wenn das Licht einen relativ kleinen Bereich beleuchtet und keine außergewöhnlich scharfen Schattenränder benötigt werden. Bei Schatten, die größere Bereiche in der Szene bedecken oder wenn ein Schatten härter bzw. schärfer sein soll, können auch Auflösungen von 2048 oder 4096 angebracht sein. Normalerweise ist es nicht sinnvoll, die Auflösung noch höher als 4096 zu wählen. Die ansonsten vorhandenen Vorteile bezüglich der Schattenberechnungsdauer und des Speicherbedarfs dürften dann nicht mehr greifen und Sie sind mit Raytraced-Schatten besser bedient. Wenn Sie dennoch lieber mit Depth Map-Schatten arbeiten möchten, vergewissern Sie sich vor einer weiteren Erhöhung der Schatten-Map-Auflösung, dass die Lichtquelle wirklich nur den Bereich erfasst, in dem Sie den Schatten benötigen.

Optimieren der Depth Map-Schatten

Für effiziente Schatten-Maps müssen die entsprechenden Lichter präzise auf die Objekte ausgerichtet werden, die Schatten erzeugen sollen. Es sollte möglichst wenig unnötiger Raum zusätzlich in der Depth Map erfasst werden. Spots eignen sich daher besonders gut für diese Schatten, da sie sich exakt auf die Objekte fokussieren und ausrichten lassen. Bei der Verwendung eines Punkt-Lichts müssen sogar mehrere Schatten-Maps berechnet werden, um die Schattenwürfe in allen sechs räumlichen Richtungen zu erfassen. In Verbindung mit einem parallelen oder unendlichen Licht muss sich die Schatten-Map oft zu weit strecken, um noch über deren Auflösung präzise kontrollierbar zu sein.

Wenn Sie mit einem Spot beleuchten, passen Sie dessen Lichtkegel möglichst exakt auf den zu beleuchtenden Bereich Ihrer Szene an. Auf diese Weise verschwenden Sie keine Berechnungsstrahlen der Depth Map auf Bereiche, die später im Rendering eventuell gar nicht zu sehen sind. Die Abbildung 3.18 zeigt, dass eine Schatten-Map recht effektiv funktioniert, wenn ein schlanker Lichtkegel verwendet wird. Bei einem weit geöffneten Lichtkegel verschlechtert sich die Auflösung des Schattens, da seine Entfernungsmessungen nun über einen viel größeren Bereich verteilt werden. Ist die Lichtquelle weit von dem zu beleuchtenden Objekt entfernt, müssen Sie also ggf. den Lichtkegel enger einstellen. Das lässt sich leicht überprüfen, wenn Sie aus Sicht des Spots auf die zu beleuchtenden Objekte blicken, damit nicht zu viel Leerraum im Umfeld des beleuchteten Objekts von der Depth Map erfasst wird.

Abbildung 3.18: Ein schlecht angepasstes Spot-Licht, mit einem zu breiten Lichtkegel, verschwendet viele der Entfernungsmessungen in der Depth Map und führt zu verwaschenen und unpräzisen Schattenberechnungen (links). Ein präzise auf das Objekt angepasster Lichtkegel nutzt die Schatten-Map besser aus und berechnet einen akkuraten Schatten (rechts).

Es mag Situationen geben, in denen die perfekte Anpassung der Depth Map auf alle Objekte unmöglich erscheint. Dennoch werden Sie sicher keine Kompromisse bei der Schattenqualität eingehen wollen, nur um den Speicherbedarf für deren Berechnung zu senken. Erfassen Ihre Spots Bereiche, die im Bild nicht zu sehen sind, verjüngen Sie deren Lichtkegel soweit wie möglich, ohne dadurch die Beleuchtung zu beeinträchtigen. Wurde eine Lichtquelle mit einem einzelnen Objekt verknüpft, muss auch nur dieses vom Lichtkegel erfasst werden. Vermeiden Sie dann, dass zu große Bereiche außerhalb dieses Objekts von dieser Lichtquelle beleuchtet werden.

Wird eine sehr große Szene mit Bäumen, einem Haus und einem animierten Charakter von der Sonne beleuchtet, sollte jedes Objekt eine speziell auf dessen Größe und Form angepasste Depth Map erhalten. Individuell programmierbare Renderer, wie Pixar’s RenderMan ermöglichen es genau festzulegen, welche Objekte in welcher Schatten-Map gespeichert werden und welche Lichtquelle welche Schatten-Map verwendet. In den meisten Standard 3D-Softwarepaketen fehlen aber solche Optionen, wie die individuelle Zuordnung der Depth Maps zu einer Lichtquelle oder eine individuelle Anpassung der Schatten-Maps auf die beleuchteten Objekte. Erlaubt Ihre Software nur die Verwendung der Schatten-Map, die durch diese Lichtquelle selbst berechnet wurde, ist die beste Herangehensweise die, die Beleuchtung möglichst exakt auf die im Bild sichtbaren, schattenwerfenden Objekte zu fokussieren. Das kann dann darauf hinauslaufen, dass Sie eine einzige riesengroße Schatten-Map nutzen müssen, die alle Bäume, Häuser und Figuren auf einmal einschließt. Funktioniert dies nicht gut genug, sollten Sie wahrscheinlich besser Raytraced-Schatten verwenden.

Müssen Schatten-Maps große Bereiche abdecken und können nicht weiter auf einzelne Objekte begrenzt werden, gibt es folgende Optionen:

Tauschen Sie Ihr Licht durch mehrere Spots aus, wobei jeder Spot ein entsprechend kleineres Gebiet erfasst. Dies fügt der Beleuchtung zudem eine natürliche Variation hinzu, was generell gut ist.

Schalten Sie die Schattenberechnung Ihrer Hauptlichtquelle aus und benutzen Sie dafür mehrere Lichtquellen, die nur Schatten berechnen, um die Schatten an Ihren Objekten zu ergänzen.

Verwenden Sie separate, exakt angepasste Spots für jeden Schatten und lassen Sie diese Schattenwürfe als einzelne Passes ausgeben. In der Komposition können diese Passes dann zum Abdunkeln des Renderings genutzt werden. Wir kommen in Kapitel 11 darauf zurück.

Erhöhen Sie die Auflösung des Schattens so weit wie möglich, wobei Sie den Speicherbedarf und die Berechnungsdauer im Blick behalten. Zeigen Testberechnungen, dass eine Schattenauflösung über 4096 Pixel nötig wäre, dürften Raytraced-Schatten effektiver sein. Wir kommen später darauf zurück.

Der Bias-Wert der Depth Map und Schattenartefakte durch Eigenschatten

Sichtbare Linien oder Muster innerhalb der Schatten, wie in Abbildung 3.19 festgehalten, haben oft mit einem zu niedrig eingestellten Parameter zu tun, der sich Depth Map Bias, oder nur kurz Bias nennt. Bei Szenen, die in einem großen Maßstab erstellt wurden, kann eine Erhöhung des Bias-Werts notwendig werden, um diese Schattenartefakte loszuwerden.

Der Bias-Wert wird zu jeder Schatten-Entfernungsmessung addiert, wodurch sich der Schatten etwas von der Lichtquelle entfernt. Ein großer Bias schiebt den Schatten weg von der schattenwerfenden Fläche, damit Lichtstrahlen nicht zu früh enden und es zu Artefakten auf der Oberfläche kommt. Solche streifenartigen oder gerastert erscheinenden Artefakte treten auf, weil die Polygonpunkte der Oberflächen bereits anfangen, Schatten auf ihre eigene Umgebung zu werfen, wenn dort zu wenige Entfernungsmessungen vorliegen. Die Entfernung zur Lichtquelle kann für diese Flächen dann nur ungenau und ggf. zu gering ermittelt werden.

Abbildung 3.19: Ein zu niedriger Bias-Wert einer Schatten-Map kann deutlich sichtbare Störung wie diese verursachen, aber auch zu dezenteren Artefakten, gerasterten Strukturen oder Moiré-Mustern führen.

Obwohl das Anheben des Bias-Werts derartige Störmuster vertreiben kann, führt ein zu großer Bias-Wert dazu, dass sich Lücken zwischen dem Objekt und seinem Schatten zeigen. Daher sind oft mehrere Testberechnungen und Bias-Anpassungen nötig, bis ein passender Wert für einen bestimmten Schatten gefunden wurde.

Ein zu kleiner Bias führt immer zu deutlich sichtbaren Mustern und Störungen. Dabei kann die versehentliche Selbstbeschattung auch dazu führen, dass sogar direkt beleuchtete Oberflächen abgedunkelt werden. Auch hierbei helfen Testberechnungen, wenn Sie so vorgehen: Führen Sie eine Testberechnung aus, bei der die Lichtquelle beleuchtet und einen Schatten berechnet. Anschließend schalten Sie die Schattenberechnung dieses Lichts aus und vergleichen die beiden Bilder miteinander. Wenn dabei die direkt beleuchtete Seite der Objekte in dem Bild mit der aktiven Schattenberechnung dunkler als in dem anderen Bild erscheint, liegt wahrscheinlich ein Problem mit einem zu kleinen Bias-Wert vor.

Durchsickerndes Licht beheben

Bei einem zu hohen Bias-Wert kann es dazu kommen, dass Licht teilweise in Raumecken oder auf Wänden durchschimmert (siehe Abbildung 3.20).

Abbildung 3.20: Bei einem zu hohen Bias-Wert in Kombination mit einer nicht doppelwandig oder zu dünn konstruierten Geometrie, kann eingesickertes Licht in Winkeln und Ecken sichtbar werden (links). Durch eine Reduzierung des Bias-Werts wurde das Problem behoben (rechts).

Durchsickerndes Licht können Sie mit diesen Techniken verhindern:

Begutachten Sie die Beleuchtung jeder einzelnen Lichtquelle separat.

Wird ein Spot-Licht verwendet, verkleinern Sie dessen Lichtkegel so weit wie möglich auf den Bereich, der beleuchtet werden soll.

Senken Sie den Bias-Wert der Depth Map ab

Reduzieren Sie die Glättung oder die Weichheit des Schattens. Dies kann ebenfalls für einsickerndes Licht verantwortlich sein.

Einsickerndes Licht kann aber auch durch Probleme mit den Modellen selbst entstehen. Hier einige Tipps dazu:

Bauen Sie dickere Modelle, anstatt z. B. Wände nur aus einem Polygon zu erstellen. Echte Wände haben schließlich auch eine gewisse Dicke.

Ergänzen Sie Polygone auf der Außenseite Ihres Gebäudes um dort Licht zusätzlich abzublocken, wo keines eindringen soll.

Runden Sie die Raumecken leicht ab und vermeiden Sie harte 90°-Winkel

Werden von einem Ihrer Objekte keine präzisen Schatten geworfen, platzieren Sie eine zusätzliche, einfache Geometrie im Inneren dieses Objekt.

Für Anfänger mag die Erhöhung der Schatten-Map-Auflösung sicher die einfachste Lösung aller Schattenprobleme sein, auch wenn dadurch die Rechenzeit und der Speicherbedarf ansteigen.

Kann ein Schattenproblem durch Anpassung des Bias-Werts behoben werden, der keine Auswirkungen auf die Berechnungszeit hat, sollten Sie diese Option zuerst wahrnehmen.

Gibt es dann immer noch Probleme beim Schattenwurf eines bestimmten Objekts, kann auch die Überarbeitung dieses Modells eine Lösung sein.

Unterstützung für Transparenzen

Sicherlich erwarten Sie von einem transparenten Objekt, dass dieses geringer deckende Schatten als ein massives Objekt wirft. Dennoch können klassische Depth Maps nicht realistisch auf Transparenzen reagieren und sehen immer wie bei einem undurchsichtigen Objekt aus. So erkennen Sie z. B. in der oberen Hälfe der Abbildung 3.21 wie der Depth Map-Schatten der Brillengläser genauso deckend ist wie der Schatten des Brillengestells. Die untere Bildhälfte verwendet Raytraced-Schatten und zeigt uns einen Schatten, wie wir ihn bei einem transparenten Objekt erwarten würden. Diese konventionellen Depth Maps, wie soeben beschrieben, sind in vielen Programmen zu finden. Es existieren aber auch Alternativen dazu. So können Deep Shadow Maps z. B. in Pixar’s RenderMan auch verschiedene Transparenzstärken unterstützen.

Derartige Limitierungen können auch umgangen werden, wenn die Szene nur einige stark transparente Objekte enthält, indem diese Objekte ganz von der Schattenberechnung ausgenommen werden. Das wäre in Fällen wie der Abbildung 3.21 sicherlich die einfachste Möglichkeit. Mithilfe einer Licht-Verknüpfung könnte das Brillenglas auch von der Beleuchtung durch andere schattenwerfende Lichtquellen in der Szene ausgenommen werden. Beide Lösungen führen dazu, dass die Depth Map-Schatten nicht länger von den Glas-Objekten abgeblockt werden. Wenn Ihre Szene jedoch Glasflaschen, Weingläser oder andere markante transparente Objekte enthält, die wahrscheinlich auch Raytracing für Refraktionen und Spiegelungen verwenden, sollten Sie in den sauren Apfel beißen und Raytraced-Schatten verwenden.

Weiche Schatten mit Depth Maps

Über einen Filter-Parameter (auch Dmap Filter, Shadow Softness oder Sample-Radius genannt) kann ein Depth Map-Schatten weicher berechnet werden. Dabei wird die Schatten-Map weichgezeichnet, ganz so wie Sie es von der Weichzeichnung eines Bilds in einem Grafikprogramm kennen. Die Verwendung eines größeren Filter-Werts führt dazu, dass die Berechnung der Weichzeichnung länger dauert, vor allem bei hoch aufgelösten Schatten-Maps.

Abbildung 3.21: Eine Standard Schatten-Map reagiert nicht auf transparente Materialien, daher werfen die Brillengläser einen deckenden Schatten (oben). Ein Raytraced-Schatten zeigt eine reduzierte Deckkraft, wenn er von einem transparenten Objekt geworfen wird (unten).

Um einen sehr weichen Schatten zu erhalten, kann oft auch die Auflösung der Schatten-Map gesenkt werden und führt zu vergleichbaren Ergebnissen wie eine Erhöhung des Filter-Werts. Wenn sie z. B. eine Schatten-Map-Auflösung von 1024 mit einem Filter von 16 verwenden und Ihnen der Schatten noch nicht weich genug ist, versuchen Sie die Auflösung auf 512 zu senken, anstatt den Filter zu verdoppeln. Das Ergebnis wird ähnlich aussehen, aber viel schneller berechnet.

Immer wenn Sie die Filter-Einstellung zum Aufweichen eines Depth Map-Schattens verwenden, wird der gesamte Schatten gleichförmig weicher. Die Abbildung 3.22 zeigt Ihnen einen Vergleich zwischen einem weichen Schatten-Map-Schatten auf der linken und einen weichen Raytraced-Schatten auf der rechten Seite. Der Raytraced-Schatten ist dabei realistischer, da sich dessen Randschärfe mit dem Abstand zum Objekt verändert, der Schatten also stärker auffächert. Wenn Sie nur relativ kleine Filter-Werte für eine Schatten-Map verwenden, dürfte die homogene Weichzeichnung des gesamten Schattens kein größeres Problem darstellen. Wenn das schattenwerfende Objekt dabei nicht z. B. auf einem Untergrund steht, wie z. B. bei einem Fisch, der über dem Meeresgrund schwimmt, ist diese Weichzeichnung gar kein Problem. Sollen jedoch die Schatten den Kontakt zwischen Objekten verdeutlichen, wählen Sie besser Raytraced-Schatten für glaubwürdige Ergebnisse.

Abbildung 3.22: Ein Depth Map-Schatten wirkt rundherum überall gleich weich (links), wogegen bei einem Raytraced-Schatten die Weichheit automatisch mit der Schattenlänge zunimmt (rechts).

Raytraced-Schatten Raytraced-Schatten werden Pixel für Pixel berechnet und nicht über den Umweg einer Schatten-Map. Für jedes Bildpixel werden Berechnungsstrahlen zu den Lichtern der Szene geschickt, und entlang dieser Pfade wird dann nach Objekten gesucht, die das Licht abblocken könnten. Diese Berechnungsart dauert zwar länger, hat jedoch einige Vorteile gegenüber den Depth Map-Schatten:

Bei Raytraced-Schatten gibt es keine vergleichbaren Probleme, wie z. B. das durchsickernde Licht oder die Bias-Probleme der Schatten-Maps.

Bei Raytraced-Schatten gibt es keine begrenzende Auflösung, daher können diese immer genau und präzise berechnet werden, unabhängig von der Renderauflösung.

Weiche Raytraced-Schatten fächern realistisch auf, werden also mit dem Abstand vom schattenwerfenden Objekt immer weicher.

Die Deckkraft von Raytraced-Schatten entspricht automatisch der Transparenz des schattenwerfenden Objekts. Zudem übernehmen diese Schatten auch die Farbe eines transparenten Objekts, wie es z. B. bei Sonnenlicht typisch ist, das durch ein farbiges Kirchenfenster fällt.

Raytraced-Schatten funktionieren mit fast allen Lichtern gleich gut. Zum Optimieren müssen Sie daher nicht unbedingt Spots verwenden.

Warum nur habe ich Ihnen diese wunderbaren Schatten nicht gleich empfohlen und weshalb verwenden Filmproduktionen auch noch Schatten-Maps? Darauf gibt es drei einfache Antworten:

1. Raytraced-Schatten rendern generell langsamer als Schatten-Maps.

2. Die generelle Verwendung von Raytracing für die Szenenberechnung erhöht den Speicherbedarf und beschränkt daher indirekt die Komplexität der Szene, die auf Ihrer Hardware noch berechnet werden kann.

3. Einige spezielle Elemente, wie z. B. Haare, Fell und Gras sind oft nur uneffektiv zusammen mit Raytracing nutzbar, weswegen einige Produktionen noch immer lieber Schatten-Maps für derartige Renderings nutzen.

Wegen der überlegenden Darstellungsqualität sowohl bei natürlich weichen Schatten, als auch bei scharf begrenzten Schattenwürfen, sind Raytraced-Schatten generell die erste Wahl. Schatten-Maps können für viele Probleme und Artefakte sorgen, weswegen es verständlich ist, dass Sie diese möglichst lieber vermeiden möchten. Dennoch ist die Renderzeit bei der Verwendung von Raytracing auch heutzutage noch ein wichtiger Faktor. Dies trifft vor allem auf Szenen zu, die große Mengen Gras, Fell oder Pflanzen enthalten. Es mag durchaus Fälle geben, in denen das Raytracing so eines Bilds viele Stunden benötigt, wogegen das gleiche Bild mit Schatten-Maps nach wenigen Minuten fertig berechnet ist. Die Konfiguration der Schatten-Maps mag umständlich sein, dennoch liefern sie schnelle Ergebnisse bei überschaubarem Speicherbedarf. Wenn Ihre Szene sowieso schon alle Ressourcen Ihres Rechners beansprucht, können die guten alten Schatten-Maps die beste Render-Option sein.

Wie Raytraced-Schatten funktionieren

Bei normalem Raytracing wird praktisch rückwärts gerechnet, nämlich aus Sicht der Kamera und nicht aus Sicht der Lichtquellen, so wie es eigentlich in der Realität der Fall wäre. Für jedes Bildpixel des Renderings wird ein Berechnungsstrahl aus Sicht der Kamera in die Szene geschickt, bis dieser auf eine Oberfläche trifft. Die Abbildung 3.23 stellt diese Strahlen als weiße Linien dar.

Abbildung 3.23: Raytracing beginnt an der Kamera mit der Berechnung von Sehstrahlen (weiße Linien). Für Raytraced-Schatten müssen dann zusätzliche Strahlen von jedem ermittelten Auftreffpunkt auf die Lichtquellen zu berechnet werden So kann ermittelt werden, ob eine Oberfläche direkt beleuchtet (gelbe Linien) oder abgeschattet wird (rote Linien).

Für jeden Punkt einer Oberfläche muss ermittelt werden, welche Lichtquellen diesen beleuchten. Wenn eine Lichtquelle Raytraced-Schatten verwendet, muss pro Punkt ein Berechnungsstrahl von der Oberfläche zur Lichtquelle geschickt werden. Werden dabei blockierende Flächen gefunden, muss folglich auch das Licht auf dem Weg zu diesem Punkt abgeblockt werden. Die Bereiche, die von der Lichtquelle abgeschirmt werden, formen den Raytraced-Schatten. Die gelben Linien in Abbildung 3.23 zeigen die Strahlen an, die von den Oberflächen direkt zur Lichtquelle gelangen. Die roten Strahlen markieren abgeblockte Berechnungsstrahlen. Die Oberflächenpunkte, die den Start dieser Strahlen markieren, müssen daher im Schatten liegen.

Ist mehr als eine Lichtquelle mit Raytraced-Schatten vorhanden, muss der Raytracer diesen Vorgang mehrmals wiederholen, um für jede Lichtquelle Informationen darüber zu sammeln, ob deren Licht auf dem Weg zu einem Oberflächenpunkt abgeblockt wird, oder nicht. Dies muss mindestens ein Mal für jedes Bildpixel durchgerechnet werden. In der Regel sogar noch viel öfter, wenn das Bild mit aktiver Kantenglättung (Anti-Aliasing) berechnet wird. Wir kommen darauf in Kapitel 9 zurück.

Im Ergebnis führen Raytraced-Schatten dazu, dass das Rendering auf jeden Fall verlangsamt wird. Zudem ist die Berechnung der Raytraced-Schatten nur ein Aspekt des gesamten Raytracing-Prozesses und dessen aufwändiger Berechnung. Alle Polygone Ihrer Szene müssen zuerst in den Arbeitsspeicher geladen werden, um die Kollisionsberechnung der Raytracing-Strahlen durchführen zu können. Statt dem Berechnungsalgorithmus zu ermöglichen, sich immer nur auf einen kleinen Teil der gesamten Szene zu konzentrieren, müssen beim Raytracing immer alle Daten der Szene zur Verfügung stehen. Dazu zählen relativ speicherhungrige Tabellen, in denen alle Polygone der Szene geordnet abgelegt werden. Das Raytracing einer komplexen Szene kann daher weit mehr Speicher belegen als das Rendering ohne Raytracing.

Die Strahltiefe

Ein Aspekt bei der Verwendung von Raytraced-Schatten ist die Strahltiefe (auch Trace Depth genannt), durch die das Raytracing auf eine vorgegebene Anzahl von Rechenschritten begrenzt wird. Raytracing ohne eine Vorgabe von Beschränkungen würde ansonsten eine nahezu unendliche Menge an Berechnungsschritten benötigen, also auch unendlich lange z. B. für die Berechnung von Schatten benötigen, die z. B. in der Spiegelung einer Spiegelung zu sehen sind oder hinter mehreren refraktiven Objekten liegen. Solche Obergrenzen für Rechenschritte begrenzen also die Rechenzeit, wobei zu niedrig angesetzte Grenzwerte aber auch zum Fehlen von Raytraced-Schatten führen können.

Oft muss ein Schattenwurf auch in einer Spiegelung zu sehen sein oder hinter einem refraktiven und transparenten Objekt. Der Berechnungsstrahl für den Schatten muss also durch die Spiegelung reflektiert oder durch die Transparenz fortgeführt werden.

Die Standardeinstellungen vieler Renderprogramme setzen relativ niedrige Grenzen für diese zulässigen Strahltiefen. In vielen Szenen benötigen wir Schatten, die in der Reflexion einer spiegelnden Oberfläche sichtbar sind oder aber ein Schatten muss auch hinter einem refraktiven Objekt zu sehen sein. Wenn Sie also bei Ihren Raytraced-Schatten feststellen, dass diese nicht in Spiegelungen oder hinter transparenten Objekten zu sehen sind, könnte dies an zu geringen Trace Depth- bzw. Strahltiefe-Einstellungen liegen. Die Abbildung 3.24 zeigt so einen Fall, wo durch zu geringe Strahltiefe-Einstellungen ein Raytrace-Schatten nicht in einer Spiegelung zu sehen ist.

Abbildung 3.24: Mit einer Strahltiefe von 1 (Trace Depth bzw. Ray Depth Limit) ist der Raytraced-Schatten zwar auf dem Boden sichtbar, aber nicht auch in der Spiegelung an der Wand (links). Die Erhöhung der Strahltiefe auf 2 behebt das Problem (rechts).

Oft kann diese Strahltiefe individuell für jede Lichtquelle vorgegeben werden, es gibt aber auch globale Einstellungen dazu in den Rendereinstellungen der Szene. Eine zu geringe Strahltiefe kann zum Fehlen von Schatten in Spiegelungen und hinter lichtbrechenden, transparenten Objekten führen. In Maya kontrolliert das Ray Depth Limit die Strahltiefe jedes Raytracing-Schattens. Dessen Standardwert beträgt lediglich 1, wodurch Schatten

sich generell nicht in Spiegelungen zeigen können, egal wie hoch die Qualitätseinstellungen für das Raytracing in den Rendereinstellungen gewählt werden. Bereits das Anheben des Ray Depth Limits auf 2 führt zu mehr Realismus in mit Raytracing berechneten Szenen.

Auch Depth Map-Schatten sind in Spiegelungen und hinter refraktiven Objekten zu sehen. Das mag Sie vielleicht verwundern, aber Depth Map-Schatten kennen keine Strahltiefe-Einstellung. Das liegt daran, dass diese Schatten nicht mit Raytracing-Strahlen berechnet werden und daher auch in unbegrenzter Raytracing-Strahltiefe sichtbar sind.

Die Beschränkung der Strahltiefe dient ausschließlich der Beschleunigung des Renderings. Überprüfen Sie daher immer alle Spiegelungen und Refraktionen der Szene genau, damit dort alle Raytracing-Schatten sichtbar sind. Erhöhen Sie die Strahltiefe jedoch nie mehr als nötig, wenn sich dadurch das Ergebnis nicht verbessern lässt.

Weiche Raytracing-Schatten

Weiche Raytracing-Schatten sind eine Bereicherung der Szene. Die Raytracing-Schatten eines Punkt-Lichts sind jedoch oft viel härter und schärfer als wir es von natürlichen Lichtquellen gewohnt sind.

Abbildung 3.25: Ein kleines Fläche-Licht erzeugt härtere Schatten des Apfels auf dem Boden (siehe linke Seite), wogegen der Schatten mit zunehmender Größe der Lichtfläche immer weicher wird (rechts).

Glücklicherweise gibt es jedoch auch Einstellungen, um natürlicher wirkende, weiche Raytracing-Schatten zu erzeugen. Die meisten Programme bieten nämlich diverse Arten von Fläche-Lichtern und Optionen an, um auch Schatten von Punkt- oder parallelen Lichtern aufzuweichen.

Fläche-Lichter

Das Fläche-Licht ist die prinzipiell natürlichste Quelle für weiche Schattenwürfe, da es einer realen Lichtquelle mit einer bestimmten Größe am nächsten kommt. Wie im echten

Leben, wirft eine größere Lichtquelle, wie z. B. eine von hinten beleuchtete Milchglasscheibe, dann automatisch einen weicheren Schatten als eine kleinere Lichtquelle, wie z. B. eine nackte Glühbirne. Bei Verwendung von Fläche-Lichtern können Sie diese also einfach vergrößern, um weichere Schattenwürfe zu erhalten (siehe Abbildung 3.25).

Einige Programme bieten verschiedene Formen für Fläche-Lichter an, wie z. B. Linien, Zylinder, Rechtecke, Scheiben oder Kugeln. Jede Form steht für eine andere reale Lichtquelle. So können eine Linie oder ein Zylinder als Fläche-Form z. B. gut das Licht einer Neonröhre simulieren. Stehen nicht so viele Formen zur Wahl, kann oft auch die rechteckige Grundform dieses Lichts so ungleichmäßig skaliert werden, dass andere Formen dadurch angenähert werden. Ein rechteckiges Licht könnte dann auch entsprechend schmal skaliert werden, sodass es wie eine Linie wirkt.

Der Lichtradius

Einige Programme bieten auch einen sogenannten Lichtradius (auch Light Radius oder Virtual Radius genannt) an, über den sich ebenfalls weiche Schatten erzeugen lassen. Der Lichtradius simuliert eine vergrößerte Lichtquelle und beeinflusst dadurch ebenfalls die Weichheit von Raytraced-Schatten.

Die Erhöhung des Lichtradius-Werts auf 3 entspricht dann z. B. der Wirkung eines kugelförmigen Fläche-Lichts mit einem Radius von drei Einheiten. Die Verwendung dieses Radius-Parameters verändert nichts an der Beleuchtung durch diese Lichtquelle, sondern hat nur Einfluss auf die Schattenberechnung. Anstatt die Lichtquellengröße skalieren zu müssen, kann nun also auch über den Lichtradius die Weichheit des Schattens definiert werden, was besonders interessant ist in Verbindung mit anderen Lichtquellenarten. So können dann z. B. auch Spots mit weichen Raytraced-Schatten berechnet werden.

Achten Sie auf die Platzierung der Lichtquelle, wenn Sie daran einen größeren Lichtradius-Wert benutzen, z. B. wenn diese Lichtquelle nahe an einer Wand liegt. Obwohl die Position der Lichtquelle klar vor der Wand liegt, könnte ein Teil davon bereits durch den großen Lichtradius auch auf die gegenüberliegende Seite der Wand durchdringen. Die Folge wäre stellenweise durch die Wand dringendes Licht.

Der Winkel des Lichts

Wird paralleles Licht mit Raytraced-Schatten kombiniert, kommt oft ein Parameter namens Lichtwinkel (oder auch Light Angle) ins Spiel, um die Weichheit des Schattens zu definieren. So wie der Lichtradius bei einer Punkt- oder Spot-Lichtquelle, führt ein Lichtwinkel von 0° zu einem perfekt harten Schattenwurf, wogegen höhere Werte weichere Schatten produzieren. Der einzige Unterschied besteht also darin, dass der Lichtwinkel als eine Gradzahl und nicht wie der Lichtradius in einer Entfernung angegeben wird. Wenn Ihr paralleles Licht das direkte Sonnenlicht simulieren soll, führen Werte zwischen 1° und 2,5° zu einer natürlichen Weichheit des Schattens. Soll die Sonne hinter Wolken liegen und es

daher eher zu weichen und diffusen Schatten kommen, wählen Sie viel höhere Winkel, wie z. B. 20° oder mehr für den Lichtwinkel.

Das Sampling

Weiche Raytracing-Schatten verwenden aufgefächerte Berechnungsstrahlen und neigen daher zu einer etwas rauschigen oder körnigen Darstellung, so wie es auf der linken Seite von Abbildung 3.26 zu sehen ist. Die Verwendung von mehr Berechnungsstrahlen für die Schattenberechnung (Schatten- bzw. Shadow-Samples) reduziert dieses Rauschen in den Schatten. Dadurch wird jedoch auch deren Berechnung verlangsamt, da der Raytracer viele zusätzliche Strahlen für jedes in einem Raytracing-Schatten liegende Bildpixel losschicken muss. Die Verbesserung des Anti-Aliasing kann ebenfalls das Rauschen in Raytracing-Schatten verringern, verlängert jedoch auch das Renderng.

Abbildung 3.26: Weiche Raytraced-Schatten können rauschig aussehen (links). Erhöhen Sie dann die Anzahl der Schatten-Samples, um die Qualität der Berechnung zu erhöhen (rechts)

Harte Raytraced-Schatten benötigen nicht so viele Samples. Oft kann deren Standardwert 1 beibehalten werden. Jeder Effekt, der den Schattenwurf weicher macht, wird auch mehr Samples benötigen. Es ist daher egal, ob ein Fläche-Licht vergrößert oder der Lichtradius-Wert angehoben wird. In jedem Fall wird dadurch der Schatten körniger dargestellt, wenn nicht auch mehr Samples verwendet werden.

Schatten und Bewegungsunschärfe Die Bildberechnung mit Bewegungsunschärfe (Motion Blur) führt zu einer Weichzeichnung der Schatten, wenn sich Objekte oder Lichter bewegen. Wenn sich ein Objekt schnell bewegt, sind davon auch dessen Schattenwurf oder Ambient Occlusion betroffen. Die Abbildung 3.27 stellt ein Auto dar, das eine Straße entlangfährt. Der Schatten auf der Straße erscheint entsprechend verwaschen, so wie Sie es erwarten würden.

Etwas komplexer wird die Situation, wenn sich die Kamera auf gleicher Höhe mit dem Auto mitbewegt (siehe Abbildung 3.28). Da die Kamera die gleiche Geschwindigkeit wie das Auto hat, dürfte der Schatten keine Bewegungsunschärfe zeigen. Der Boden unter dem Auto erscheint in Bewegung, aber auch dort, wo der Schatten des Wagens auf den durch Bewegung verwischten Boden fällt, bleibt der Schatten scharf sichtbar.

In Szenen wie dieser neigen einige Renderer dazu, auch den Schattenwurf des Autos mit in die Bewegungsunschärfe des Bodens zu integrieren. Um dies zu verhindern, erhöhen Sie entweder den Wert für die Rechenschritte des Renderers pro Bild (Sub Frames bzw. Zwischenbilder) oder aber Sie rendern den Schatten als separaten Pass ohne Bewegungsunschärfe.

Abbildung 3.27: Fährt ein Auto an der Kamera vorbei, so führt die Berechnung der Bewegungsunschärfe (Motion Blur) auch zu einem unscharfen Schatten des Autos auf der Straße.

Abbildung 3.28: Bewegt sich die Kamera in gleicher Geschwindigkeit mit dem Auto mit, werden der Hintergrund und die Straße durch die Relativbewegung zur Kamera weichgezeichnet. Das Auto und auch dessen Schatten bleiben jedoch nahezu scharf in der Bildberechnung.

Verdeckung Mit Verdeckung, bzw. dem Begriff Occlusion ist das Abschirmen von Eigenschaften gemeint. Speziell in der Welt der Computergrafik wird unter Occlusion eine Schattierungstechnik verstanden, durch die Licht abgeblockt wird.

Ambient Occlusion Stellen Sie sich vor, alle Objekte Ihrer Szene werden von einem strahlend weißen Himmel eingehüllt. Einige Oberflächen sind dadurch der direkten Himmelsbeleuchtung ausgesetzt und werden entsprechend weiß erscheinen. Andere Bereiche Ihrer Szene, wie z. B. die Straße zwischen Gebäuden oder schmale Spalten zwischen Objekten, sind nur teilweise durch den Himmel einsehbar und werden daher dunkler erscheinen. Unterhalb eines Steins oder in tiefe Spalten mag vielleicht sogar gar kein Himmelslicht hinkommen. Genau dies simuliert die Ambient Occlusion, indem sich näher kommende Flächen automatisch dunkler erscheinen.

Diese Berechnung basiert auf sogenanntem Hemispheric Sampling (halbkugelförmiges Aussenden von Berechnungsstrahlen), das von jedem Punkt der Oberflächen aus die

Umgebung abtastet. Die Abbildung 3.29 verdeutlicht, wie das funktioniert. Dort stehen die roten Punkte für die Bereiche, die Sample-Strahlen losschicken. Eigentlich findet dies für jedes Bildpixel statt, also für weit mehr Punkte als hier abgebildet. Von diesen Messpunkten ausgehend werden zahlreiche Berechnungsstrahlen in verschiedene Richtungen losgeschickt. Dafür stehen die gelben Pfeile in der Abbildung. Verlieren sich alle diese Messstrahlen im leeren Raum der Szene, so wie an dem Messpunkt ganz links zu sehen, gibt die Occlusion-Berechnung die Farbe Weiß zurück und somit die Information, dass dieser Bereich nicht verdeckt wird. Treffen die Berechnungsstrahlen auf Flächen, werden deren Entfernungen ausgewertet. Je mehr Strahlen in kurzer Distanz auf Flächen treffen, desto dunkler wird die Ambient Occlusion.

Am Ende dieser Berechnung sind die freistehenden und offen einsehbaren Bereiche automatisch die hellsten und die verdeckt und zwischen Objekten liegenden Bereiche die dunkelsten Stellen. Die Lichtquellen der Szene haben mit der Berechnung der Ambient Occlusion also nichts zu tun. Jede Oberfläche wird ausschließlich entsprechend ihrer Lage und Ausrichtung zu anderen Objekten der Szene berechnet.

Abbildung 3.29: Die halbkugelförmige Abtastung der Umgebung (Hemispheric Sampling) beginnt an jedem Punkt einer Oberfläche (hier durch rote Punkte angedeutet) und schickt Strahlen in alle Richtungen (gelbe Pfeile). Treffen viele dieser Strahlen auf andere Flächen, so wird die Ambient Occlusion-Berechnung dunkler ausfallen (siehe Bereich unter der Kugel).

Obwohl die Ambient Occlusion eher eine allgemeine Schattierungstechnik ist und nichts mit dem Schattenwurf durch Lichtquellen gemein hat, kann sie dennoch wie der weiche Schatten wirken der entsteht, wenn eine Szene von vielen Lichtquellen mit weichen Schatten aus allen Richtungen beleuchtet wird. Zudem ist die Ambient Occlusion-Berechnung oft sehr viel schneller, als wenn große Fläche-Lichter oder ein Himmelslicht samt weichen Raytraced-Schatten verwendet werden.

Occlusion-Passes berechnen Die Occlusion wird oft als separater Pass (eigene Bildebene des Renderings) berechnet. Dadurch erhalten Sie ein Bild der Szene ganz ohne Ambient Occlusion und eine separate Darstellung nur der berechneten Occlusion-Schattierung. Das finale Bild entsteht dann erst durch die Überlagerung der einzelnen Passes. Sie brauchen dabei die Wirkung der Lichtquellen nicht in den Occlusion-Pass einzubeziehen. Die Ambient Occlusion ignoriert die Lichter der Szene, daher ist keine Licht- oder Schattenberechnung für diesen Pass nötig.

Anpassungen und Einstellungen für den Occlusion-Pass werden oft über einen Occlusion-Shader vorgenommen, der über ein Material all den Objekten zugewiesen wird, für die Sie einen Ambient Occlusion-Pass erstellen möchten. Sie finden dort einige Parameter, über die sich die Occlusion justieren lässt.

Maximale Entfernung

Eine der wichtigsten Einstellungen für die Occlusion-Berechnung ist die Maximale Entfernung (Maximum Distance). Diese gibt vor, wie weit Oberflächen höchsten voneinander entfernt sein dürfen, um noch Auswirkungen auf die Occlusion zu haben. Bei einem Zimmer ist z. B. die halbe Deckenhöhe ein guter Anhaltspunkt für die Maximale Entfernung. Vorteilhaft ist eine Occlusion-Schattierung, die einen weichen Verlauf erzeugt, der die Wände hinauf und herunter verläuft und in den Raumecken dunkler wird (siehe Abbildung 3.30).

Wird die Einstellung für die Maximale Entfernung zu gering gewählt, bedeckt der Ambient Occlusion-Verlauf nicht die gesamte Wandhöhe. Stattdessen werden die Raumecken extrem dunkel, wogegen die Wände nahezu weiß bleiben, wie in Abbildung 3.31. Ist die Maximale Entfernung zu hoch eingestellt wird das gesamte Bild zu dunkel und es verbleiben keine weißen Bereiche im Occlusion-Pass. Normalerweise soll der Boden nicht auch von der Decke des Raums abgedunkelt werden oder von Objekten, die wie ein Kronleuchter von der Decke hängen. Daher sollte die Maximale Entfernung normalerweise nie die gesamte Raumhöhe betragen. Überprüfen Sie dies ggf. durch Testberechnungen. Die Mitte der Wände sollte weiß bleiben, mit Graustufen, die sich von dort in Richtung Boden und Decke ausbreiten und für dunkle Raumecken sorgen.

Abbildung 3.30: Mit einer Maximalen Entfernung, die ungefähr der halben Raumhöhe entspricht, ergeben sich im Occlusion-Pass schöne Helligkeitsverläufe, die ab der halben Wandhöhe in Richtung Boden und Decke verlaufen.

Abbildung 3.31: Ein zu geringer Wert für die Maximale Entfernung zeigt im Occlusion-Pass starke Abdunkelungen zwischen den Objekten und in den Raumecken, erzeugt jedoch keine Verläufe in den übrigen Bereichen der Szene.

Die Verteilung

Die Verteilung-Einstellung (auch Spread oder Sampling Angle genannt) der Ambient Occlusion legt den Winkelbereich fest, in dem von jedem Punkt aus Berechnungsstrahlen

losgeschickt werden. Wie bereits in Abbildung 3.29 zu sehen, wurden dort die Berechnungsstrahlen in einem Bereich von 180° ausgeschickt. Bei kleineren Winkelwerten werden diese Strahlen senkrecht zur Oberfläche stärker gebündelt und nicht so stark gestreut. Ein sehr großer Verteilung-Winkel kann sogar dazu führen, dass angrenzende Bereiche der gleichen Oberfläche bereits zu einer Abdunkelung des Punkts führen, von dem aus die Strahlen losgeschickt wurden.

Manchmal werden Sie feststellen, dass dieser Spread-Winkel weiter erhöht werden muss, z. B. wenn Sie eine gerundete Raumecke berechnen lassen und in dieser Ecke helle Streifen in der Ambient Occlusion erscheinen. Andererseits könnten Sie auch abgedunkelte Bereiche um einzelne Drei- oder Vierecke einer gerundeten Oberfläche beobachten. Diese Artefakte resultieren aus einer Selbstverdeckung dieser Polygone und einem zu großen Verteilung-Winkel. Eine Reduzierung des Spread-Winkels sollte dann dieses Problem beheben.

Sampling

Eine weitere Einstellung betrifft die Anzahl der Berechnungsstrahlen bzw. Samples. Betrachten Sie erneut die Abbildung 3.29. Die Sample-Anzahl ist dort mit der Anzahl der gelben Pfeile gleichzusetzen, die von den roten Oberflächenpunkten ausgesendet werden. Bei nur wenigen Samples erhalten wir ein rauschiges Occlusion-Ergebnis, aber natürlich auch in kürzerer Berechnungszeit. Sie können daher mit geringeren Samples hantieren, wenn es nur um Testberechnungen oder das Anpassen anderer Einstellungen geht. Für das finale Rendering dürfen Sie dann aber nicht vergessen, die Samples so zu erhöhen, dass die Körnigkeit in der Ambient Occlusion verschwindet. So um die 16 Samples pro Pixel sollten bereits für schnelle Testberechnungen ausreichen, wogegen zwischen 64 und 128 Samples pro Pixel für die finale Qualität sinnvoll sein können. Wie bei der Sampling-Einstellung der weichen Raytraced-Schatten gilt es auch hier, für ein rauschfreies Ergebnis die Ambient Occlusion-Samples gerade so hoch wie nötig und so gering wie möglich einzustellen, um keine Renderzeit zu vergeuden.

Spezialfälle bei Occlusion-Passes Normalerweise können Sie einen Occlusion-Pass ohne Rücksicht auf die individuellen Materialeinstellungen oder Shader der Objekte berechnen lassen. Es ist egal, ab die Objekte Stein, Metall, Stoff oder Haut darstellen sollen. Alle Objekte können im Occlusion-Pass gleich behandelt werden. Das lässt sich so pauschal sagen, da die Farben, die Glanzeigenschaften und andere Materialeigenschaften ebenfalls als eigene Passes gerendert werden können. Die Occlusion orientiert sich nur daran, wie stark eine Oberfläche von anderen Elementen verdeckt wird. Dennoch gibt es einige Spezialfälle der Ambient Occlusion-Berechnung, bei denen Objekte mit bestimmten Materialeigenschaften oder Shadern etwas anders gehandhabt werden müssen.

Displacement-Maps sind manchmal so ein Spezialfall, da dadurch die Form der Objekte verändert wird. Wird ein Objekt durch Displacement in anderen Passes verformt, nicht jedoch während der Berechnung durch den Ambient Occlusion-Pass, passen diese Passes später nicht mehr zusammen. Obwohl viele andere Texturen bei der Berechnung des Occlusion-Passes ignoriert werden können, müssen Displacement-Texturen dabei also aktiv bleiben. Geht Ihre Software beim Rendern von Occlusion-Passes so vor, dass alle Materialien vollständig durch ein Occlusion-Material ersetzt werden, sollten Sie Kopien dieses Materials erstellen und mit den entsprechenden Displacement-Texturen den Objekten manuell zuweisen. Ist alles richtig konfiguriert, sollten Sie im Occlusion-Pass auch das Displacement aller Objekte sehen. Die Abbildung 3.32 zeigt z. B. eine mit Displacement belegte Kugel im Occlusion-Pass.

Abbildung 3.32: Obwohl andere Texturen normalerweise keinen Einfluss auf die Occlusion haben, muss der Occlusion-Pass etwaig vorhandene Displacement-Texturen berücksichtigen, so wie hier bei der verformten Kugel. Auch spiegelnde Objekte sollten diese Eigenschaft behalten, um wie hier auch die Spiegelung der Ambient Occlusion wiedergeben zu können.

Spiegel und spiegelnde Objekte sind ebenfalls bei der Berechnung von Occlusion-Passes zu beachten. Normalerweise würde ein Spiegel keine Ambient Occlusion benötigen, da dieser zu wenig diffuse Beleuchtung reflektiert, um Ambient Occlusion sichtbar zu machen. Das im Spiegel reflektierte Abbild der Umgebung sollte jedoch Ambient Occlusion zeigen dürfen. Daher sollte eine Spiegelfläche nicht durch ein einfaches Occlusion-Material ersetzt werden, sondern das normal spiegelnde Material auch bei der Berechnung des Occlusion-Passes behalten (siehe auch Abbildung 3.32). Ein weiterer Spezialfall betrifft transparente

Objekte. Klares Glas spiegelt zwar nicht genügend diffuse Beleuchtung für die Occlusion, die Objekte hinter dem Glas sollten jedoch Occlusion zeigen können.

Sie können daher transparenten Objekten ggf. ein einfaches, transparentes Material bzw. einen entsprechenden Shader zuweisen, damit auch der Occlusion-Pass noch die Verdeckungen anderer Objekte hinter dem Glas berechnet. Benutzt ein transparentes Objekt Refraktion (Lichtbrechung), sollte das entsprechende Occlusion-Material den gleichen Brechungswert verwenden, damit der Occlusion-Pass beim Compositing der gerenderten Bildebenen wieder perfekt mit den gerenderten Objekten hinter dem transparenten Objekt zusammenpasst.

Was ist nun aber mit dem Occlusion-Pass anzufangen? Das Compositing von gerenderten Passes wird noch in Kapitel 11 behandelt. An dieser Stelle konzentrieren wir uns daher auf eine Technik, nämlich das „Occlusion Sandwich“.

Ein Occlusion Sandwich erstellen In der Bildkomposition können Sie die Occlusion-Ebene zusammen mit einer Beleuchtungsebene kombinieren. Ich nenne diese Technik Occlusion Sandwich. Hier ein kurzer Überblick über die drei Passes bzw. Ebenen, die wir dafür benötigen:

1. Die Basisebene zeigt eine weiche und gleichmäßige Grundausleuchtung der Szene ohne erkennbare Schatten (Fill Light Pass).

2. Die mittlere Ebene Ihres „Occlusion Sandwich“ ist der Occlusion-Pass. Multiplizieren Sie diese Ebene mit der Grundausleuchtung-Ebene.

3. Die letzte Ebene zeigt die Beleuchtung aller Schatten werfender Hauptlichter und wird zu der vorhandenen Bildkomposition addiert. In The Foundry Nuke entspricht das Addieren dem Plus Merge Modus. Photoshop verwendet den Ebenenmodus Linear abwedeln (Hinzufügen) für das Addieren von Ebenen (auch Linear Dodge genannt).

Die Grundausleuchtung-Ebene

Die Ebene mit der Grundausleuchtung benötigt keine Schatten. Dieser Pass sollte nur eine weiche Umgebungsbeleuchtung zeigen, die das gestreute Licht darstellt. Sollten Schatten enthalten sein, sollten diese sehr weich und unaufdringlich sein, um sich weich mit der Occlusion zu vermischen. Oft kann Ambient Occlusion die Schatten der Umgebungslichter komplett ersetzen. Das spart im Vergleich zum Rendern mit weichen Raytraced-Schatten natürlich viel Rechenzeit.

Einige verwenden eine rein weiße Umgebungsbeleuchtung für diesen Pass der Grundausleuchtung. Das kann gut funktionieren, obwohl der Pass erst einmal sehr künstlich und homogen wirkt, so wie wir es auch erwarten können, wenn etwas ausschließlich von einem Umgebungslicht beleuchtet wird. Die Multiplikation mit dem Occlusion-Pass bringt dann jedoch die Variationen in Spiel. Trotzdem können Sie der Grundausleuchtung durch unterschiedlich gefärbte Aufhelllichter und das indirekte Licht simulierende Lichtquellen auch direkt mehr Variationen mitgeben und damit der späteren Bildkomposition noch mehr Realismus verleihen. In Kapitel 4 werden wir uns noch ausführlicher mit der Simulation von indirektem Licht beschäftigen.

Die Abbildung 3.33 zeigt ein Beispiel für so eine Grundausleuchtung, bei der rotes Licht von links kommt, da eine rote Wand sicher auch rotes Licht reflektieren wird. Ebenso simuliert blaues Licht von rechts kommend das von der blauen Wand reflektierte Licht.

Abbildung 3.33: Der Pass der Grundausleuchtung (Fill Pass) zeigt eine gleichförmige Ausleuchtung der Szene, bei der auch die dunkelsten Bereiche noch leicht aufgehellt erscheinen.

Normalerweise verbleiben in der Grundausleuchtung keine schwarzen Bereiche. Die Multiplikation mit dem Occlusion-Pass führt automatisch dazu, dass Bereiche dunkler oder sogar ganz schwarz erscheinen. Sie sollten daher die Grundausleuchtung so anlegen, dass eine weiche, gleichförmige Beleuchtung entsteht, durch die alle Farben und Texturen Ihrer Objekte sichtbar werden. Isoliert betrachtet wirkt das Fehlen der Schatten in der Grundausleuchtung natürlich merkwürdig und falsch. Der Plan ist jedoch, durch die Multiplikation mit der Ambient Occlusion die Schattenwürfe der diffusen

Grundausleuchtung-Lichter zu simulieren. Anschließend ergänzt die Ebene mit den Hauptlichtern und deren Schattenwürfen die Hauptbeleuchtung der Szene. Das derart kombinierte Bild wir daher keine fehlenden Schatten mehr enthalten.

Die Occlusion-Ebene

Der Pass mit der Ambient Occlusion liegt in der Mitte des Occlusion Sandwich. Wenn Sie den Pass aus Abbildung 3.32 verwenden, können Sie diesen direkt mit der Ebene der Grundausleuchtung multiplizieren. Die Abbildung 3.34 zeigt die Multiplikation der Occlusion-Ebene mit der Grundausleuchtung in Photoshop. Die Multiplikation einer Occlusion-Ebene ist generell problemlos auch mit anderen Bildebenen möglich. Vermeiden Sie jedoch andere Ebenenmodi, wie z. B. das Addieren, das Ineinanderkopieren oder das Mischen. Ein Occlusion-Pass enthält keine Informationen über die Farben Ihrer Objekte. Daher kann die Verwendung anderer Funktionen beim Kombinieren der Bildebenen zu einer Entsättigung der Szene und zum Auswaschen der Texturen führen.

Die Ebene mit den Hauptlichtern

Der Pass für die Hauptbeleuchtung sollte ganz normale Schattenwürfe enthalten. So eine Bildebene kann nur aus der Beleuchtung einer einzelnen Lichtquelle, wie z. B. der Sonne bestehen, aber auch aus mehreren Lichtquellen, wie z. B. den Lampen in einem Raum, die klar sichtbare Schatten werfen müssen. Auch die Streiflichter, die für das Herausarbeiten einer Silhouette benötigt werden oder andere Lichtquellen, deren Schattenwürfe gestalterisch wichtig sind, gehören dazu. Auf jeden Fall darf dieser Pass jedoch kein indirektes und kein gestreutes Licht enthalten. Die Abbildung 3.35 zeigt so einen Pass für die Hauptlichter. Es ist nur das Licht der Deckenlampe enthalten. Die entstehenden Schatten sind in diesem Pass tiefschwarz, da keine Aufhelllichter vorhanden sind.

Abbildung 3.34: Die Occlusion-Ebene liegt über der Ebene mit der Grundausleuchtung und wird mit dieser multipliziert.

Abbildung 3.35: Die Ebene der Hauptlichter zeigt das Hauptlicht der Szene und dessen Schattenwurf. Da dabei keine diffusen und aufhellenden Lichter vorhanden sind, bleiben die Schatten tiefschwarz in diesem Pass.

Die Ebene mit der direkten Hauptbeleuchtung wird über der Occlusion-Ebene eingeordnet (siehe Abbildung 3.36). Die Occlusion-Ebene wird also zwar multiplizierend mit der diffusen Grundausleuchtung gemischt, das Hinzufügen der Hauptbeleuchtung unterliegt dadurch aber nicht der Abdunkelung durch die Occlusion. Das Resultat dieser Sandwich-Anordnung der Ebenen ist in Abb. 3.37 zu sehen.

Der Occlusion-Pass liegt zwischen den beiden Beleuchtungsebenen und dämpft nur die diffuse Beleuchtung bevor das Hauptlicht ergänzt wird. Besonders Vorteilhaft an dieser Technik ist, dass Sie sich bei jeder Lichtquelle entscheiden können, ob diese durch die Occlusion beeinflusst werden soll oder nicht. Soll eine bestimmte Beleuchtung durch die Ambient Occlusion abgedunkelt werden, beziehen Sie diese Beleuchtung in die Ebene mit der Grundausleuchtung mit ein.

Ansonsten lassen Sie dieses Licht mit in den Pass der Hauptbeleuchtung einfließen.

Abbildung 3.36: Die Ebene mit den Hauptlichtern kommt obenauf und wird addiert. In Photoshop nennt sich dieser Ebenenmodus Linear abwedeln bzw. Linear Dodge, andere Programme verwenden Bezeichnungen, wie Add oder Plus.

Abbildung 3.37: Die fertige Komposition enthält die durch die Occlusion abgedunkelte diffuse Grundausleuchtung und die additiv hinzugemischte direkte Hauptbeleuchtung. Wichtig ist, dass die Hauptbeleuchtung nicht durch die Ambient Occlusion beeinflusst wird.

Die Abdunkelung durch die Ambient Occlusion ist nicht für alle Lichtquellen in der Szene realistisch. Die Occlusion sollte nur die weichen Schatten des indirekt gestreuten Lichts ergänzen. Ein intensives, direktes Licht, wie z. B. das Sonnenlicht, wird erwartungsgemäß einen eigenen intensiven Schattenwurf erzeugen und benötigt daher keine Abdunkelung durch die Occlusion. Diese Unterscheidung ist sehr wichtig, damit Ihre Bildkomposition natürliche Helligkeitsverläufe und Farben erhält.

Unter einem Auto können Sie z. B. die Umgebungsbeleuchtung durch den Himmel erkennen, die leicht durch die Occlusion abgedunkelt wird. Dies führt zu einem Farb- und Helligkeitsverlauf, der die Blautöne der Himmelbeleuchtung mittig unter dem Wagen auslaufen lässt. Die warme Färbung des Hauptlichts, das die Sonne darstellt, steht mit dem Himmelslicht in einem Kontrast bezüglich der Farbe und auch der Härte. Der bläuliche Verlauf unter dem Wagen ist dort besonders sichtbar, wo das Sonnenlicht einen Schatten wirft.

Nachdem Sie die Ebenen Ihres Occlusion Sandwich arrangiert haben, sollten Sie das kombinierte Ergebnis nochmals auf Plausibilität prüfen. Passen Sie z. B. noch die Helligkeit der Ebenen mit der Grundausleuchtung und der Hauptbeleuchtung an, um abzuschätzen, ob das Aufhellen oder Abdunkeln dieser Ebenen das Ergebnis verbessert. Führen dabei extreme Veränderungen zu besseren Ergebnissen, können Sie auch zu Ihrer 3D-Szene zurückkehren und diese mit angepassten Intensitätseinstellungen für die Lichter erneut berechnen lassen.

Schatten und Occlusion vortäuschen Manchmal hätten Sie vielleicht gerne noch mehr kreative Kontrolle über die Beleuchtung, als dies über normale Schatten und Ambient Occlusion möglich ist. Dieser Abschnitt beschäftigt sich daher damit, wie Sie Schattenwürfe auch tricksen und vorgaukeln können. Wir tun also so, als wären da echte Schatten oder Occlusion vorhanden, obwohl dem nicht so ist. Mit diesen hilfreichen Techniken erhalten Sie noch mehr Kontrolle über die Form und Position der Schatten sowie welche Bereiche in der Szene abgedunkelt werden sollen und können am Ende sogar noch Rechenzeit sparen.

Negatives Licht Mit negativem Licht lassen sich Bereiche Ihrer Szene individuell Abdunkeln. Dazu muss oft nur die Intensität einer Lichtquelle (auch Helligkeit, Intensity, Brightness oder Multiplier genannt) negativ eingestellt werden. Wenn Sie also z. B. eine Raumecke oder den Bereich unter einem Tisch leicht abdunkeln möchten, ohne dabei auf rechenintensive weiche Schatten oder Occlusion-Techniken zurückzugreifen, platzieren Sie dort einfach eine negative Lichtquelle.

Generell sollten die Berechnung von Schatten und die Erzeugung von Glanz bei negativen Lichtern ausgeschaltet bleiben. Negativ berechnete Glanzpunkte könnten ansonsten als unnatürlich schwarze Flecken sichtbar werden.

Soll der abgedunkelte Bereich zusätzlich leicht eingefärbt werden, ist auch das möglich. Geben Sie dem negativen Licht einfach eine Farbe. Beachten Sie nur, dass diese Farbe nun ebenfalls von der Szene abgezogen und nicht wie üblich zu den Objektfarben addiert wird. Das negative Licht müsste also eine Komplementärfarbe zu der Farbe erhalten, die Sie eigentlich ergänzen möchten. Soll ein Bereich abgedunkelt und dabei bläulich gefärbt werden, muss das also Licht gelblich sein. Nahezu jede Art Lichtquelle kann auch als negative Lichtquelle herhalten. Ein Punkt-Licht funktioniert vor allem in Verbindung mit quadratischer oder kubischer Intensitätsabnahme z. B. sehr gut, um nur den unmittelbaren Bereich um seine Position herum abzudunkeln. Bedenken Sie, dass auch negatives Licht von einem bestimmten Punkt ausgeht und daher auch nur die Bereiche beeinflussen kann, wo die Vorderseite einer Fläche beleuchtet wird. Soll z. B. ein negatives Punkt-Licht den Rachen und die Zähne im Mund einer Figur abdunkeln, kann dies problematisch sein, da eine im Mund liegende Lichtquelle nicht die Vorder-/Außenseite der Zähne erreichen kann.

Negative Spot-Lichter sind praktisch, wenn z. B. gezielt ein Bereich des Bodens so abgedunkelt werden soll, als wäre dort ein weicher Schattenwurf zu sehen. Solche Lichter

könnten sogar fest mit anderen Objekten gruppiert oder mit diesen verknüpft werden, um sich z. B. mit einem fahrenden Wagen oder einer Figur mit zu bewegen. Die Abbildung 3.38 zeigt ein Beispiel, wo mit einem negativen Spot der Bereich unter einem Tisch weich abgedunkelt wurde.

Abbildung 3.38: Links sehen Sie die Szene mit zwei Lichtern, links und rechts des Tischs beleuchtet. Erscheint uns der Bereich unter dem Tisch trotz der bereits vorhandenen Schatten zu hell, könnten wir ein negatives Licht unter dem Tisch ergänzen (rechts).

In der Software Maya existiert ein spezielles Volumen-Licht (Volume Light), das ideal für negative Beleuchtung zu sein scheint. Diese Lichtquelle beeinflusst nur den Bereich innerhalb seines Radius oder innerhalb der ausgewählten Form (Light Shape). So stehen z. B. auch Würfel oder Zylinder als Formen zur Verfügung, die durch Skalierung der Lichtquelle exakt auf den Bereich angepasst werden können, der abgedunkelt werden soll. Bei so einem Volumen-Licht sollten Sie die Erzeugung von diffusen und spiegelnden Reflektionen ausschalten (Emit Diffuse und Emit Specular) und nur Umgebungslicht zulassen (Emit Ambient). Dadurch werden im Einflussbereich dieses Lichts alle Oberflächen abgedunkelt, egal ob diese mit der Vorder- oder Rückseite von der Lichtquelle gesehen werden.

Negative Lichter gehören in der modernen Computergrafik eher zu den antiquierten Techniken. Meistens erzielen wir mit echten Schatten und Occlusion schönere Ergebnisse. Trotzdem sind negative Lichter eine Option, wenn ohne eine Verlängerung der Berechnungszeit ein bestimmter Bereich der Szene dezent abgedunkelt werden soll. Wenn so ein negatives Licht nur kleine Intensitäten, wie -0,1 oder -0,2 verwendet, ist der Effekt dezent genug, um es glaubhaft mit anderen Lichtern und deren Schatten kombinieren zu können.

Schatten und Occlusion backen lassen

Unter dem Begriff Backen (Engl.: Baking) wird generell ein Prozess verstanden, durch den sich die Effekte von Lichtern und Schatten auf Oberflächen in einer Bitmap speichern lassen. Werden auf diese Weise die Beleuchtungseffekte als Textur gebacken und dann als Material wieder der Oberfläche zugewiesen, können Oberflächen sehr schnell berechnet werden, da Lichter und Schatten nicht erneut berechnet werden müssen.

Stellen wir uns als Einsatzzweck z. B. den weichen Schatten eines Regals vor, der auf die Wand geworfen wird (siehe Abbildung 3.39). So einen Schattenwurf kann in guter Qualität mit weichen Raytraced-Schatten schon eine längere Berechnungszeit in Anspruch nehmen, vor allem wenn es sich bei dieser Szene um eine Animation handelt. Hierbei lohnt es sich also zu überlegen, wie diese Berechnungszeit für jedes Bild der Animation umgangen werden kann. Das Backen der Beleuchtung und des Schattenwurfs auf der Wand in eine Bitmap können hier eine gute Alternative sein. Nach dem Backen der Textur erscheint die Wand unverändert von einem Fläche-Licht beleuchtet, obwohl diese Lichtquelle vielleicht nun gar nicht mehr vorhanden ist (siehe Abbildung 3.40). Der einzige Nachteil an dieser Technik ist, dass sich der Schatten nicht automatisch anpassen wird, wenn sich die Beleuchtung der Szene oder ein Teil des Regals verändern sollten.

Abbildung 3.39: Ein weicher Schattenwurf muss nicht unbedingt in jedem Animationsbild neu berechnet werden, sondern kann als Textur gebacken werden.

Abbildung 3.40: Eine Textur auf der Wand enthält den gebackenen Schatten

Seinen Sie jedoch vorsichtig, wenn etwas z. B. auf eine bewegliche Figur gebacken werden soll. Wird die Beleuchtung als Textur gebacken und dem Objekt zugewiesen, wirkt dies, als wäre die Beleuchtung fest auf die Oberfläche gemalt worden. Beschränken Sie das Backen von Ambient Occlusion auf bestimmte Bereiche, wo Sie sicher sind, dass sich dort während der Einstellung nichts verändern wird, wie z. B. im Rachen oder in den Nasenlöchern der Figur.

Für Computerspiele und Echtzeitanwendungen werden Lichter, Schatten und Occlusion in einem viel größeren Umfang in Texturen gebacken, da dies oft die einzige Möglichkeit ist, eine bestimmte Darstellungsqualität zu erzielen. Sogar aufwändige Technologie, wie globale Illumination können auf diese Weise in interaktiven Spielen verwendet und z. B. als Textur für Wände oder Böden gebacken werden.

Schatten-Objekte Viele Programme bieten Optionen an, ob ein Objekt einen Schatten werfen soll oder nicht sowie ob ein Objekt überhaupt im Rendering sichtbar sein soll oder nicht. Das bedeutet, dass Sie unsichtbare Objekte in der Szene benutzen können, die aber Schatten werfen. Derart konfigurierte Objekte nennt man Schatten-Objekte (oder auch Shadow Objects).

Wenn Sie einen zusätzlichen Schattenwurf benötigen, um Lücken oder Löcher in schon existierenden Schatten zu füllen oder auch durchsickerndes Licht (Light Leaks) zu verhindern, könnte das Hinzufügen eines Schatten-Objekts eine einfache Lösung sein. Dafür eignen sich bereits simple Grundformen, wie z. B. ein Würfel. Auch für das Compositing können Schatten-Objekte hilfreich sein. Wenn Sie z. B. das Bild eines realen Autos in eine 3D-Umgebung integrieren möchten, könnten Sie ein Schatten-Objekt mit der

ungefähren Größe und Form des Autos verwenden, um einen passenden Schatten auf die 3D-Szene zu werfen.

Schatten-Objekte bieten eine unglaubliche gestalterische Freiheit, die weit über das hinausgeht, was einem Fotografen oder einem Kameramann in der realen Welt zur Verfügung steht. In der Filmkunst werden alle möglichen Arten von Blenden, Schablonen und Abschirmungen verwendet, um Schatten zu werfen und die Beleuchtung auf bestimmte Bereiche zu beschränken. Diese Hilfsobjekte dürfen jedoch nicht in der Filmaufnahme sichtbar sein.

Die Schatten-Objekte ermöglichen das Abblocken von Licht, unabhängig von der Position der Lichtquelle und der Richtung des einfallenden Lichts und sie tauchen zudem niemals aus Versehen in Ihrem Rendering auf. Auch die Verwendung von zwei Objekten an der gleichen Position ist denkbar. Ein Objekt ist das Schatten-Objekt (es erzeugt einen Schatten, bleibt aber selbst unsichtbar) und das andere Objekt ist im Rendering sichtbar, bleibt aber dafür ohne eigenen Schattenwurf.

Die Abbildung 3.41 zeigt dazu ein Beispiel. Da hier das eigentliche Objekt nur eine einfache Ebene mit einem freigestellten Baum-Motiv ist, wird ein seitlich davon platziertes Licht nur einen schmalen und entsprechend unnatürlich wirkenden Schattenstreifen werfen können. Wird für dieses Objekt die Option für das Schattenwerfen ausgeschaltet und eine zweite, um 90° gedrehte Ebene ergänzt, die zwar unsichtbar ist aber Schatten wirft, kann nun ein glaubhafter Schattenwurf erzeugt werden.

Abbildung 3.41: Ein Schatten-Objekt (hier links grün umrandet dargestellt) hilft dabei, einen Schattenwurf bei seitlicher Beleuchtung der flachen Ebene zu erstellen.

Cookies Wie schon im zweiten Kapitel besprochen, kann die Projektion eines Bilds oder Musters mithilfe einer Lichtquelle Ergebnisse erzielen, die einem Schattenwurf sehr ähnlich sind.

Sie sollten daher die Verwendung von Cookies (Masken, Schablonen) ebenfalls zu dem Repertoire an Tricks zählen, mit denen sich Schatten vorgaukeln lassen.

Eine mögliche Quelle für die Nutzung einer Cookie-Textur könnte die Tiefenmaske sein, die durch einen Depth Map-Schatten (Schatten-Map) berechnet wurde. Wenn Ihnen Ihre 3D-Software erlaubt, die Depth Map einer Lichtquelle zu speichern und zu betrachten, sollten Sie z. B. den Schattenwurf eines Baums separat speichern und wieder als Textur laden können. Wird die Depth Map als Graustufen-Bitmap gesichert, kann diese direkt mit der gleichen Lichtquelle als Cookie verwendet werden, um damit den Schattenwurf des Baums zu simulieren. Die Abbildung 2.25 in Kapitel 2 dieses Buchs zeigte ein Beispiel dazu, wobei ebenfalls eine Cookie-Textur verwendet wurde, um den Schattenwurf eines Baums vorzutäuschen.

Eine andere einfache Technik um Texturen zu erstellen, die als Cookies benutzt werden können, ist das einfache Rendern des Objekts, das Sie in der Cookie-Maske sehen möchten. Laden Sie dieses Rendering dann in ein Grafikprogramm und extrahieren Sie dort den Alpha-Kanal des Bilds, den Sie direkt als Cookie-Textur benutzen können. Aber auch ausgefallenere Optionen, wie mehrfarbige Cookie-Texturen sind so möglich. Der Stamm und die Äste des Baums könnten dann nach wie vor schwarz, die Blätter aber z. B. in dunklem Grün vor weißem Hintergrund gerendert werden. So ein Bild ließe sich direkt als Cookie benutzen. Die Möglichkeiten, um mit Cookies Schattenwürfe zu simulieren sind nahezu unbegrenzt, sofern das Objekt, das diese Schatten werfen soll, nicht direkt in der Szene sichtbar ist.

Entscheiden Sie von Fall zu Fall, ob einer der demonstrierten Tricks oder Manipulationen sinnvoll sein könnte, um Ihre Schatten zu simulieren. In Zeiten, in denen die Computer laufend schneller und die verfügbaren Produktionszeiten immer kürzer werden, mag es sein, dass Ihnen der Zeitaufwand zum Simulieren von Schattenwürfen verschwendet vorkommt. Wenn Sie jedoch durch so einen Trick mehr Kontrolle und kreative Freiheit über das Endergebnis erhalten können, sollten Sie diese Tricks allein schon aus künstlerischer Sicht nutzen.

Egal, wie selten Sie auf diese Tricks tatsächlich bei Ihrer Arbeit zurückgreifen, jedes Wissen über die zur Verfügung stehenden Optionen um ein Rendering zu verbessern ist immer wertvoll. Sie sind immer besser dran, wenn Ihnen zehn Optionen zur Lösung eines Problem einfallen als wenn Sie mit der einzig bekannten Technik auf Gedeih und Verderb arbeiten müssen.

Übungen

Wenn Sie den Schatten mehr Beachtung schenken, wird die Verbesserung der erzielbaren Bildqualität den Zeitaufwand für das Experimentieren mit den verfügbaren Parametern und Optionen wert sein.

1. Die Schatten-Map-Schatten (Depth Map-Schatten) sind keinesfalls überflüssig. In den meisten Fällen werden Sie zwar mit weichen Raytraced-Schatten realistischere Ergebnisse erzielen, ohne sich so lange mit den Einstellungen auseinandersetzen zu müssen, als Übung sollten Sie dennoch eine Szene ausschließlich mit Depth Map-Schatten beleuchten und keine Raytraced-Schatten verwenden. Suchen Sie sich dazu z. B. bei www.3dRender.com/challenges unter den zahlreichen Dateiformaten und Szenen etwas aus oder knöpfen Sie sich eine bereits ausgeleuchtete Szene erneut vor. Ein Tipp dazu: Wenn Sie eine bereits beleuchtete Szene überarbeiten, kann es hilfreich sein, die vorhandenen Fläche-Lichter durch Spots zu ersetzen, damit die Schatten-Maps besser ausgerichtet und fokussiert werden können.

2. Jede Lichtquelle, wie z. B. ein Spot, ein paralleles Licht oder ein Fläche-Licht, wirft unterschiedliche Schatten. Um Ihren Renderer besser kennenzulernen, versuchen Sie mit diesen verschiedenen Lichtquellen weiche Raytraced-Schatten zu erzeugen. Nachdem die gewünschte Weichheit der Schattenwürfe erzielt wurde, optimieren Sie die Sample-Einstellungen der Schatten, um rauschfreie Ergebnisse zu erhalten. Versuchen Sie jeweils die Anzahl der Samples so zu optimieren, dass Sie ein produktionstaugliches Ergebnis in möglichst kurzer Zeit rendern können.

[KAPITEL VIER]

Umgebungen und Architektur beleuchten Um natürliche Umgebungen und Architektur zu beleuchten, müssen Sie sich über die Umgebung um sich herum bewusst werden. Direktes Sonnenlicht, weiches Himmelslicht und das gestreute Licht vermischen sich sehr subtil in den Farbwerten und Helligkeiten. Dieses Kapitel bespricht, wie Sie diese drei Elemente so simulieren können, dass eine natürliche Beleuchtung im Außen- und im

Innenbereich erzielt wird, am Tag wie auch bei Nacht. Auch künstliches Licht, angefangen bei Taschenlampen bis hin zu Tisch- und Straßenlampen, erfordert ähnlich viel Sorgfalt, um realistisch zu wirken. Sie können eine Atmosphäre verwenden, wie z. B. Nebel, Staubpartikel in der Luft oder noch dichtere Medien bei Unterwasser-Szenen, um die Ausbreitung von Licht im Raum noch glaubhafter zu machen. Schließlich lässt sich mit globaler Illumination auch das zwischen den Oberflächen ausgetauschte Licht simulieren, das unsere Szene mit diffus gestreutem Licht füllt. Dieses Kapitel erforscht nicht nur die Beleuchtung mit natürlichen und künstlichen Lichtquellen, sondern auch wie indirektes Licht mit und ohne globale Illumination erzeugt werden kann.

Tageslicht erzeugen Eine einfache Tageslicht-Simulation kann bereits durch diese drei Elemente erstellt werden: Direktes Sonnenlicht, ein weiches Fülllicht, das die Beleuchtung durch den Himmel darstellt und indirektes Licht, das das zwischen den Objekten der Szene reflektierte Licht ergänzt.

Durch das Mischen dieser drei Elemente kann eine Außenbeleuchtung zu jeder Tageszeit simuliert werden. Dieser Abschnitt beschäftigt sich daher speziell mit diesen drei Elementen und den Entscheidungen, die bei deren Erstellung zu treffen sind.

Das Sonnenlicht erstellen Machen Sie sich bewusst Gedanken zu Ihrer Szene. Welche Tageszeit soll dargestellt werden? Gibt es direktes Sonnenlicht? Normalerweise sollte immer mit der Simulation der Sonne begonnen werden, denn diese wird Ihr Hauptlicht (Key Light) sein, also das wichtigste Licht der Szene, das den Charakter Ihrer Szene bestimmt. Falls das Sonnenlicht überhaupt direkt sichtbar ist, wird es wahrscheinlich das intensivste Licht der Szene sein und somit auch den intensivsten Schatten erzeugen. Sie legen den Winkel des Sonnenlichts anhand der darzustellenden Uhrzeit fest.

Denken Sie jedoch auch daran, dass der spätere Betrachter des Bilds normalerweise nicht weiß, ob die Kamera nach Osten oder Westen blickt. Sie haben daher sehr viel Freiheit bei der Platzierung und Ausrichtung des Sonnenlichts, um die Szene wie gewünscht zu beleuchten.

In den meisten Fällen verwenden Sie paralleles Licht für das Sonnenlicht. Erinnern Sie sich an Kapitel 2 und daran, dass bei solchen Lichtquellen die Lichtstrahlen und auch die Schatten immer parallel bleiben, was für Sonnenlicht auch exakt so zu erwarten wäre. Wenn Sie ein solches unendliches Licht (paralleles Licht, Infinite Light, Directional Light) für die Ausleuchtung der gesamten Szene nutzen, sollten Sie wahrscheinlich Raytraced-Schatten damit kombinieren, damit von allen Objekten der Szene präzise Schatten geworfen werden.

Sonnenlicht benötigt keine Intensitätsabnahme, die auf dem Abstand von der Lichtquelle basiert. Das Sonnenlicht war bereits 150 Millionen Kilometer unterwegs um von der Sonne aus unsere Szene zu erreichen. Es ist daher unwahrscheinlich, dass das Licht auf den letzten Metern sichtbar an Intensität verliert.

Für einen Großteil der Tageszeit kann gelbliches Sonnenlicht verwendet werden. Benutzen Sie nur dann Rot oder Orange, wenn Sie einen Sonnenaufgang oder -untergang simulieren möchten. Wenn Sie das Sonnenlicht testrendern, wird es sehr gelb und gesättigt wirken, so wie in Abbildung 4.1. Bevor Sie andere Lichtquellen ergänzen, seinen Sie sich sicher, dass die Sonnen genau die Bereiche beleuchtet und genau dort Schatten entstehen, wo Sie diese sehen möchten. In unserem Beispiel habe ich die Sonne etwas weiter nach vorne gedreht, damit auch das Gesicht der Statue noch ausreichend schattiert wird. Zu frontales Licht lässt die Objekte jedoch zu flach wirken.

Abbildung 4.1: Das Sonnenlicht allein ist gelblich und erzeugt starke Kontraste. Hier wurde der Winkel des Sonnenlichts so angepasst, dass die Figur als Hauptelement der Szene gut beleuchtet wird.

Die Raytraced-Schatten anpassen

Der Schattenwurf des Sonnenlichts ist der wichtigste Schattenwurf bei Außenszenen unter Tageslicht. Stellen Sie daher sicher, dass dessen Qualität, Form und Richtung wie gewünscht sind, bevor weitere Lichter ergänzt werden. Die Sonnenschatten sind nicht zu 100 % hart. Stellen Sie sich die Sonne als kleines Fläche-Licht vor, das auch etwas weiche Schattenränder produziert. Die Sonne nimmt normalerweise nur einen Bereich von 1 % des Himmels ein, dennoch können die Schatten auch sehr weich und verwaschen wirken, wenn es sich um einen bedeckten Tag handelt oder die Sonne gerade auf- oder untergeht. Schattenwinkel liegen daher zwischen 1° und 5°. Lassen Sie den Sonnenschatten schwarz, denn eine leichte Blaufärbung ergibt sich später automatisch durch das diffuse Himmelslicht.

Depth Map-Schatten verwenden

Wenn Sie Schatten-Maps für die Schattenberechnung der Sonne verwenden möchten, sollten Sie die Sonnenlichtquelle anders konfigurieren. Es macht dann eher Sinn, die Sonne durch ein Spot-Licht zu simulieren, dessen Lichtkegel Sie exakt auf den zu beleuchtenden Bereich der Szene fokussieren können. In diesem Fall muss der Spot weiter von der Szene entfernt platziert werden, damit dessen Schatten erneut parallel erscheinen. Ist das geschafft, verjüngen Sie den Lichtkegel des Spots so weit wie möglich, damit nur noch der Bereich erfasst wird, in dem Sonnenlicht und dessen Schatten für den Bildbetrachter sichtbar sind.

Ein Vorteil dabei ist, dass sich eine Cookie-Maske mit einem Spot viel einfacher projizieren lässt, z. B. um Sonnenlicht zu simulieren, dass durch die Krone eines Baums gefiltert und strukturiert wird. Die Ausrichtung so einer Cookie-Projektion ist dann einfach über die Platzierung und Drehung des Spots möglich.

Dennoch kann ein einzelner Spot eventuell nicht ausreichen, um ein größeres Gebiet mit Sonnenlicht zu versorgen. Die sich an einen größeren Lichtkegel anpassende Depth Map kann dadurch an Details verlieren und zu weich erscheinen. Wenn Sie an der Verwendung von Schatten-Maps festhalten wollen, ist in solchen Fällen die Nutzung einer Anordnung mehrerer Spots sinnvoller, die jeder für sich zur Beleuchtung und den Schatten einzelner Bereiche der Szene beitragen. Die Verwendung mehrerer Schatten-Maps mit mittleren Auflösungen von vielleicht 1024 oder 2048 Pixeln ist in der Regel effizienter als die Erhöhung der Depth Map-Auflösung über 4096 oder gar 8192 Pixel.

Bei der Beleuchtung einiger Umgebungen wird vielleicht keine andere Option als die Nutzung von Depth Maps bleiben. Komplexe Szenenelemente, wie Gras, Fell oder andere Vegetation führen zu einer starken Erhöhung der Renderzeiten, wenn mit Raytraced-Schatten gearbeitet wird. Depth Maps sind bei solchen Elementen viel effizienter. Die bei einigen Renderern angebotenen Spezialtypen von Depth Maps, wie die Deep Shadow Maps in Pixar’ RenderMan oder die Detail Shadow Maps in Mental Ray sind speziell für die Schattenbildung an feinen Strukturen, wie Haar oder Gras optimiert.

Das Streulicht der Sonne ergänzen

Oft ist es eine gute Idee, das direkte Streulicht der Sonne mit einer zweiten Lichtquelle zu ergänzen. Nachdem Sie das Sonnenlicht selbst konfiguriert haben und sicher sind, dass es die richtigen Bereiche beleuchtet und die Schatten an den richtigen Stellen entstehen, duplizieren Sie die Sonnenlichtquelle und benennen die Kopie z. B. zu „Sonne_Streulicht“ um. Lassen Sie das Streulicht an Ort und Stelle. Reduzieren Sie nur dessen Helligkeit gegenüber der Sonne und weichen Sie dessen Schatten noch stärker auf, damit dieses Licht auch in Bereiche gelangt, die im Schatten der Sonne liegen.

In einigen Szenen ist es hilfreich, dem Streulicht der Sonne eine stark gesättigte Färbung zu geben. Während des Sonnenuntergangs mag die Sonne selbst noch gelbes Licht abgeben, das Streulicht kann jedoch stark rötlich oder orangefarben sein. Bei einigen Szenen zur Mittagszeit ist die Sonne hingegen so intensiv, dass sie eher überbelichtet und entsättigt wirkt. In solchen Fällen könnte die Farbe der Sonne eher nur schwach gelblich oder fast Weiß sein. Wenn Sie dem Streulicht im Vergleich zur Sonne eine gesättigtere Farbe geben, wirkt das Sonnenlicht in der gesamten Szene dadurch wärmer. In der Abbildung 4.2 vergleichen wir die Szene aus der Abbildung 4.1 ein Mal nur mit dem Sonnenlicht (links) und dann rechts daneben mit zusätzlichem Streulicht.

Grafisch gesprochen führt das Hinzufügen eines Streulichts dazu, dass das Sonnenlicht in zusätzliche Richtungen abgestrahlt wird und sich dadurch noch etwas weiter z. B. um gekrümmte Oberflächen herumbewegt. Da die Schatten umso weicher erscheinen, je weiter

sie sich von einem Objekt entfernen, bleiben die Schatten nahe bei den Objekten weiterhin tiefschwarz. Schatten von weiter entfernten Objekten können jedoch durch das Streulicht erfasst werden. Generell kann das Ergänzen des Streulichts an der Sonne für mehr Variationen und Realismus sorgen, im Vergleich zu der Härte des reinen Sonnenlichts, das nur außerhalb der Schatten sichtbar ist.

Abbildung 4.2: Wird nur Sonnenlicht verwendet (links), bleiben viele Bereiche der Szene komplett im Dunkeln. Das Ergänzen eines Streulichts (rechts) hellt die äußeren Bereiche der Schatten mit einem warmen Licht auf.

Das Himmelslicht ergänzen Das weiche, bläuliche Himmelslicht ist ein weiterer Teil der Simulation von Tageslicht. Dieses Licht sollte separat begutachtet werden. Sonne und Streulicht sollten daher kurzfristig ausgeschaltet werden. Ein einzelnes Himmelslicht (Dome Light) eignet sich sehr gut für die Simulation dieses Lichts (siehe auch Kapitel 2). Die Abbildung 4.3 zeigt links die Wirkung so eines halbkugelförmigen Himmelslichts.

Sie können das Himmelslicht zudem mit eigenen Verläufen färben. Solche Verläufe starten oft mit einem leichten Blau am Horizont und enden Tiefblau im Zenit. Das simuliert die Luftfeuchtigkeit, durch die der Himmel am Horizont entsättigter und heller wirkt. Zudem könnte noch ein weiterer Verlauf sinnvoll sein, der von der Sonnenseite des Himmels zu der gegenüberliegenden Seite verläuft und diese etwas abdunkelt.

In einigen Programmen besteht das Himmelslicht nur aus der oberen Kugelhälfte. Andere Programme wiederum verwenden eine komplette Kugel, die die gesamte Szene einschließt. Die untere Kugelhälfte befindet sich dann unter dem Boden. Da der Boden normalerweise bei einer Beleuchtung von unten Schatten wirft, sollte es keinen Unterschied geben, egal ob das Himmelslicht nur eine halbe oder eine voll Kugel darstellt. Dennoch kann es sinnvoll sein, bei einem vollständigen Himmelslicht die untere Kugelhälfte mit Schwarz zu belegen,

um an Geometriefehlern des Bodens durchsickerndes Licht zu vermeiden und ggf. die Berechnungszeit dieses Lichts zu optimieren. Einige Renderer optimieren nämlich automatisch die Platzierung der Samples auf die helleren Bereiche des Himmelslichts.

Abbildung 4.3: Die weiche Beleuchtung durch ein Himmelslicht bzw. ein Dome Light füllt die gesamte Szene (links). Durch das Hinzufügen eines gezielten Aufheller-Lichts (rechts) können weitere Details auch in den Schatten sichtbar gemacht werden.

Einen zusätzlichen Aufheller für den Himmel ergänzen

Manchmal lassen sich Objekten weitere Details entlocken, wenn dem homogenen Himmelslicht ein zusätzliches Licht hinzugefügt wird. Sie können dafür ein nahezu paralleles Licht verwenden, so ähnlich wie beim Streulicht der Sonne, oder Sie verwenden einen Spot, wenn die zusätzliche Beleuchtung noch gezielter auf bestimmte Elemente ausgerichtet werden soll. Dieses Licht könnte eine blaue oder gräuliche Farbe erhalten, je nachdem welche Farben Ihr Himmel hauptsächlich enthält. Diese Lichtquelle wird oft so platziert und ausgerichtet, dass dieses Licht entweder vom Himmel hinter den abgebildeten Objekten oder aus einer der Sonne gegenüber liegenden Position stammt. Dadurch erhält nicht nur das diffuse Licht des Himmels mehr Kontrast, sondern auch die Schattierung der Objekte zeigt mehr Variationen in den Bereichen, die nicht direkt von den Sonnenlichtern erreicht werden. Die rechte Seite der Abbildung 4.3 zeigt ein mögliches Ergebnis. Beachten Sie, wie dort die zuerst recht dunklen Seiten der Statue und der Säulen durch das zusätzliche Licht nun besser definiert werden.

Abbildung 4.4: Diese Drahtgitter-Ansicht zeigt Ihnen die Positionen der Sonne und deren Streulicht (rechts unten), das Himmelslicht und den Aufheller des Himmelslichts (oben links) in der Szene.

Lassen Sie uns nun alle unsere Lichtquellen sichtbar schalten (siehe Abbildung 4.4). Wir haben nun zwei parallele Lichter an der gleichen Stelle für die Simulation des Sonnenlichts, ein halbkugelförmiges Himmelslicht und ein weiteres paralleles Licht für die Aufhellung des Himmelslichts.

Die Farbbalance anpassen

Wird eine Außenszene durch die Sonne beleuchtet, sollten sich das warme Sonnenlicht und das kühlere Himmelslicht ausgleichen, sodass deren Überlagerung nahezu weiß erscheint. Bereiche, in denen das Sonnenlicht abgeschattet wird zeigen nur das bläuliche Licht des Himmels. Sind alle Sonnen- und Himmel-Lichtquellen aktiv, sollten Sie diese Farbbalance in Testberechnungen überprüfen. Für eine Tageszeit am späten Nachmittag oder gar zum Sonnenuntergang bietet sich ein goldener Gelbton für die Szene an. Soll der Himmel eher bedeckt sein oder eine neblige Stimmung angedeutet werden, verschieben Sie die Farbstimmung in bläuliche Töne. Für eine ganz normale Tageslichtbeleuchtung sollte die Szene insgesamt jedoch weder bläulich noch gelblich wirken. Sie sollten ansonsten noch einmal in die Helligkeit und Sättigung der Sonne überarbeiten, damit das Sonnenlicht in der Überlappung mit dem Himmelslicht eher entsättigt und neutral wirkt. Die Abbildung 4.5 zeigt eine Testberechnung der Szene, bei der die Sonne, das Streulicht der Sonne und das Himmelslicht bereits zusammenarbeiten. Obwohl hier noch das zwischen den Objekten durch Reflexion ausgetauschte Streulicht fehlt, können Sie bereits erkennen, wie ein natürliches Sonnenlicht aussehen könnte.

Abbildung 4.5: Das Licht der Sonne und des Himmels werden kombiniert, um ein ausbalanciertes Tageslicht zu simulieren.

Indirektes Licht ergänzen Das Licht der Sonne und des Himmels tragen den Großteil zu der Beleuchtung einer Außenszene bei. Dennoch benötigen wir zusätzlich noch indirektes Licht (auch Bounce Light genannt), das vom Boden oder anderen Oberflächen auf die umliegende Szene zurückgeworfen wird. Dieses wird indirektes Licht genannt, da es nicht auf direktem Weg von einer Lichtquelle zu den Oberflächen kommt. Dort wo intensives Sonnenlicht oder auch Himmelslicht auf eine Oberfläche treffen, müssen diese Bereiche selbst wieder wie eine Lichtquelle das Licht weiterreichen. Wenn direktes Licht z. B. auf dem Boden auftrifft, so wird es in der Regel senkrecht zum Boden nach oben reflektiert und somit die Unterseite der Objekte beleuchten. Es gibt dafür zwei grundsätzliche Ansätze, wie derartiges Licht simuliert werden kann. Sie können weitere Lichtquellen ergänzen, um das indirekte Licht zu simulieren oder Sie verwenden globale Illumination (oft abgekürzt mit GI), um das indirekte Licht automatisch zu simulieren. Bei Nutzung von GI müssen Sie selbst also keine zusätzlichen Lichtquellen konfigurieren, denn das indirekte Licht wird automatisch ergänzt. Seien Sie sich jedoch klar darüber, dass die Berechnung der Szene durch Nutzung von GI stark verlängert werden kann, besonders wenn Elemente, wie Gras oder feine Vegetation enthalten sind. Wir kommen auf die globale Illumination in diesem Kapitel noch zurück. Vorerst ergänzen wir das indirekte Licht jedoch auf klassischem Weg durch zusätzliche Lichter, die unsere Szene von unterhalb des Bodens beleuchten (siehe Abbildung 4.6).

Abbildung 4.6: Das indirekte Licht simulierende Lichtquellen (In der Abbildung gelb dargestellt) beleuchten die Szene von unten, durch den Boden hindurch.

Abbildung 4.7: Durch das zusätzliche indirekte Licht (rechts) werden die unteren, parallel zum Boden liegenden Oberflächen aufgehellt. Dadurch verlaufen die Grenzen zwischen dem Sonnenlicht und dem Himmelslicht und deren unterschiedlichen Färbungen noch weicher.

Die Wirkung des vom Boden aus nach oben reflektierten indirekten Lichts wird besonders an den Unterseiten der Objekte deutlich. Abbildung 4.7 zeigt dies im Vergleich, links ohne, rechts mit indirektem Licht. Dabei sollten einige Einstellungen beachtet werden:

Indirektes Licht sollte in der Regel weder Glanz noch Reflexe auf den Objekten erzeugen.

Färben Sie das indirekte Licht entsprechend der Oberfläche ein, von der es reflektiert werden soll. Soll z. B. das vom Grasboden reflektierte Licht simuliert werden, färben Sie das indirekte Licht grünlich ein.

Für vom Boden reflektiertes Licht platzieren Sie die Lichtquelle darunter und verhindern z. B. durch eine Licht-Verknüpfung, dass der Boden Schatten wirft.

Falls bei indirektem Licht überhaupt Schattenwürfe nötig sind, lassen Sie diese sehr weich berechnen. Überprüfen Sie z. B. die Mundhöhle oder die Nasenlöcher einer Figur, damit dort kein indirektes Licht zu sehen ist.

Oft werden verschieden gefärbte und ausgerichtet Lichter für indirektes Licht verwendet. Selbst wenn z. B. ein Grasboden nur einfarbig ist, kann dieser durch gelbes Sonnen- und blaues Himmelslicht auch gelb-grünes und blau-grünes Licht auf die Szene zurückwerfen.

Obwohl ein Großteil des indirekten Lichts aufwärts ausgerichtet sein wird, kann es generell aus allen möglichen Richtungen kommen. Wenn intensives Licht auf eine Wand fällt, können Sie auch indirektes Licht ergänzen, welches das von der Wand reflektierte Licht darstellt. Wird eine Stehlampe auf die Zimmerdecke ausgerichtet, kann ein indirektes Licht auch das von der Decke zurückgeworfene Licht ergänzen.

Da die indirekten Lichter eher gedämpft und dunkler sind, hat es sich bewährt, alle anderen Lichter zu deaktivieren und Testberechnungen zwischenzeitlich nur für die indirekten Lichter berechnen zu lassen. Das Ziel dabei ist eine weiche und gleichmäßige Beleuchtung der Objekte in der Szene. Stellen Sie sicher, dass dadurch keine hart sichtbaren Schatten oder Glanz erzeugt werden. Dies würde unnatürlich wirken, da reflektiertes Licht in der Regel von großen Flächen abprallt und daher sehr diffus gestreut ist.

Alternative Techniken Für die Simulation des Himmelslichts stehen oft weitere Alternativen zur Wahl: Statt eines einzelnen Himmelslichts können Sie eine halbkugelförmige Anordnung mehrerer Lichtquellen verwenden, die Licht aus verschiedenen Richtungen simulieren. Zudem stehen oft auch auf die Sonnen- und Himmelssimulation spezialisierte Shader, Lichtquellen oder Spezialobjekte zur Verfügung (Stichwort: Physical Sky). Schließlich kann auch Image-based Lighting (IBL) in Verbindung mit dem HDRI (High Dynamic Range Image) eines fotografierten Himmels für die Szenenbeleuchtung verwendet werden.

Ohne ein Himmelslicht/Dome Light auskommen

Bietet Ihr Renderer kein spezielles Himmelslicht oder aber Sie suchen nach einer noch flexibleren Lösung, so können Sie auch einzelne Lichter zur Simulation des Himmelslichts benutzen.

Beginnen Sie dabei mit einer parallelen Lichtquelle, die einen sehr weichen Raytraced-Schatten erzeugt (ähnlich der Streulicht-Lichtquelle der Sonne) und geben Sie diesem Licht eine bläuliche Färbung. Führen Sie eine Testberechnung aus, um die Wirkung dieses einen Lichts zu begutachten und vervielfältigen Sie diese Lichtquelle dann so, dass die Szene aus allen Richtungen beleuchtet wird. In einer freistehenden Außenszene sind dafür zwischen vier und acht Lichter nötig, um das gesamten Himmelslicht zu simulieren. Die Abbildung 4.8 zeigt so eine Lichtanordnung.

Diese Lichter müssen nicht zwingend identisch sein. So könnten Sie das Himmelslicht in der Nähe der Sonne etwas heller und an der gegenüberliegenden Seite etwas dunkler und gesättigter einstellen. Entstehen sichtbare Schattenränder, weichen Sie die Schatten stärker auf oder ergänzen Sie weitere Lichter, um noch zu wenig beleuchtete Bereiche zu erreichen. Im Gegensatz zum speziellen Himmelslicht wirken mehrere parallele Lichter oft unrealistisch bei glänzenden Oberflächen, da dadurch auch mehrere Glanzpunkte entstehen können. In solchen Fällen sollten Sie die Glanzwirkung dieser Lichter ausschalten.

Noch einfacher kann manuelles Himmelslicht mit Spots und Schatten-Maps erstellt werden. Diese sind vielleicht nicht ganz so realistisch wie andere Optionen, lassen sich jedoch besonders bei Außenszenen sehr schnell ohne Raytracing berechnen. Besonders wenn nur ein kleiner Teil des Himmels sichtbar ist, z. B. innerhalb eines Bergtals, lässt sich das Himmelslicht bereits mit wenigen Spots glaubhaft simulieren.

Shader für Sonne und Himmel

Einige Programme bieten Himmels- und Sonnensimulationen an (Stichwort: Physical Sky), durch die viele der besprochenen Beleuchtungseffekte automatisch erstellt werden. Bei tiefer stehender Sonne verändert sich dann z. B. automatisch deren Farbe und auch die Darstellung des Himmels wird entsprechend angepasst. Beim Beleuchten müssen Sie jedoch flexibel bleiben und über das erste Testrendering hinausdenken, denn das Ergebnis muss noch einem Auftraggeber, Creative Director, Art Director oder Regisseur vorgelegt werden, von denen Sie dann Rückmeldung erhalten, wie sich das Motiv weiterentwickeln muss.

Selbst wenn Sie durch die Verwendung physikalisch korrekter Himmels- und Sonnensimulationen erst einmal Zeit sparen, kann es die Umsetzung von späteren Änderungswünschen komplizierter machen. Werden Sie z. B. gebeten, das Sonnenlicht beim Sonnenuntergang etwas rosa zu färben, ist es sicherlich einfacher, dafür einfach die Farbwerte einer Lichtquelle direkt zu editieren, als sich durch Einstellungen für den Wassergehalt der Luft (Turbidity) und den Ozon-Wert der Atmosphäre zu klicken, und darüber indirekt die Farbe der Sonne zu beeinflussen. Obwohl anfänglich durch solche Voreinstellungen und Automatismen viel Zeit gespart werden kann, zahlt sich dies oft über die Dauer eines Projekts nicht aus.

Bildbasierte Beleuchtung/IBL

Die bildbasierten Beleuchtung, oder auch Image-Based Lighting (Kurzform: IBL) stellt eine alternative Methode der Himmelssimulation zur Verfügung. Bei IBL wird ein Bild z. B. auf

Abbildung 4.8: Alternativ zur Verwendung eines speziellen Himmelslichts können auch mehrere parallele Lichtquellen kreisförmig um die Szene platziert werden.

ein kugelförmiges Himmelslicht gelegt, um mit den Farben und Helligkeiten dieses Bilds die eingeschlossene Szene zu beleuchten. Die Abbildung 4.9 zeigt unserer Szene, die dort nur durch ein Himmelsbild mit Wolken beleuchtet wird.

Abbildung 4.9: Das Testrendering zeigt die Szene, die hier ausschließlich durch IBL anstatt durch Licht beleuchtet wird.

Wenn Sie ein High Dynamic Range Image-Format (HDRI) verwenden, lassen sich damit alle Helligkeiten und Farben einer realen Umgebung einfangen. Eine riesige Bandbreite an HDRI-Maps ist im Internet frei verfügbar oder kommerziell zu erwerben. Zudem können solche HDRI-Dateien auch selbst erstellt werden, wie es in Kapitel 6 demonstriert wird.

IBL verspricht realistische Ergebisse ohne viel Aufwand, falls Sie Bilder verwenden, welche die gewünschte Lichtstimmung und Umgebung zeigen. Zudem entstehen dadurch automatisch zur Beleuchtung passende Spiegelungen auf den Objekten. Die Intensität der Beleuchtung und der Reflexe kann noch über das Himmelslicht justiert werden. Zudem kann das Bild noch horizontal gedreht werden, um dessen Lage zur Szene anzupassen. Auch dessen Farbstimmung könnte editiert werden. Auch lassen sich weiterhin noch normale Lichter ergänzen. Dennoch ist die Beleuchtung durch ein statisches Bild kreativ betrachtet limitierend im Vergleich zur Beleuchtung mit Einzellichtern. Wie auch beim physikalischen Himmel, kann IBL zwar die Erstellung des ersten Testrenderings stark verkürzen, erschwert dann jedoch ggf. die Umsetzung von Änderungswünschen.

Natürliches Licht in Innenräumen Bei der Beleuchtung eines Innenraums handelt es sich oft um eine Mischung aus natürlichem Licht, das durch ein Fenster, Türen oder Oberlichter in den Raum fällt und künstlichen Lichtquellen im Raum. Die in der Szene simulierten künstlichen Lichtquellen werden Practical Lights genannt und im nächsten Abschnitt besprochen. Der erste Schritt der Innenraumbeleuchtung ist die Simulation des natürlichen Lichts, also von Sonnen- und Himmelslicht sowie von indirektem Licht. Dabei können wir ähnlich vorgehen wie bei einer Außenszene.

Das Himmelslicht erzeugen Bei Innenräumen macht es häufig Sinn, statt mit dem Sonnenlicht mit der Simulation des Himmelslichts zu beginnen. Manchmal soll ein Sonnenstrahl durch ein Fenster fallen, manchmal auch nicht.

Sonnenlicht kann nur dann durch ein Fenster in den Raum fallen, wenn es aus einer passenden Richtung kommt. Das Himmelslicht wird in jedem Fall durch das Fenster eindringen, da es zumindest während der Tageszeit aus allen Richtungen die Szene durchdringt. Wie bei der Beleuchtung einer Außenszene, so handelt es sich beim Himmelslicht um ein breit aufgefächertes, sehr weiches Licht, das für das abgestrahlte Licht des gesamten sichtbaren Himmels steht. Es ist denkbar, obwohl nicht sehr effektiv, ein vollständiges Himmelslicht in Form einer Halb- oder Vollkugel außerhalb des Gebäudes zu verwenden und einige dieser Lichtstrahlen durch das Fenster eintreten zu lassen. Dieser Ansatz kann die Bildberechnung jedoch unnötig verlangsamen, da immer das gesamte Licht der Himmelskuppel berechnet wird, obwohl davon nur ein kleiner Teil tatsächlich genutzt und sichtbar wird.

Fläche-Lichter in den Fenstern

Fläche-Lichter in den Fenstern simulieren oft das glaubwürdigste Himmelslicht. Dazu platzieren Sie ein rechteckiges Fläche-Licht knapp vor dem Fenster, einer Glastür oder einer anderen Öffnung mit Blick nach Draußen und geben diesem Licht eine zum Himmel passende Färbung. Wenn z. B. ein Fenster rund anstatt eckig ist, verwenden Sie stattdessen ein scheibenförmiges Fläche-Licht. Ebenso lassen sich komplexere Fensteranordnungen durch Gruppierungen mehrerer Fläche-Lichter simulieren.

Ist ein Hintergrundbild im Fenster sichtbar, orientieren Sie sich für das Fläche-Licht an den dort sichtbaren Farben. Wird der Hintergrund durch 3D-Objekte gestaltet, übernehmen Sie von diesen eine passende Farbe für das Fläche-Licht.

Einige Renderer bieten auch spezielle Portal-Licht (Portal Light) an, die automatisch die Farben und Helligkeiten des Himmels übernehmen, der dahinter liegt. Das ist sehr effektiv, denn es wird dafür nur ein kleiner Teil des Himmels abgetastet.

Selbst wenn Sie nur ein Fenster in der Szene haben, ist es in Ordnung auch mehrere Lichter für die Simulation des eindringenden Himmelslichts zu nutzen. Ein rechteckiges und auf die Fenstergröße angepasstes Fläche-Licht ist technisch betrachtet bereits eine gute Wahl, aber manchmal möchten wir noch etwas mehr Licht erzeugen, um den Raum mit noch mehr weicher Beleuchtung zu fluten. Ein kugelförmiges Fläche-Licht kann z. B. sehr weiches und gestreutes Licht aus der Umgebung simulieren und in den Raum schicken. In Abbildung 4.10 wurde z. B. je ein kugelförmiges Flächenlicht zusätzlich zu den rechteckigen Lichtern in jedem Fenster platziert.

Abbildung 4.10: Sowohl rechteckige als auch kugelförmige Fläche-Lichter wurden in jedem Fenster platziert. Diese Küchen-Szene stammt aus der Lighting Challenge Nummer 2 und kann direkt von www.3dRender.com/ challenges in verschiedenen Dateiformaten geladen werden.

Abbildung 4.11: Rechteckige Fläche-Lichter in jedem Fenster (links) simulieren die Himmelsbeleuchtung in der Nähe der Fenster. Wenn zusätzliche kugelförmige Fläche-Lichter ergänzt werden (rechts) kann die Beleuchtung dadurch noch tiefer in den Raum eindringen.

Die kugelförmigen Fläche-Lichter überlappen sich mit den rechteckigen Lichtern. Das führt dazu, dass die vorderen Kugelhälften dieser Lichtquellen in den Raum hineinragt und dadurch das Licht noch weiter streuen. Die Abbildung 4.11 zeigt links die Beleuchtung nur durch die rechteckigen Fläche-Lichter. Rechts daneben wurden die zusätzlichen kugelförmigen Fläche-Lichter ergänzt, welche die simulierte Abstrahlung des Himmelslichts erweitern.

Normalerweise sollten die Himmelslichter für die Begutachtung ohne den Einsatz von GI (Globaler Illumination) berechnet werden. Die Kontraste sind dadurch zwar noch recht stark, die Bildberechnung kann jedoch sehr schnell erfolgen und Sie können die Wirkung des Himmelslichts isoliert beurteilen. Einige Programme benötigen für die Berechnung eines Portal Fläche-Lichts zwingend globale Illumination, sodass Sie dann keine andere Wahl haben, aber generell sollten Sie am Anfang falls möglichst darauf verzichten.

Besonderes Augenmerk sollten Sie bei den ersten Testberechnungen auf die Oberflächen in unmittelbarer Nähe der Fenster legen. Diese Bereiche sollten glaubhaft beleuchtet erscheinen. Von den Fenstern aus sollte die Beleuchtung dann in allen Richtungen gestreut werden, damit Flächen über, unter sowie links und rechts des Fensters etwas Licht von außen erhalten.

Die Fenstergeometrie ausschließen

Enthält Ihr Fenster ein eigenes Objekt für die Darstellung der Glasscheiben, sollten Sie Licht-Verknüpfungen aktivieren, um das Glas von der Beleuchtung auszunehmen. Ansonsten kann ein direkt in oder nahe an der Glasscheibe platziertes Licht zu unnatürlichen Reflexionen führen oder aber das Glas interagiert mit der Beleuchtung und führt zu veränderten Schattenwürfen.

Manchmal sollten Sie feine Strukturen innerhalb der Fenster, wie z. B. Stege oder Profile in den Rahmen oder auch Lamellenvorhänge, von der Schattenberechnung durch die Himmelslichter in den Fenstern ausnehmen lassen. Wenn ein großes Fläche-Licht den gesamten Raum beleuchtet und dabei extrem weiche Schatten wirft, können feine Strukturen zu extrem verzerrten Schattenwürfen führen, die eher wie Störungen in der Beleuchtung wirken. Um dies zu korrigieren, müssten ansonsten oft höhere Sample-Einstellungen für die Schattenberechnung verwendet werden.

Bezüglich der Fensterglas-Objekte macht für diese ein perfektes Glas-Material Sinn, durch dass keine Schatten entstehen können. Die übrigen Bestandteile der Fensterrahmen sollten jedoch Schatten werfen können, selbst wenn die Himmelslichter dies nicht zulassen.

Eventuell soll später ja noch Sonnenlicht in der Raum fallen und dieses sollte realistische Schatten werfen können.

Das Sonnenlicht ergänzen Überprüfen Sie beim Blick durch Ihr Fenster, von wo das Sonnenlicht kommt und wie es um die Bewölkung steht. Nicht immer tritt direktes Sonnenlicht durch ein Fenster ein, z. B. wenn die Sonne gerade auf eine andere Seite des Gebäudes scheint.

Abbildung 4.12: Mit einer parallelen Lichtquelle wird Sonnenlicht in den Raum geschickt.

Erstellen Sie ein warm gefärbtes paralleles Licht (Infinite Light, Directional Light), wie Sie es von der Beleuchtung einer Außenszene gewohnt sind. Wenn Sie kein paralleles Licht verwenden möchten, kann auch ein kugelförmiges oder scheibenförmiges Fläche-Licht gute Arbeit leisten, wenn dieses weit genug von der Szene entfernt platziert wird, damit es ebenfalls nahezu paralleles Licht in den Raum werfen kann. Führen Sie Testberechnungen des Sonnenlichts aus, damit Sie durch Verschiebungen oder Rotationen der Sonnenlichtquelle genau die Bereiche im Raum erfassen, die Sie direkt beleuchten möchten. Die Abbildung 4.12 zeigt Ihnen die Küchenszene, wie diese durch die Beleuchtung der Sonne wirken könnte.

Das Streulicht ergänzen Die Wirkung des Sonnenlichts sollte nicht hart an den dadurch geworfenen Schatten enden. Wie auch bei Außenszenen, sollte zusätzliches Streulicht auch Bereiche außerhalb der direkten Sonnenbeleuchtung erhellen und damit das Licht simulieren, das vom Himmel in unmittelbarer Nähe der Sonnenposition erzeugt wird. Die Abbildung 4.13 demonstriert, was für einen Unterschied das zusätzliche Streulicht der Sonne ausmachen kann.

Abbildung 4.13: Vergleichen Sie die Wirkung nur des Sonnenlichts (links) und die Kombination aus Sonnenlicht und Streulicht (rechts). Das Streulicht erweitert die Sonnenstrahlen durch einen warm glühenden Bereich.

Wenn Sie für das Sonnenlicht eine parallele Lichtquelle verwenden, duplizieren Sie dieses Licht einfach. An dem Duplikat reduzieren Sie die Helligkeit und machen den Schattenwurf noch weicher. Oft wirkt es auch schön, wenn Sie das Streulicht noch gesättigter in der Farbgebung einstellen als die Sonne.

Indirektes Licht ergänzen Wenn das Licht die Oberflächen eines Innenraums trifft, wird dadurch jede hell beleuchtete Oberfläche selbst zu einer Lichtquelle, durch die wiederum andere Objekte mit indirektem Licht erhellt werden. Der Boden, die Wände und natürlich jedes direkt von dem Sonnenlicht getroffene Objekt sollten zur indirekten Beleuchtung der restlichen Szene beitragen.

Globale Illumination verwenden

Das in jedem Fall einfachste und zudem realistischste Verfahren zum Ergänzen indirekter Beleuchtung bei Innenraum-Szenen dürfte die Verwendung von globaler Illumination sein

(oft abgekürzt mit GI). Das Aktivieren von GI bei der Bildberechnung führt dazu, dass die Helligkeit und Farbe jeder Oberfläche zur Beleuchtung umliegender Flächen beiträgt. Dadurch entstehen sehr natürliche Lichtverteilungen, ohne dass wir den Aufwand der Platzierung und Konfiguration zusätzlicher Lichtquellen zur Simulation des indirekten Lichts in Kauf nehmen müssen. Die Abbildung 4.14 macht deutlich, welchen Unterschied die GI-Berechnung ausmacht. Dabei wurden nur Lichtquellen für das Himmelslicht, das Sonnenlicht und das Streulicht der Sonne verwendet. Die GI-Berechnung ergänzt automatisch die Beleuchtung des übrigen Raums.

Abbildung 4.14: Die Beleuchtung durch Sonnen- und Himmelslicht, die durch das Fenster fallen (oben) wird automatisch durch indirekt reflektiertes Licht ergänzt (unten), wenn globale Illumination aktiviert wird.

Abbildung 4.15: Ohne globale Illumination verbleiben in einer nur durch eine Lichtquelle beleuchteten Szene tiefschwarze Schatten.

Das Aktivieren von GI ergänzt nicht einfach nur eine normale Lichtquelle für das diffuse Licht. Vielmehr ändert sich dadurch fundamental etwas daran, wie Beleuchtung in Ihrer Szene funktioniert und von Ihrem Renderer berechnet wird. Stellen Sie sich dazu sich einen Aufbau wie in Abbildung 4.15 vor, bei dem die Szene durch eine einzelne Deckenlampe beleuchtet wird. Ohne GI erscheinen nur die direkt durch die Lampe beleuchteten Oberflächen aufgehellt. Andere Bereiche bleiben schwarz.

Die Abbildung 4.16 zeigt die Szene erneut, diesmal mit GI berechnet. Durch die globale Illumination erhalten Flächen auch durch andere Oberflächen Licht. Eine hell beleuchtete Fläche kann dadurch auch andere Flächen beleuchten, die in einem passenden Winkel liegen. Dadurch werden auch die Schatten in dieser Szene aufgehellt und zusätzlich ausgeleuchtet.

Abbildung 4.16: Die globale Illumination ergänzt die indirekte Beleuchtung, die von den Wänden in die Schatten reflektiert wird und simuliert den Helligkeits- und Farbaustausch zwischen den Objekten.

Ein interessanter Effekt, der über die GI-Berechnung simuliert werden kann, ist die Erzeugung von sekundärer Schattierung, z. B. wenn innerhalb eines Schattens weitere Schatten entstehen. Sehen Sie sich z. B. die drei Kugeln in Abbildung 4.16 an. Ohne die GI-Berechnung lägen alle Kugeln in den Schatten verborgen, die durch die Würfel geworfen werden. Mit GI werden weitere Schattierungen sichtbar, obwohl die Szene noch immer nur eine Lichtquelle enthält. Das indirekte Licht führt nicht nur dazu, dass wir nun die Kugeln sehen können, es kommt auch zu neuen Schattenwürfen, die zwischen den Kugeln und dem Boden zu erkennen sind.

Achten Sie zudem auf die Farben, mit denen die Kugeln schattiert werden. Die linke Kugel erscheint rötlich, da sie Licht von der roten Wand erhält. Die mittlere Kugel wirkt grünlich, da sie zwischen den grünen Würfeln liegt. Die rechte Kugel erhält blaues Licht von der rechten Wand. Diese Eigenschaft von GI, dass das indirekte Licht automatisch die Farbe der Flächen übernimmt an denen es reflektiert wurde, nennt sich Color Bleeding.

Der Bereich der Raumecken, zwischen den Wänden, den Wänden und der Decke oder dem Boden, eignet sich besonders bei Architektur-Renderings zur Überprüfung der GI-Qualität.

Raumecken gehören zu den Bereichen in denen Licht besonders intensiv zwischen angrenzenden Wänden ausgetauscht wird. Das führt zu einer gewissen Kontinuität in den Ecken. Die Farben und Helligkeiten angrenzender Wände sollten weich ineinanderlaufen und eben nicht sprunghaft beim Erreichen der Raumecke wechseln. Die GI-Berechnung kümmert sich automatisch darum und erzeugt einen weichen Übergang, wo sich die Wände treffen. Wenn Sie die gleiche Szene ohne GI beleuchten, müssten Sie beim Abstimmen vieler zusätzliche Lichter einen großen Aufwand betreiben, um eine ähnliche Qualität zu erreichen.

Wir sprechen beim Rendern ohne GI von lokaler Illumination und verwenden den Begriff globale Illumination um zu umschreiben, dass dabei viele andere Oberflächen die Beleuchtung der Szene beeinflussen. Ohne GI wird jede Fläche für sich berechnet. Dabei werden nur die Lichtquellen der Szene berücksichtigt und nicht auch die umliegenden Oberflächen. Mit GI wird immer die gesamte Geometrie der Szene mit einbezogen. Nur so kann eine hell angestrahlte Oberfläche auch Licht auf andere Flächen reflektieren. Dieses Einbeziehen der gesamten Szene-Geometrie rechtfertigt den globalen Begriff dieser Berechnungsmethode.

Das Rendering mit GI ermöglicht es direkten Lichtquellen gleichzeitig auch diffuse Beleuchtung zu erzeugen. Anders ausgedrückt lassen sich durch GI auf indirektem Wege auch Oberflächen aufhellen, die eher matt oder rau sind und nicht glänzend oder gar spiegelnd. Ohne GI können zwar normale Raytracing-Spiegelungen auf spiegelnden Objekten berechnet werden, diese können aber das eintreffende Licht nicht auf eine stumpfe Oberfläche weiterleiten. Nur mit GI erhalten wir einen echten Austausch von Licht auch zwischen nicht spiegelnden Objekten. Nur GI ermöglicht einer hell beleuchteten Oberfläche andere Objekte zu beleuchten, nicht nur als Reflex, sondern wie eine normale Lichtquelle.

Die Eigenschaft, dass indirektes Licht wie eine Lichtquelle wirken kann, hat die GI-Beleuchtung mit Techniken der realen Filmproduktion gemein.

Gerade wenn draußen gearbeitet wird, wo selbst reflektiertes Sonnenlicht noch immer intensiver als eine künstliche Lichtquelle ist, verwenden Beleuchter oft Reflektoren oder reflektierende Folien zum Beleuchten der Szene, anstatt normale Lichter zu setzen. An einem sonnigen Tag können Reflektoren wie in Abbildung 4.17, das gesamte benötigte Aufhelllicht beim Filmen einer Außenszene liefern.

In Kapitel 9 kommen wir auf das Thema GI zurück, um die verschiedenen GI-Verfahren zu erörtern, die von Ihrer Software geboten werden. Obwohl diese Verfahren die Qualität der Bildberechnung steigern und Ihnen als Beleuchtungs-Künstler viele Stunden Arbeit ersparen können, wird dies durch längere Berechnungszeiten pro Bild erkauft. Mit immer leistungsfähigeren Computern und fortschrittlicheren Programmen schwinden aber nach und nach die Gründe dafür, realistische Innenraum-Szenen und Architektur-Visualisierungen ohne GI zu berechnen. Dennoch kann es bei extrem komplexen Szenen, in einem engen Zeitrahmen zu realisierenden Projekten und bei anderen Voraussetzungen, wie dem Rendern von Haar, Fell, Gras und anderer komplexer Vegetation, noch immer sinnvoll sein, ohne GI zu arbeiten. Derartige Elemente lassen sich oft nur schwierig in eine komplette GI-Lösung integrieren.

Abbildung 4.17: Mit Reflektoren wird Licht auf Schauspieler oder Sets zurückgeworfen.

Ohne GI arbeiten

Soll das indirekte Licht ohne den Einsatz von GI simuliert werden, ist das bereits in Kapitel 3 besprochene Occlusion Sandwich ein guter Ansatzpunkt.

Die Abbildung 4.18 zeigt eine Ebene mit Grundbeleuchtung, die von verschiedenfarbigen Lichtern erzeugt wird. Blaues Licht kommt aus der Richtung des Fensters und eine wärmere Lichtfarbe geht von den Bereichen aus, die von dem direkten Sonnenlicht getroffen werden.

Diese Ebene mit der Grundbeleuchtung eignet sich gut für das Ergänzen von abprallendem Licht, da diese Ebene keine Schattenwürfe enthalten muss. Der Occlusion-Pass ergänzt später zusätzliche Schattierung. Sie können daher in dieser Bildebene Fläche-Lichter auch außerhalb der Wände platzieren. Ein blaues Fläche-Licht liegt außerhalb der Wand mit dem Fenster und orangefarbene Fläche-Lichter beleuchten die Szene von den anderen Seiten. Das in den Raum fallende Sonnenlicht löst zusätzliches Licht aus, das in die Szene gestreut wird. Daher wird ein weiteres Fläche-Licht die Beleuchtung ausgehend von diesem Bereich simulieren. Die Abbildung 4.19 zeigt Ihnen diese Fläche-Lichter, die für die Berechnung der Grundbeleuchtung verwendet wurden.

Abbildung 4.18: Die Bildebene der Grundausleuchtung ist recht homogen beleuchtet, verwendet jedoch auch Farbvariationen bei den Lichtern.

Abbildung 4.19: Fläche-Lichter simulieren das durch jede größere Fläche reflektierte Licht der Szene.

Um die Qualität Ihrer Grundausleuchtung zu überprüfen, konzentrieren Sie sich besonders auf die Ecken, wo sich z. B. zwei Wände treffen oder die Wände auf den Boden oder die Decke stoßen. Die Beleuchtung dieser unterschiedlichen Bereiche sollte ähnlich bleiben, ohne größere Sprünge oder Schwankungen zwischen den angrenzenden Flächen. Obwohl leichte Variationen in der Farbgebung und Helligkeit gut sind, sollte die Grundausleuchtung weich und gleichförmig erscheinen, ohne starke Kontraste in der Helligkeit.

Überprüfen Sie die Beleuchtung zudem im Hinblick auf sichtbare Glanzpunkte oder extrem überbelichtete Bereiche in der Szene. Wenn Sie größere Fläche-Lichter mit weit aufgefächerter Lichtabgabe anstatt von winzigen Punkt-Lichtern verwenden, lassen sich dadurch unrealistische Glanzeffekte vermeiden, die z. B. von dem von einer Wand reflektierten Licht nicht zu erwarten sind. Zudem sollte diese Grundausleuchtung der Szene keine schwarzen Bereiche hinterlassen, es sei denn, Sie sind sich absolut sicher, dass der entsprechende Bereich sowieso kein Aufhelllicht oder diffus gestreutes Licht erhalten kann.

Die mittlere Ebene des Occlusion Sandwich enthält die Ambient Occlusion-Berechnung des Raums, so wie es die Abbildung 4.20 zeigt. Beachten Sie, wie dabei die Raumecken leicht abgedunkelt werden und die Bereiche unter Vorsprüngen, wie z. B. unter dem Hängeschrank, viel dunkler werden. Diese Information hilft der Grundbeleuchtung dabei, eher wie globale Illumination zu wirken.

Abbildung 4.20: Der Occlusion-Pass stellt die mittlere Ebene des Occlusion Sandwich dar.

Abbildung 4.21: Der Pass für die Hauptlichter enthält nur das Sonnenlicht und andere direkte Beleuchtungskomponenten.

Wir haben bereits die Beleuchtung erstellt, die für die Ebene der Hauptlichter im Occlusion Sandwich verwendet werden soll. Wir lassen dafür ein Bild berechnen, das die Beleuchtung durch die Sonne, das Streulicht der Sonne und auch die Beleuchtung durch den Himmel enthält, so wie bereits besprochen. Das Ergebnis enthält noch immer sehr dunkle Bereiche, da die GI-Berechnung fehlt, sollte aber wie in Abbildung 4.21 ansonsten eine vollständig beleuchtete Szene zeigen.

Fügen Sie die drei Ebenen in einem Compositing- oder Grafikprogramm zusammen. Starten Sie dabei mit der Ebene der Grundausleuchtung als Basis. Multiplizieren Sie dazu die Ebene mit dem Occlusion-Pass und addieren Sie abschließend die oberste Ebene mit der Hauptbeleuchtung dazu. Die Abbildung 4.22 zeigt diese Anordnung in Photoshop. Das resultierende Ergebnis ist in Abbildung 4.23 zu sehen. Obwohl es nicht exakt dem Rendering mit GI entspricht, so ist es dennoch recht nahe dran und lässt sich zudem viel schneller berechnen.

Abbildung 4.23: Das Ergebnis der Occlusion Sandwich-Methode wirkt ähnlich wie die Berechnung mit globaler Illumination, lässt sich aber in viel kürzerer Rechenzeit realisieren.

Practical Lights Die sogenannten Practical Lights sind Lichtquellen, die auch als tatsächliche 3D-Modelle in Ihrer Szene auftauchen. Im Bereich einer Innenraumszene fallen in diese Kategorie also alle Leuchten und Lampen, aber z. B. auch ein angeschaltetes Fernsehgerät oder andere von Ihnen konstruierte Modelle, die Licht abstrahlen sollen. Bei Außenszenen könnten z. B. Straßenlaternen, Autoscheinwerfer, beleuchtete Schilder oder eine Fassadenbeleuchtung zu den Practical Lights zählen. Bei der Beleuchtungssimulation durch Practical Lights gibt

Abbildung 4.22: Der Aufbau des Occlusion Sandwich, wie es in Photoshop aussieht. Der Ebenenmodus der untersten Grundausleuchtung-Ebene ist Normal. Die Ambient Occlusion-Ebene wird multipliziert und die oberste Ebene der Hauptlichter verwendet Linear abwedeln (Hinzufügen).

es zwei Aspekte zu beachten: Sie müssen das Leuchtmittel und dessen Gehäuse beleuchten (wie z. B. die Glühbirne und deren Reflektor und Abdeckung oder Lampenschirm) und zudem ist auch die Umgebung so zu beleuchten, als würde die Lampen tatsächlich Licht abgeben.

Eine Lichtquelle beleuchten Soll eine Glühbirne beleuchtet werden, platzieren Sie ein Punkt-Licht an der gedachten Position des Glühfadens und belegen die Oberfläche der Glühbirne mit einem lichtdurchlässigen Shader, der bei rückwärtiger Beleuchtung heller wird (z. B. Backlight-Shader).

Wie schon in Kapitel 2 besprochen, ist eine invers quadratische Abnahme für solche Lichtquellen die physikalisch korrekteste Einstellung und sorgt automatisch für eine realistische Helligkeitsabnahme auch auf der Oberfläche.

Anstatt eine Lichtquelle in der Glühbirne zu platzieren könnten Sie deren Oberfläche auch mit einem selbstleuchtenden Material, einem ambienten oder glühenden Effekt belegen (Incandescence Map), wodurch die Oberfläche unabhängig von der Beleuchtung der Szene aufgehellt werden kann. Der Nachteil an der Nutzung solcher selbstleuchtenden Shader zeigt sich, wenn Sie ein anderes Licht zur Überprüfung isoliert rendern möchten. Selbst wenn alle Lichtquellen ausgeschaltet oder verborgen wurden, wird die Oberfläche der Glühbirne noch leuchten. Eine direkt sichtbare und eingeschaltete Glühbirne sollte eine Textur erhalten, die hell im Kernbereich sowie oben und unten dunkler ist, wie in Abbildung 4.24.

Der unmittelbare Nahbereich einer Leuchte benötigt oft zusätzliche Beleuchtung. Eine Birne, die von einem Lampenschirm umgeben ist, erzeugt z. B. abprallendes Licht an der Innenseite des Lampenschirms. Bei der Benutzung von GI könnte der Lampenschirm automatisch einen Teil des Lichts auf die Glühbirne zurückzuwerfen oder aber Sie platzieren zusätzliche Lichter so, dass Licht von außen auf die Glühbirne zurückfällt und simulieren so das indirekte Licht unter dem Lampenschirm.

Wenn Sie eine Lichtquelle innerhalb eines 3D-Modells, wie einer Glühbirne platzieren und das Licht berechnet zusätzlich einen Schattenwurf, dann sollten Sie ggf. über eine Licht-Verknüpfung das Modell der Glühbirne von der Beeinflussung durch das Licht ausnehmen. So kann das Licht ungehindert auf die Umgebung wirken und etwaig berechnete

Abbildung 4.24: Eine nackte Glühbirne kann einen Helligkeitsverlauf zeigen, der in der Mitte am hellsten ist.

Schattenwürfe der Glühbirne führen nicht zu einem Abblocken des eingeschlossenen Lichts.

Die Beleuchtung durch die Practical Lights Nur weil Sie nur eine einzelne Lampe simulieren, bedeutet das nicht, dass Sie dafür auch nur eine Lichtquelle verwenden dürfen. Oft werden durch ein Practical Light ganz verschiedene Lichteffekte in der Szene ausgelöst. Dann können Sie auch verschiedene Lichter für die Simulation all dieser Effekte verwenden. Die Lampe in Abbildung 4.25 lässt z. B. die Umgebung des Lampenschirms leicht Glühen und gleichzeitig werden zwei nach oben und unten ausgerichtete Lichtkegel abgegeben.

Abbildung 4.26: Ein Paar Spot-Lichter ist nach oben ausgerichtet, ein weiteres Paar zielt nach unten, damit ein weicher Rand mit Streulicht um jeden Lichtkegel entsteht.

Sie simulieren dieses Abstrahlverhalten durch ein Punkt-Licht, das durch den Lampenschirm leuchtet und zwei nach oben und unten ausgerichtete Spots mit angepassten Öffnungswinkeln.

Streulicht hinzufügen

Oft ist es nicht genug, ein einzelnes Spot-Licht für die Erzeugung eines Lichtkegels zu benutzen. Normalerweise sehen wir zusätzlich noch einen größeren und dunkleren Lichtkegel um das Hauptlicht herum, also praktisch zusätzliches Streulicht. So benötigen Sie z. B. an einer Tischlampe nicht nur ein Spot-Licht für die nach unten abgegebene Beleuchtung, sondern zusätzlich noch ein zweites Spot-Licht mit größerem Öffnungswinkel und reduzierter Intensität, um das typische Streulicht am Rand des Lichtkegels darzustellen. Die Abbildung 4.26 zeigt Ihnen, wie die Beleuchtung der Abbildung 4.25 entstanden ist. Zwei Spots leuchten nach oben und zwei nach unten. Einer der Spots ist jeweils für den Hauptlichtkegel und der andere für den Streulichtkegel zuständig. Der jeweils größere Spot simuliert dabei das Licht, das im Inneren des Lampenschirms reflektiert wurde und somit nicht auf

geradem Weg von der Glühbirne aus den Lampenschirm verlassen hat.

Größere Bereiche beleuchten

Geht es um die Beleuchtung größerer Bereiche, ist oft die Verwendung einzelner simulierter Glühbirnen innerhalb einer Lampe nicht mehr ausreichend. Stellen Sie sich z. B. vor, ein Kronleuchter hängt in der Mitte des Raums von der Decke. An diesem Kronleuchter sind natürlich mehrere Leuchtmittel z. B. in Form von Glühbirnen vorhanden, es müssen also Practical Lights für alle diese Birnen erstellt werden. Soll die Beleuchtungsintensität dieses Leuchters erhöht werden, kann dies bei den diversen Lichtquellen an diesem Objekt dazu führen, das einzelne intensive Glanzpunkte auf spiegelnden Objekten der Szene sichtbar werden und vor allem, dass mehrere harte Schattenwürfe die gesamte Szene bedecken. Eine bessere Lösung wäre daher, eine einzelne zusätzliche Lichtquelle zu erstellen, die ein weiches Licht stellvertretend für den gesamten Leuchter abgibt. So eine Lichtquelle ist in Abbildung 4.27 oberhalb des Leuchters als kugelförmiges Fläche-Licht zu erkennen.

Sie können Schatten-Verknüpfungen verwenden, damit weder die Decke noch der Leuchter selbst durch dieses Hilfslicht zusätzliche Schatten werfen. Durch diesen Trick wird der Raum mit einem weichen, gleichförmigen Licht ausgeleuchtet, ohne dass es dabei zum unerwünschten Rauschen in den Schatten durch die filigranen Formen des Kronleuchters kommen kann.

Abbildung 4.25: Diese Leuchte wirft ein dumpf glühendes Licht durch den Schirm und erzeugt zusätzlich harte Lichtkegel durch die Öffnungen des Lampenschirms nach oben und unten. Zusätzliche Streulichter weichen diese harten Lichtkegel etwas auf.

Abbildung 4.27: Ein gut gehütetes Geheimnis des Beleuchtungsdesigns ist, dass ein Licht nicht unbedingt in der Position der Practical Lights erzeugt werden muss. In diesem Fall wurde ein kugelförmiges Fläche-Licht oberhalb des Leuchters ergänzt (der rötliche Ball über der Raumdecke), das nun den Großteil der Beleuchtung durch den Kronleuchter übernimmt.

Lichtbilder

Ein Lichtbild (Engl: Throw Pattern) entsteht durch direktes Licht auf beleuchteten Objekten. Sehr charakteristische Lichtbilder sind u. a. bei Taschenlampen und Autoscheinwerfern zu beobachten. In der Regel kommen solche Lichtbilder durch einen Reflektor hinter dem Leuchtmittel oder durch andere Strukturen im Gehäuse einer Lampe zustande, durch die Teile des Lichts abgeblockt oder reflektiert werden. Die Abbildung 4.28 zeigt z. B. das Lichtbild einer Taschenlampe. Beim Vergleich verschiedener Taschenlampen wird Ihnen auffallen, dass dabei nie zwei völlig gleiche Lichtbilder entstehen.

In 3D-Programmen können Lichtbilder mit einer Cookie-Maske oder einer Textur-Map auf der Lichtquelle simuliert werden. Wenn Sie ein Bild wie in Abbildung 4.28 als Cookie auf dem Licht verwenden, simuliert dies nicht nur das Lichtbild einer echten Taschenlampe sondern auch deren Streulicht, ohne ein zusätzliches Licht dafür ergänzen zu müssen. Ebenso lassen sich Lichtbilder erzeugen, wenn die Lichtquelle in einer schattenwerfenden Geometrie platziert wird. Halbtransparente Bereiche an diesen Objekten können zu ähnlichen Effekten wie eine Cookie-Maske führen.

Ein Cookie kann ebenso zur Färbung der äußeren Lichtstrahlen eines Lichtkegels benutzt werden. Bei vielen Spots verfärbt sich das Licht rötlich oder verstärkt seine Sättigung, bevor es den Rand des Lichtkegels erreicht. Ein Cookie mit rötlichem Rand könnte dies simulieren und dadurch den Rand des Spots noch weicher und das Lichtbild insgesamt natürlicher erscheinen lassen.

Möchten Sie nur die äußeren Spot-Lichtstrahlen umfärben, könnten Sie sogar ganz auf individuell gemalte Texturen verzichten und z. B. einen kreisförmigen Farbverauf als Cookie verwenden (Procedural Ramp oder Gradient).

Immer wenn Sie einen Spot verwenden und dadurch nur ein einfacher Lichtkreis sichtbar wird, überlegen Sie kurz, ob dort nicht ein angepasstes Lichtbild natürlicher wirken könnte.

Nachtszenen Die Beleuchtung einer Nachtszene kann mit bereits bekannten Techniken erfolgen. Natürliches Mond- und Himmelslicht lassen sich ähnlich wie Tageslicht erstellen. Practical Lights, z. B. für Fassadenbeleuchtungen und Autoscheinwerfer gehören zu den wichtigsten Lichtern einer Nachtszene.

Mondlicht kann wie Sonnenlicht simuliert werden, ist jedoch noch viel schwächer, z. B. als das Licht einer Straßenlaterne. Erst bei Szenen außerhalb von Städten wird das Mondlicht wichtiger für die nächtliche Szenenbeleuchtung. Mondlicht wird oft gelblich gefärbt, wenn die Szenenbeleuchtung hauptsächlich durch den Himmel und den Mond erfolgt. Wird Mondlicht nur ergänzend z. B. zum Licht der Straßenlaternen verwendet, erscheint es eher bläulich.

Normalerweise erzeugt der Nachthimmel ein sehr weiches, bläuliches Licht. Wie auch beim Mondlicht ist das nächtliche Himmelslicht eher schwach. In Städten und bei Innenraumvisualisierungen kann daher oft ganz auf Mond- und Himmelslicht verzichtet und die Szene ausschließlich über Practical Lights beleuchtet werden. Selbst wenn in einer Nachtszene Licht durch ein Fenster in einen Raum fällt, wird dies wahrscheinlich eher das Licht einer Laterne oder eines Autoscheinwerfers, als das Mond- oder Himmelslicht sein.

Nachtszenen sollten nicht unterbelichtet, sondern kontraststark erscheinen. Trotz der Dominanz von Schatten sollten Sie versuchen, die Dunkelheit durch Glanzpunkte, gezielt platzierte Streiflichter und kleine Lichtinseln aufzubrechen. Ihnen ist vielleicht schon

Abbildung 4.28: Dies ist das Lichtbild einer Taschenlampe. Wenn Sie ein Bild wie dieses als Cookie verwenden, lassen sich damit sowohl die Färbung, die sichtbare Struktur und auch das Streulicht mit nur einer einzelnen Lichtquelle simulieren.

aufgefallen, dass bei Nachtszenen in Spielfilmen oft ein feuchter Asphalt zu sehen ist, als hätte es kurz vorher noch geregnet. Dieser Trick wird selbst an ansonsten eher trockenen Drehorten, wie Las Vegas verwendet. Filmteams suchen immer nach Optionen, zusätzliche Reflexionen und Lichtschimmer in den Nachtszenen mit einzufangen. Seitdem herausgefunden wurde, dass ein Feuchtigkeitsfilm auf den Straßen eine hervorragende Möglichkeit ist, um die Lichter der Stadt zusätzlich zu spiegeln und seitdem klar ist, dass mehr Glanz und Reflexe Nachtszenen optisch attraktiver machen, kommt dieser kleine Trick sehr häufig zum Einsatz, selbst wenn diese Trickserei eigentlich nicht immer zum Drehort passt.

Immer wenn eine Oberfläche in Ihrer Szene spiegelnde Eigenschaften haben könnte, nutzen Sie dies aus, um mehr Kontrast und interessante Reflexe zu ergänzen. Wie in Abbildung 4.29 zu erkennen, habe ich am Ende der Gasse noch eine zweite Lichtquelle ergänzt, die ausschließlich Glanz erzeugt. Dieses Licht lasse ich über eine Licht-Verknüpfung nur auf die Straße wirken, damit dort interessante Reflexe entstehen, ohne dass die übrige Szene zusätzlich beleuchtet wird. Ein weiteres Licht lasse ich nur auf die Kabel an der linken Seite wirken. Dadurch entstehen dort intensivere Kontraste und Strukturen, die eine ansonsten ja eher dunkle Szene interessanter machen.

Abbildung 4.29: Diese Nachtszene nutzt einen feucht wirkenden Boden, um die vorhandenen Lichtquellen besser spiegeln zu können.

Entfernung und Tiefe

Sie können den Raum durch die Beleuchtung unterteilen und Größenordnungen von Entfernungen verdeutlichen. Statt alle Elemente einer natürlichen Umgebung einheitlich zu beleuchten, können Sie die natürlich vorhandenen Variationen der Farben und Schattierungen in Ihrer Szene herausarbeiten.

Den Raum aufteilen Viele Szenen zeigen den Blick durch eine Tür oder ein Treppenhaus, um mehr als einen einzelnen Raum, einen Bereich oder Gang eines Gebäudes einzufangen. Jeder dieser Bereiche kann eine eigene Beleuchtung verwenden. Hat der eine Raum ein Fenster, durch das Sonnenlicht eintritt und ein anderer Raum wir nur durch eine Steh- oder Deckenlampe beleuchtet, so erwarten wir im Raum mit dem Fenster eine intensive Beleuchtung mit bläulichen Lichtern im Gegensatz zu dem künstlich beleuchteten Raum, der dunkler und mit wärmeren Farben beleuchtet wird (siehe Abbildung 4.30).

Sogar innerhalb des gleichen Raums können die Ecken anderes Licht als die Mitte des Raums erhalten, oder aber es kann einen Farb- und Helligkeitsverlauf zwischen dem direkt an ein Fenster angrenzenden Bereich und weiter vom Fenster entfernten Flächen geben.

Wenn Sie es schaffen, eine Trennung zwischen direkt durch die Sonne beleuchteten Bereichen und solchen, die im Zwielicht liegen zu erzeugen, ist das ebenfalls ein gutes Mittel um die Szene zu strukturieren. Besonders in Innenräumen können Bereiche bewusst im Sonnenlicht oder im Schatten liegen. Oft ist es so, dass eine zwischen Sonne und Zwielicht unterteilte Szene automatisch den durch die Sonne beleuchteten Objekten mehr Gewicht verleiht. Aber das muss nicht immer so sein.

Abbildung 4.30: Die Farben der Lichtquellen im Vordergrund wurden mit gedämpften und wärmeren Farbwerten gemischt. Dies hilft bei der Trennung der dargestellten Räume in dieser Szene.

Es ist ebenso möglich, ein zentral platziertes Objekt vollständig im Schatten zu belassen und durch einen durch Sonnenlicht hell überstrahlten Hintergrund hervorzuheben. Es ist daher egal, wo das Hauptelement der Szene positioniert wird. Der Kontrast zwischen diesem Objekt und seinem Hintergrund führt zu der Hervorhebung.

Sogar kleine Unterschiede, wie z. B. etwas anders eingestellte Jalousien und Lamellenvorhänge vor den Fenstern oder unterschiedlich gefärbte Vorhänge oder Wände können zu einer unterschiedlichen Beleuchtung in benachbarten Räumen führen. Obwohl sich das Licht natürlich durch geöffnete Türen, Fenster oder Flure in der Szene verbreiten kann, wird von diesem Licht immer nur ein kleiner Teil des Raums erfasst. Dort, wo Sie die Szene in verschiedene Zonen aufteilen, besteht immer die Möglichkeit, die Beleuchtung zu variieren.

Die Tiefenwirkung durch Beleuchtung herausarbeiten Immer wenn Sie eine größere Szene beleuchten, sollten Sie sich eine Strategie überlegen, wie Sie die Tiefe des Raums vor der Kamera verdeutlichen können. Da bieten sich verschiedene Techniken an: Sie können den Vordergrund heller als den Hintergrund beleuchten oder einen hellen Hintergrund mit einem dunklen Vordergrund kombinieren. Ebenso sind Wechsel von Hell zu Dunkel und wieder zu Hell möglich oder aber Sie arbeiten mit verschiedenen Farben entlang der Tiefe des Raums. Je nach Art des dargestellten Raums funktionieren diese Techniken unterschiedlich gut. In jedem Fall ist zu bedenken, dass Sie über ein zweidimensionales Bild die tatsächliche Tiefe der dreidimensionalen Szene verdeutlichen müssen. Der Betrachter sollte also problemlos erkennen können, welche Elemente näher und welche weiter entfernt sind.

Die Abbildung 4.31 zeigt dazu einen einfachen Ansatz. Der Vordergrund ist gesättigt und hell, mit wärmeren Farben und der Hintergrund verwendet dunklere und bläuliche Farben. Dabei wird selbst der Hintergrund erneut in zusätzliche Bereiche aufgeteilt. Obwohl dort generell dunkle und entsättigte blaue Farben vorherrschen, wird der mittlere Gang zusätzlich von oben durch einen Ventilator beleuchtet. Zudem werden im hintersten Teil wieder blau beleuchtete Schalttafeln sichtbar.

Abbildung 4.31: Die Tiefe des Raums kann durch einen hellen Vordergrund und einen dunkleren Hintergrund sowie durch weitere Variationen in der Beleuchtung strukturiert werden. Bei dieser Szene handelt es sich um die Lighting Challenge Nummer 18 von Juan Carlos Silva.

Immer wenn im Hintergrund andere Farben als im Vordergrund verwendet werden oder im Hintergrund ein helleres Licht sichtbar ist, können Sie zusätzlich über die Ergänzung eines Streiflichts nachdenken, das die Silhouette der Objekte im Vordergrund noch stärker vom Hintergrund trennt. Etwas Glanz oder ein Streiflicht-Effekt, welche die Farben von intensiven Lichtquellen aus dem Hintergrund aufgreifen, können dabei helfen, eine Verbindung zwischen dem Vorder- und dem Hintergrund zu schaffen. Im Beispiel der Abbildung 4.31 hilft z. B. das blaue Streiflicht am Rücken des Roboters dabei, dessen Form stärker von dem dunklen Hintergrund zu trennen.

Bei echten Filmaufnahmen handelt es sich bei der Kamera natürlich um ein massives Objekt, das auch Schatten wirft, ganz anders als in unserer 3D-Szene. Aus diesem Grund werden Objekte in Filmen oft etwas dunkler, wenn sie sehr nahe an der Kamera liegen.

Wird z. B. eine Tür geöffnet oder geschlossen, wirkt die Tür oft sehr dunkel, wenn Teile davon während der Bewegung nahe an der Kamera vorbeikommen. Auch wenn z. B. ein Ball in Richtung der Kamera fliegt, wird dieser immer dunkler, wenn er in unmittelbarer Nähe der Kamera ankommt. Dies könnte an einer echten Kamera korrigiert werden, indem z. B. ein Ringlicht um das Objektiv gelegt wird, das gezielt auf Objekte im Nahbereich wirkt. Bei den meisten Filmen ist jedoch der beschriebene Effekt zu beobachten, dass sehr nahe Objekte dunkler oder gar zu Silhouetten werden.

Eine Atmosphäre simulieren Die Atmosphäre spielt eine sichtbare Rolle bei vielen Szenen, indem dadurch die Färbung und Wahrnehmung weiter entfernt platzierter Elemente verändert wird. Immer wenn es Ihnen sinnvoll erscheint, sollten Sie eine Atmosphäre simulieren, um für mehr Variationen in der Tiefe des Raums zu sorgen.

Staub ist ein Element der Atmosphäre bei vielen Außenszenen, kann aber auch in der Luft eines Raums, wie z. B. in einem Stall oder einem alten Gebäude sichtbar sein.

Jeder Raum, der Rauch enthält, kann sehr von einer simulierten Atmosphäre profitieren. Dazu gehören der Ruß brennender Fackeln und Kerzen, aber auch der Qualm einer Zigarette oder von Räucherwerk.

Besonders Unterwasserszenen benötigen eine Atmosphäre, die Objekte färbt und entsättigt sowie dafür sorgt, dass entferntere Objekte schlechter zu erkennen sind.

Nahezu jede Außenszene, bei der ein Gelände bis zum Horizont eingesehen werden kann, zeigt atmosphärische Effekte, durch die entfernte Elemente bläulich und entsättigt erscheinen, wie in Abbildung 4.32.

Viele Wetterbedingungen führen zu einer sichtbaren Atmosphäre. Bei Regen zählen dazu die Tropfen selbst, aber auch damit einhergehender Dunst oder Nebel. Auch mit Schnee gefüllte Luft führt dazu, dass weiter entfernte Objekte weißer erscheinen.

Sogar im ansonsten leeren Weltall können atmospärische Elemente, wie z. B. Raketenabgase sichtbar werden.

Abbildung 4.32: Jeder Berg im Hintergrund dieses Fotos zeigt eine hellere, bläuliche Farbe, was an der Tiefenwirkung der natürlichen Atmosphäre liegt.

Aktuelle Programme bieten oft ein Füllhorn verschiedener Optionen, um Ihrer Szene eine Atmosphäre hinzuzufügen. Eine einfache, aber auch begrenzte Funktion erlaubt z. B. die Darstellung von sichtbarem Licht bzw. Nebel an einer Lichtquelle. Das eignet sich für die einfache Simulation eines sichtbaren Lichtkegels, wie von einem Lichtstrahl, der durch ein Fenster fällt. Dies kann jedoch auch künstlich wirken, denn normalerweise würde der Nebel oder Staub den gesamten Raum füllen, müsste also sowohl innerhalb des Lichtstrahls, als auch in den schattierten Bereichen vorkommen. Wenn Sie also einzelne Lichtquellen mit sichtbaren Nebel-Effekten versehen, sollten Sie auch über das Hinzufügen einer generellen Atmosphäre für den gesamten Raum nachdenken.

Eine effizientere Möglichkeit der Erzeugung glaubhafter Atmosphären für die gesamte Szene wird ausführlich in Kapitel 11 behandelt. Wenn Sie Ihrem Rendering einen zusätzlichen Pass für die Tiefe hinzufügen (Depth Pass), können Sie diese Information in einer separaten Compositing-Software auswerten, um jedes Objekt in Abhängigkeit seiner Entfernung von der Kamera individuell zu färben, entsättigen und weich zu zeichnen. Dieses Verfahren kommt der natürlichen Veränderung von Objekten in der Entfernung gleich, kann jedoch nicht korrekt auf die Lichtquellen wirken.

Damit eine Atmosphäre auch realistisch auf die Beleuchtung wirkt, können z. B. volumetrische Nebel-Shader verwendet werden, die von vielen Programmen angeboten werden. Dadurch werden helle Lichtstrahlen auch tatsächlich als Lichtbündel in der Luft sichtbar. Volumetrischer Nebel simuliert Schwebeteilchen in der Luft (oder auch im Wasser), mit denen die Lichtstrahlen realistisch interagieren können. Es entstehen sichtbare Lichtbündel die deutlich machen, wo sich das Licht durch den Raum bewegt und wo das Licht von Elementen abgeblockt wird. Die Abbildung 4.33 zeigt z. B. am linken Fenster sichtbare Lichtstrahlen. Volumetrischer Nebel verlängert zwar fühlbar die

Berechnungszeit, kann jedoch auch viel realistischer wirken, als was über die Auswertung des Tiefe-Kanals im Compositing möglich ist.

Schließlich kann auch die Konfiguration einer Partikelsimulation innerhalb Ihrer Szene eine Atmosphäre erzeugen, vor allem da sich damit auch Rauch oder Staub simulieren lässt, der durch Wind oder die Bewegung einer Figur in Bewegung gerät. Wenn Sie einen staubigen Schuppen mithilfe eines Partikelsystems mit umherfliegenden Staubpartikeln füllen, kann dies die Tiefenwirkung und den Realismus des Raums erheblich steigern. Zudem lässt sich dadurch auch das Entsättigen und Ausblenden weiter entfernter Objekte realisieren.

Abbildung 4.33: Volumetrischer Nebel macht Lichtstrahlen in der Luft sichtbar, die durch die gefärbten Fenster fallen. Diese Szene gehört zur Lighting Challenge Nummer 8 und wurde von Dan Wade modelliert. Das Szenenkonzept stammt von Gary Tonge.

Beim Rendern kann auch die Scharfstellung einer Kamera simuliert werden (Depth Of Field bzw. DOF). Atmospäreneffekte und die Tiefenwirkung lassen sich dadurch noch steigern, da sich über Schärfe und Unschärfe Bereiche zusätzlich optisch voneinander trennen lassen. DOF sollte in diesen Fällen bereits bei Testberechnungen aktiviert werden, denn atmosphärische Effekte und die Schärfentiefe beeinflussen sich gegenseitig.

Unterwasser Wasser kann wie eine dichte Atmosphäre wirken. Daher greifen erneut die bereits bekannten Techniken und Optionen, die eine Luft-Atmosphäre simulieren können.

Wissenschaftler verwenden für Wasser oft die Kategorie als Participating Media (frei übersetzt: eingreifendes Medium) und beschreiben damit, wie sich Gase, Flüssigkeiten oder Partikel im Raum verteilen und mit Licht interagieren.

Eine Unterwasser-Szene können Sie fast wie eine Überwasser-Szene aufsetzen. In flachen Teichen oder Pools kann auch etwas Himmelslicht wirken, das jedoch bei größerer Wassertiefe an Bedeutung verliert. Ein aufwärts gerichtetes Licht kann am Teichboden reflektiertes Licht simulieren. Die Abbildung 4.34 zeigt die Basisbeleuchtung einer Unterwasser-Szene, die noch wie über Wasser wirkt.“

Von unten betrachtet wirkt die Wasseroberfläche wie ein welliger Spiegel. Selbst mit realistischen Transparenz- und Spiegelung-Einstellungen (Brechungswert bzw. Index Of Refraction oder kurz IOR von 0,75) wird diese Fläche noch stark spiegeln. Nur in einem kleinen Bereich über uns (Snell’s Fenster) können wir die Umgebung über dem Wasser sehen.

Das Sonnenlicht sollte im Wasser gesprenkelt erscheinen, so als würden die Lichtstrahlen von den Wasserwellen unterschiedlich stark gebündelt (Caustics). Obwohl sich dieser Effekt auch physikalisch korrekt berechnen lässt, sparen Sie Berechnungszeit, wenn Sie einfach einen entsprechenden Cookie für die Sonnenlichtquelle verwenden. Soll das Sonnenlicht nur unterhalb der Wasseroberfläche gesprenkelt erscheinen, können Sie auch eine einfache Ebene parallel zur Wasseroberfläche platzieren und mit einer Transparenzmaske für das caustische Muster versehen. Diese Ebene sollte Schatten werfen, aber im Rendering nicht sichtbar sein.

Abbildung 4.34: Eine Unterwasserszene ohne Atmosphäre und ohne Wasseroberfläche wirkt trocken und wie in der Luft schwebend. Diese Szene stammt aus der Lighting Challenge Nummer 5 und wurde von Serguei Kalentchouk modelliert.

Die Abbildung 4.35 zeigt die Szene nun mit gesprenkeltem Hauptlicht und einer Wasserfläche. Trotzdem fehlt noch etwas: die Atmosphäre. Diese könnte mit einem Volumen Nebel-Shader auf einem Würfel simuliert werden, der den Raum unter der Wasserfläche einschließt (siehe Abbildung 4.36). Die Farbe des Nebels (Streufarbe bzw. Scatter Color) muss dabei hell genug sein, dass Lichtbündel im Nebel sichtbar werden können. Zudem sollte der Nebel das Licht so dämpfen, dass weiter entfernte Elemente natürlich ausgeblendet werden. Zum Überprüfen der Einstellungen sollten Sie die Renderauflösung und die Qualitätseinstellungen des Renderers und des Nebels reduzieren. Aufhelllichter und indirektes Licht können für Testberechnungen ebenfalls ausgeschaltet bleiben, um die Wirkung des Hautlichts im Nebel isoliert begutachten zu können. Sind Sie mit der Farbstimmung und den Helligkeitsverläufen der Szene zufrieden, können Sie für Testberechnungen wieder bessere Qualitätseinstellungen aktivieren.

Viele weitere Effekte können zusätzlich ergänzt werden. Manchmal können Sie Partikel verwenden, um Dreck und Schwebteilchen im Wasser zu simulieren oder Sie ergänzen Luftblasen, die nach oben steigen.

Abbildung 4.35: Das Hinzufügen einer spiegelnden Wasserfläche und von gesprenkeltem Licht verstärkt die Wirkung der Szene. Dennoch fehlt noch eine wichtige Komponente.

Abbildung 4.36: Das Ergänzen einer Atmosphäre (bzw. von Participating Media) lässt die Szene tatsächlich wie Unterwasser wirken.

Manchmal lassen sich auch kleine Steinchen oder z. B. Pflanzenreste durch einfache Polygone mit Transparenz-Maps simulieren, um damit zusätzliche organische Komponenten in der Szene zu verteilen. In einem Teich sollten Sie kein kristallklares Wasser simulieren.

Auch über das Compositing können weitere hilfreiche Effekte erzeugt werden, wie z. B. eine Weichzeichnung entsprechend der Tiefenmap oder das Weichzeichnen von Bildteilen, die teilweise durch Luftblasen oder Partikel verdeckt werden. Auch die Verwendung von Schärfentiefe hilft beim Weichzeichnen des Bildhintergrunds und macht das Ergebnis realistisch, wie in Abbildung 4.37 zu sehen.

Abbildung 4.37: Die Bildberechnung mit simulierter Schärfentiefe vervollständigt den Unterwasser-Effekt.

Übungen Es gibt keinen Mangel an interessanten Umgebungsszenen, die beleuchtet werden sollten und an unterschiedlichen Herangehensweisen, wie diese beleuchtet werden könnten. In diesem Kapitel habe ich bereits einige der Lighting Challenges-Szenen als Beispiele verwendet. Mit vielen dieser Szenen können Sie sowohl die Beleuchtung einer Außenszene als auch von Innenraumszenen üben. Versuchen Sie Referenzbilder zu finden, die einen ähnlichen Innenraum oder eine ähnliche Außenszene zu der gewünschten Tageszeit abbilden und vergleichen Sie die Beleuchtung Ihrer 3D-Szenen mit diesen Bildern.

1. Zwischen 1888 und 1891 malte Claude Monet einen Heuhaufen nach dem anderen. Er befasste sich immer und immer wieder mit dem gleichen Objekt, zu verschiedenen Tageszeiten und zu verschiedenen Jahreszeiten. Jedes Mal fing er andere Farben und eine andere Lichtstimmung ein. Wenn Sie auf der Suche nach Übungen sind, um sich zu verbessern und Ihr Portfolio zu erweitern, scheuen Sie sich nicht, die gleiche Szene mehrmals zu beleuchten. Stellen Sie sich die Aufgabe, die Szene bei Nacht, am frühen Morgen oder an einem nebligen Tag einzufangen und setzen Sie dabei jeweils neue Beleuchtungen.

2. Ambient Occlusion ist nicht veraltet. Einige Leute sind bereits so an GI gewöhnt, dass für sie die Ambient Occlusion bereits altmodisch erscheint. Tatsächlich gibt es jedoch viele Situationen, in denen eine schnelle Berechnungsmethode benötigt wird, schneller als es mit GI möglich ist. Wenn Sie noch nie mit der von mir Occlusion Sandwich genannten Methode gearbeitet haben, versuchen Sie es und schauen Sie selbst, ob Ihnen diese Art zu Arbeiten gefällt.

3. Volumetrischer Nebel (auch Volume Shader oder Environment Fog genannt) ist oft hilfreich, aber bei vielen Renderern nicht einfach zu konfigurieren. Wenn Sie es in Ihrer Software noch nie ausprobiert haben, versuchen Sie eine Szene mit Nebel oder Dunst zu füllen und dabei mit Lichtern interagieren zu lassen.

[KAPITEL FÜNF]

Kreaturen, Figuren und Animationen beleuchten Eine gute Beleuchtung kann eine Animation ebenso unterstützen, wie unterlegte Musik oder Soundeffekte. Wenn die ersten Keyframes für eine Figur gesetzt werden, fehlen in diesen Animationstest sowohl die Lichter als auch die Töne. Wenn der Soundtrack abgemischt ist, unterstützen Soundeffekte jede Bewegung, z. B. mit einem Pfeifen in der Luft oder einem dumpfen Auftrittsgeräusch, das synchron zur Animation zu hören ist. Genau so kann eine gute Figurbeleuchtung den Character glaubhafter machen. Schatten und Occlusion erzeugen ein Gefühl für festen Kontakt, wenn der Fuß auf den Boden aufsetzt. Die

Modellierung mit Licht macht die Formen der Figur erst sichtbar und integriert die Figur in die Umgebung, damit diese tatsächlich so wirkt, also würde sie mit dem Raum der Szene interagieren.

Wie Musik, so hilft auch das Licht dabei, eine Stimmung und einen emotionalen Kontext für die Szene zu schaffen. Die Szene kann dadurch eine Vorahnung der Handlung erzeugen, feindselig und gruselig oder auch fröhlich, sonnig und heiter wirken. Ob Sie dem Auge einen Schimmer hinzufügen, wenn der Darsteller an etwas denkt, den Schuppen der Schlange ein Glitzern verleihen, wenn sich diese an der Kamera vorbeischlängelt oder das Profil einer tanzenden Figur hervorheben, Sie erzeugen die Illusion, dass wir es mit einem lebendigen Wesen zu tun haben.

Mit Licht modellieren Unter dem Modellieren mit Licht versteht man das Herausarbeiten einer Objektform durch die Beleuchtung. Dadurch kann ein Betrachter des 2D-Renderings die 3D-Formen besser begreifen.

Reale Objekte erhalten Licht aus verschiedenen Richtungen, woraus sich Schattierungsverläufe auf den Oberflächen ergeben. Sie sollten die Modelle daher nicht flach ausleuchten, sondern Verläufe erzeugen, durch die die Krümmungen der Oberflächen hervorgehoben werden. Die Abbildung 5.1 zeigt solche Verläufe gelb umrahmt z. B. an den Beinen, dem Kopf und dem Körper eines Nilpferds. Der Kopf erscheint hell oberhalb der Nase und reduziert seine Helligkeit in Richtung des Unterkiefers. Das Bein zeigt seine

dunkelste Tönung dort, wo es der Unterseite des Köpers zugeneigt ist. Von dort aus gesehen wird es in dem frontal sichtbaren Abschnitt heller und nimmt an der Außenseite wieder an Helligkeit ab. Entlang des Körpers führen die zahlreichen Falten und unterschiedlichen Hauteigenschaften zu mehreren Wechseln in der Helligkeit. Die Bandbreite dieser Helligkeitsverläufe vermittelt ein Gefühl für die Welligkeiten dieser Formen.

Richtungen andeuten Ein Schlüsselelement der Ausleuchtung einer Form ergibt sich aus der Richtwirkung des Lichts (Directionality), also aus Hinweisen darauf, aus welcher Richtung das Licht kommt. Schauen Sie sich z. B. die Abbildung 5.2 an. An der Helligkeitsverteilung im Gesicht lässt sich dort klar ablesen, dass das Licht hauptsächlich von links kommt. Die linke Gesichtshälfte erscheint heller, was zu Verläufen führt, die auf der rechten Gesichtshälfte dunkler werden.

Abbildung 5.1: Die wichtigsten Helligkeitsverläufe, durch die die 3D-Form definiert wird, sind in gelben Rechtecken eingerahmt worden.

Abbildung 5.2: Licht besitzt eine Richtungskomponente. In diesem Fall kommt die intensivste Beleuchtung von der linken Seite.

Abbildung 5.3: Es wirkt unnatürlich, wenn durch das Licht eine optische Teilung des Gesichts in zwei Hälften erfolgt.

Obwohl es generell gut ist, Objekte über eine helle und eine dunkle Seite zu definieren, wirkt es unnatürlich, ein Objekt durch die Helligkeitsunterschiede exakt mittig zu teilen. Die Abbildung 5.3 zeigt so einen Fall, bei dem der sogenannte Terminator die Form exakt halbiert. Der Terminator ist generell die Grenzlinie zwischen der sichtbaren Beleuchtung

und dem Übergang zu unbeleuchteten Bereichen. Wird dieser Terminator mittig angelegt, erscheint eine langweilige senkrechte Linie, die die Rundungen der Form nicht wiedergeben kann.

Der mittlere Teil der Helligkeitsverläufe, die auf der Form z. B. einer 3D-Figur entstehen, ist der sogenannte Kern (Engl.: Core) der Helligkeitsverläufe. Dieser Kernbereich der Verläufe gibt uns Informationen z. B. darüber, ob das Licht eher von vorne oder von hinten kommt. Ein dunkler Kern mit hellen Rändern sagt uns, dass die Figur von hinten beleuchtet wird (siehe Abbildung 5.4). Obwohl die Figur so wirkt, als wären die stärksten Lichter auf ihrer Rückseite platziert worden, sind dennoch weitere Helligkeitsverläufe zu erkennen, die von den hellen Rändern aus weiter über das Gesicht laufen.

Abbildung 5.4: Die Schattierung mit einem dunklen Kernbereich und hellen Rändern lässt eine Figur von hinten beleuchtet erscheinen.

Definition ergänzen Während der Darstellung einer Bewegung oder auch in einem Standbild müssen Sie sich entscheiden, welche Teile einer Figur die meiste Definition benötigen. Je nachdem, was in der Animation passiert oder welche Details für die Geschichte wichtig sind, sollten die entsprechenden Elemente der Figur mit Licht hervorgehoben werden.

Geht es um die Beleuchtung eines Gesichts, stellen Sie sich dieses aus verschiedenen Ebenen zusammengesetzt vor. Der Kopf wird dabei durch große, einfache und flache

Ebenen nachgebildet, die für die Hauptrichtungen der Oberflächen stehen (siehe Abbildung 5.5). Damit die Formen eines Gesichts gut hervortreten und definiert erscheinen können, müssen seine wichtigsten Ebenen durch die Beleuchtung verschiedene Schattierungsverläufe erhalten. Farb- oder Helligkeitsveränderungen sollten überall dort sichtbar werden, wo sich die Gesichtsebenen treffen. Zum Beispiel sollten der Nasenrücken, die Seiten der Nase und der Bereich um die Nasenlöcher jeweils individuelle Helligkeiten aufweisen. Die Abbildung 5.5 zeigt rechts, wie durch unterschiedliche Helligkeiten angrenzender Gesichtsebenen das Gesicht definiert werden kann.

Abbildung 5.5: Einige ausgewählte Ebenen des Gesichts (links) zeigen Kontraste, die bei der Definition der Kopfform durch Licht helfen (rechts).

Nicht immer sind Außenkonturen gut zu sehen. Trägt ein Schauspieler z. B. eine schwarze Hose und steht vor einem dunklen Schrank, können die Konturen der Beine undeutlich werden. Sind dabei jedoch Hemd und Gesicht gut sichtbar, kann das dem Publikum bereits reichen, um die Figur zu erkennen.

Ein Regisseur kann der Meinung sein, dass die gesamte Figur erkennbar sein muss, um eine bestimmte Aktion zu verdeutlichen, denn oft wird die gesamte Figur animiert um eine Aktion vorwegzunehmen oder Bewegungsübergänge fließender zu gestalten (Fachbegriffe: Anticipation und Follow Through). Häufig werden auch dynamische Kurven in Figurposen animiert, die über die Lichtschattierung herausgearbeitet werden müssen. Selbst wenn die Abschattung einzelner Körperteile künstlerisch interessanter wirken könnte, bevorzugen es Regisseure oft, dem Publikum die gesamte Form und seine Bewegung zu zeigen.

Kurze Animationseinstellungen zwingen ebenfalls zu einer deutlicheren Darstellung der Formen, denn dem Publikum bleibt dann nur wenig Zeit, die Szene und deren Handlung zu erfassen. Wenn Sie an einer Einstellung arbeiten, die später noch stark gekürzt und rasant geschnitten wird, müssen Sie daher umso härter daran arbeiten, dass alles klar zu sehen ist und ausreichend starke Kontraste aufweist. Aus dem gleichen Grund müssen Sie sich

besonders bei schnell animierten Figuren viel Mühe bei der Beleuchtung geben, damit die Figur in allen Bewegungsphasen gut zu erkennen ist.

Trennt sich eine Figur dabei nicht klar genug vom Hintergrund, gibt es dafür folgende Lösungen:

Dunkeln Sie den Hintergrund der Figur z. B. durch eine reduzierte Lichtintensität, die Neuausrichtung eines Schattens, das Verschieben einer Requisite (Engl.: Prop) oder das Anpassen eines Shaders ab.

Ist der Randbereich einer Figur dunkel, versuchen Sie den Bereich dahinter durch Licht aufzuhellen. Manchmal kann auch eine simulierte Atmosphäre (z. B. Nebel) eingesetzt werden, um weiter entfernte Objekte optisch vom Nahbereich der Einstellung zu trennen.

Ergänzen Sie ein Randlicht (Rim Light), um die Silhouette der Figur mit einem Lichtrand hervorzuheben und die Figur dadurch zusätzlich vom Hintergrund abzugrenzen. Wir kommen darauf etwas später in diesem Kapitel noch zurück.

Leuchten Sie die Figur stärker aus. Selbst wenn dadurch nur ein Teil der Figur von einem Lichtstrahl aufgehellt wird, hebt sich dadurch die Figur besser von einer dunklen Umgebung ab.

Selbst in einer dunklen und schummerig beleuchteten Szene müssen Sie Wege finden, die Figur vom Hintergrund abzuheben. Wird ein Teil der Figur beleuchtet, können seine dunkleren Bereiche in die Dunkelheit des Hintergrunds übergehen, so wie es ganz links in Abbildung 5.6 zu sehen ist. Wie in der Mitte der Abbildung zu erkennen ist, hilft eine Beleuchtung der Umgebung hinter dem Kopf dabei, auch die nach wie vor dunklen Bereiche am Mund und der Stirn im Profil sichtbar zu machen. Die rechte Seite der Abbildung 5.6 zeigt einen weiteren Ansatz. Dort wurde ein Randlicht hinzugefügt, durch das ebenfalls eine Hervorhebung des Profils möglich ist.

Abbildung 5.6: Links hat die Figur zum Hintergrund zu wenig Kontrast, Stirn und Mund sind kaum sichtbar. Ein weiteres Licht im Hintergrund behebt das Problem und macht die Gesichtskontur sichtbar (Mitte). Auch ein Randlicht (rechts) kann die Silhouette sichtbar machen.

Dreipunkt-Beleuchtung Ein Basiskonzept der Figurbeleuchtung nennt sich Dreipunkt-Beleuchtung, entstammt der klassischen Filmkunst und kann die Modellierung mit Licht vereinfachen. Varianten dieses Beleuchtungsschemas lassen sich ebenso für kleine Requisiten, wie für Filmstars benutzen. Der Begriff „Punkt“ in Dreipunkt-Beleuchtung steht für die verschiedenen Aufgaben von Licht in einer 3D-Szene, die wir nachfolgend besprechen werden. Lassen Sie uns jedoch zuvor die klassische Nutzung dieses Beleuchtungsprinzip bei Foto- und Filmaufnahmen betrachten:

Das Hauptlicht (Key Light) ist für die Hauptbeleuchtung eines Motivs verantwortlich und gibt dabei die Hauptrichtung des Lichteinfalls vor. Dieses Licht ist in der Regel heller als alle übrigen Beleuchtungseffekte an dem Motiv und ist für die intensivsten und deutlichsten Schattenwürfe verantwortlich.

Das Aufhelllicht (Fill Light) erweitert die Beleuchtung durch das Hauptlicht und weicht dessen Beleuchtung auf. Dadurch werden zusätzliche Abschnitte des Motivs sichtbar. Dieses Licht kann zudem indirektes und abprallendes Licht simulieren oder für Nebenlichtquellen in der Szene verwendet werden.

Das Randlicht (Rim Light) erzeugt eine Grenzlinie (Defining Edge), um ein Objekt stärker vom Hintergrund zu trennen. Das Randlicht kann Haare zum Strahlen bringen und eine Lichtkante an der Silhouette ergänzen, wo die Objektform auf die Darstellung des Hintergrunds stößt. Rein grafisch betrachtet fügt ein Randlicht oft nur eine helle, sehr dünne Linie oben oder an der Seite z. B. einer Figur hinzu.

Die Abbildung 5.7 zeigt so eine Dreipunkt-Beleuchtung im Einsatz, um ein typisches Portrait zu erstellen. Links wird die Dame nur vom Hauptlicht beleuchtet. Dadurch wird bereits ein Großteil des Gesichts beleuchtet und wir könnten das Motiv bereits jetzt als ausreichend beleuchtet ansehen. Dennoch verbleiben Bereiche, die schwarz und unbeleuchtet erscheinen. In der Mitte der Abbildung 5.7 wurde ein Aufhelllicht ergänzt, dessen Intensität ungefähr der Hälfte des Hauptlichts entspricht. Zudem kommt dieses Licht diesmal von rechts und beleuchtet daher Bereiche, die von dem Hauptlicht nicht erreicht werden. Die rechte Einblendung in Abbildung 5.7 zeigt das zusätzliche Randlicht,

das die Dame von hinten beleuchtet und dadurch eine Hervorhebung der Silhouette an Kopf und Schulter bewirkt.

Das Randlicht hilft durch die Nachzeichnung der Konturen bei der Trennung der Figur gegenüber dem dunklen Hintergrund. Selbst wenn ihr schwarzes Haar vor einem schwarzen Hintergrund fotografiert worden wäre, hätte das Randlicht die Form, Textur und die Details der Frisur noch herausarbeiten können. Die Abbildung 5.8 zeigt schließlich, wie die verschiedenen Lichter dieser Szene angeordnet wurden. Große 2000 Watt Lichter werden als Hauptlicht und als Randlicht verwendet. Das Aufhelllicht hat nur 1000 Watt. Die vor dem Haupt- und dem Aufhelllicht angebrachten Schirme weichen die Beleuchtung und die Schattenwürfe durch eine Streuung des Lichts auf.

Abbildung 5.7: Diese Fotos zeigen den Effekt eines Hauptlichts (links), das Hauplicht mit einem ergänzten Aufhelllicht (Mitte) und schließlich ein zusätzlich ergänztes Randlicht (rechts).

Abbildung 5.8: Die Person wird mithilfe einer Dreipunkt-Beleuchtung in Szene gesetzt.

Variationen umsetzen Das klassische Dreipunkt-Schema kann flexibel verändert und angepasst werden. Die Abbildung 5.9 zeigt z. B. was passiert, wenn das Hauptlicht und das Randlicht von derselben Seite kommen. Die Kontraste verstärken sich, die Lichtrichtung tritt noch eindeutiger hervor und die Gesamtwirkung des Fotos erinnert an eine durch die Sonne beleuchtet Aufnahme. Der Helligkeitsunterschied zwischen dem Hauptlicht (Key) und dem Aufhelllicht (Fill) wird auch Key-to-Fill-Verhältnis genannt. Ist das Hauptlicht doppelt so intensiv wie das Aufhelllicht, ergibt sich also ein Key-to-Fill-Verhältnis von 2 : 1. Ein Verhältnis von 2 : 1 erzeugt eine helle, gleichförmige Ausleuchtung ohne starke Kontraste.

Bei dramatischen Filmszenen werden die Schauspieler natürlich nicht so gleichmäßig wie ein Nachrichtensprecher ausgeleuchtet. Ein höheres Keyto-Fill-Verhältnis von 5 : 1 oder gar 10 : 1 erzeugt einen stärkeren Kontrast in der Aufnahme. Einige Bereiche des Motivs mögen dadurch zu dunkel bleiben, um klar erkennbar zu sein, das kann aber durchaus gestalterisch genutzt werden. Die Abbildung 5.10 zeigt so eine Szene, die mit einem Key-to-Fill-Verhältnis von 10 : 1 beleuchtet wurde. Dort wurden Haupt- und Randlicht hinter der Person platziert. Die Anordnung mit dem Hauptlicht hinter dem Objekt wird auch Upstage Key genannt. In dieser Aufnahme wurde nur ein kleines Aufhelllicht verwendet und etwas Licht wurde auf natürlichem Weg auch auf Nacken und Kinn reflektiert. Das ist zwar eine eher unübliche Art der Dreipunkt-Ausleuchtung, dennoch sind alle Elemente enthalten, Hauptlicht, Aufhelllicht und Randlicht.

Abbildung 5.9: Haupt- und Randlicht können auch von der gleichen Seite kommen.

Abbildung 5.10: Kommt das Hauptlicht von hinten (Upstage Key) ergibt sich mit dem Randlicht ein dunkler Kernbereich in den Verläufen.

Routine vermeiden Jede Szene hat ihre Besonderheiten. Die Benutzung einer Dreipunkt-Beleuchtung entlässt Sie nicht aus der Pflicht, sich Gedanken darüber zu machen, woher das Licht in der jeweiligen Szene kommen soll. Auch die Lichter der Dreipunkt-Beleuchtung müssen natürlich mit der Beleuchtung der umliegenden Szene korrespondieren und dürfen nicht losgelöst davon platziert werden.

Wichtig ist, dass die Dreipunkt-Beleuchtung kein Standardrezept oder ein Automatismus für die Beleuchtung ist. Vielmehr steht dahinter die Idee, dass jedes Licht in der Szene einem bestimmten Zweck dient. Die Darstellungen eines Hauptlichts, von Aufhelllicht oder von Randlicht gehören zu visuellen Funktionen, die Licht in Ihrer Szene übernehmen kann. Weitere Funktionen von Licht werden auf den folgenden Seiten erörtert. Als Beleuchter sollten Sie sicher sein, was jedes zusätzliche Licht an Ihrem Motiv bewirkt und Sie sollten diese Funktion in der Szene beschreiben und den jeweiligen Typ des Lichts benennen können.

Funktionen des Lichts Im vorherigen Abschnitt wurden drei visuelle Funktionen vorgestellt, die Licht erfüllen kann. Es gibt jedoch noch mehr als diese. In diesem Abschnitt erforschen wir daher die weiteren Funktionen von Licht und sehen uns an, wie diese in Computergrafiken simuliert werden können:

Hauptlicht (Key)

Aufhelllicht (Fill)

Reflektiertes Licht (Bounce)

Streulicht (Spill)

Randlicht (Rim)

Streiflicht (Kick)

Glanzlicht (Specular)

Um diese Funktionen übernehmen zu können, müssen Lichtquellen relativ zur Kamera platziert werden. Platzieren Sie daher zuerst Ihre Kamera und wählen Sie die gewünschte Bildkomposition bevor Sie die Lichter setzen. Wenn Sie nachträglich noch Veränderungen an der Kameraperspektive vernehmen, muss die Beleuchtung entsprechend angepasst werden.

Jedes Studio hat eigene Vorgaben, wie Lichter zu benennen sind. Oft ist der erste Teil des Namens die Funktion dieses Lichts oder ein davon abgeleiteter Begriff. Wenn Sie Lichter z. B. wie Key_Sonne_aufDrachen oder Fill_Himmel_aufDrachen nennen, kann jeder, der einen Blick auf Ihre Szene wirft, sofort die visuelle Funktion jeder Lichtquelle verstehen.

Hauptlicht (Key Light) Wie schon erwähnt, ist das Hauptlicht in der Regel das hellste Licht in der Szene und gibt somit die Hauptrichtung des Lichteinfalls und der Schattenwürfe vor. Die Festlegung auf den Einfallswinkel dieses Licht gehört daher zu den wichtigsten Entscheidungen die beim Beleuchten eines Objekts zu treffen sind.

Um gleich vorweg zu demonstrieren, was Sie vermeiden sollten, werfen Sie einen Blick auf die linke Hälfte der Abbildung 5.11. Wie dort zu sehen, erhalten wir durch ein zu nah an der Kamera platziertes Hauptlicht eine eher flache Ausleuchtung, die kaum Details der Formen hervorhebt. Rotieren Sie das Hauptlicht mindestens 30° von der Kamera fort, um dem Gesicht mehr Details zu entlocken (siehe rechts in Abbildung 5.11). Lassen Sie sich nicht davon irritieren, dass nun einige Bereiche des Gesichts vollständig dunkel bleiben. Ein zusätzliches Aufhelllicht kann diese Stellen später aufhellen. Konzentrieren Sie sich vielmehr auf die verschiedenen Ebenen des Gesichts, die viel besser durch Schattierungen voneinander getrennt werden können, wenn das Licht nicht aus der Blickrichtung des Betrachters kommt.

Abbildung 5.11: Ein frontales Hauptlicht lässt das Motiv flach wirken (links). Wird das Hauptlicht seitlich platziert, zeigt das Gesicht viel mehr Details und wird besser definiert (rechts).

Die Abbildung 5.12 zeigt Ihnen den Winkel zwischen der Kamera und dem Hauptlicht, so wie es in Abbildung 5.11 verwendet wurde. Dabei kann das Hauptlicht sowohl links als auch rechts von der Kamera liegen, je nachdem welche Lichtrichtung besser zu der Szene passt. In jedem Fall sollten die Blickrichtung der Kamera und die Lichtrichtung des Hauptlichts unterschiedlich sein. Einer der Gründe, warum geblitzte Fotos von Kleinbildkameras oder Handys nicht so gut aussehen können, wie Aufnahmen unter freiem Himmel, ist der direkt neben oder über dem Objektiv befestigte Blitz, der dadurch wie ein frontales Hauptlicht wirkt. Wenn so ein Blitz die Hauptbeleuchtung des Gesichts darstellt, wird das Gesicht dadurch flächig ausgeleuchtet.

In den Abbildungen 5.11 und 5.12 wurde das Hauptlicht gegenüber der Kamera um 51° verdreht platziert. Dass ein Hauptlicht auch die Augen beleuchtet und mit Glanz versieht ist schön, aber kein Muss. Manchmal soll eine Figur noch seitlicher beleuchtet werden. Sie können dann später immer noch separate Lichter für die Beleuchtung der Augen ergänzen. Ein anderes Kriterium für die Platzierung des Hauptlichts ist der dadurch an der Nase geworfene Schatten. Sehen Sie sich diesen Schatten in Abbildung 5.13 an. Dort sehen Sie, dass dieser bis zum Mundwinkel reicht. Generell gilt, dass ein derart in Richtung Mundwinkel laufender Schatten natürlicher wirkt, als wenn der Schatten seitlich über die Wange verläuft.

Wir sind es gewohnt, dass Menschen eher von oben beleuchtet werden, daher wird es auch als natürlicher empfunden, wenn Licht eher von oberhalb kommt. Licht von unten kann ein Gesicht unnatürlich oder gruselig wirken lassen, wie in Abbildung 5.14. Die gruselige

Abbildung 5.12: In der Ansicht von oben auf die Szene, sollte das Hauptlicht aus einer anderen Richtung kommen als aus der Blickrichtung der Kamera.

Wirkung verstärkt sich, wenn harte Schatten nach oben über das Gesicht geworfen werden. Ein weiches, von unten eintreffendes Licht muss jedoch nicht immer gruselig wirken. Wenn es mit der Beleuchtung durch andere Lichter kombiniert wird, kann es sogar sehr hübsch wirken, z. B. wenn das weiche Licht einer Kerzenflamme von einem Tisch vor der Figur simuliert wird oder wenn dadurch das vom Boden reflektierte Sonnenlicht dargestellt wird.

Abbildung 5.13: Wenn die Nase einen sichtbaren Schattenwurf erzeugt, sollte dieser in Richtung des Mundes verlaufen.

Abbildung 5.14: Licht von unten kann eine gruselige Stimmung erzeugen.

Abbildung 5.15: Sehr steiles Licht kann zur Schattenbildung im Bereich der Augen führen.

Aber auch die Platzierung des Hauptlicht direkt über der Figur kann zu Problemen führen, die unter dem Begriff Raccoon Eyes (übersetzt: Waschbär-Augen) bekannt sind. Die Augenhöhlen liegen dabei durch die Abschattung der Stirn vollständig im Schatten (siehe Abbildung 5.15). Obwohl sich dieser Effekt durch zusätzliche Fülllichter beheben ließe, ist die Verwendung einer etwas flacheren Lichtrichtung sicherlich gängiger.

Wenn Sie im Bereich der Computergrafik arbeiten, werden Sie im Laufe der Zeit auch eine große Bandbreite an stilisierten menschlichen oder tierischen Figuren beleuchten müssen, die sehr verschiedene Gesichtsformen haben können. Oft besteht dabei Ihre Aufgabe darin, diese Wesen so zu beleuchten, als würde es sich um normale menschliche Proportionen handeln. Eine Figur mit tiefliegenden Augen oder riesigen, buschigen Augenbrauen würde normalerweise unter Raccoon Eyes, also der Schattenbildung im Bereich der Augen leiden. Ihr Job ist es jedoch, das Hauptlicht so zu konfigurieren, dass die Augen wieder sichtbar werden oder zusätzliche Lichter zu verwenden, um die Augen auszuleuchten. In einem anderen Fall muss das Hauptlicht vielleicht noch seitlicher rotiert werden, damit selbst auf einem flachen Gesicht noch Verläufe entstehen können, welche die Richtung des einfallenden Lichts deutlicher machen. Es kann aber auch nötig sein, das Hauptlicht zentraler vor dem Gesicht zu platzieren, wenn die Figur z. B. eine lange Schnauze und seitlich liegenden Augen hat, damit beide Kopfhälften noch beleuchtet werden können.

Handelt es sich um eine Animation, erstellen Sie für das Hauptlicht mehrere Testberechnungen zu verschiedenen Animationsphasen, damit Sie sicher sein können, dass Sie mit der Beleuchtung der wichtigsten Schlüsselposen der Animation zufrieden sind. Dabei ist es eine gute Idee, alle übrigen Lichtquellen auszuschalten und auch keine globale Illumination zu verwenden, damit Sie schneller rendern und die Wirkung des Hauptlichts isoliert begutachten können. Stellen Sie sicher, dass Sie mit der Beleuchtung und den Schatten des Hauptlichts zufrieden sind, bevor Sie andere Lichter ergänzen.

Aufhelllicht (Fill Light) Aufhelllichter erweitern die Beleuchtung des Hauptlichts und machen die bislang unbeleuchteten Bereiche der Figur sichtbar. Wird ein Hauptlicht z. B. durch die Sonne oder eine Deckenleuchte ausgelöst, entspricht das Fülllicht oft der Simulation von kleineren Lichtern, indirektem Licht oder dem Himmelslicht. Wenn Sie bereits ein Hauptlicht für die Beleuchtung und die Schattenwürfe auf Ihrer Figur erstellt haben, können Sie diese Lichtquelle einfach duplizieren. So lässt sich ein Aufhelllicht am schnellsten erzeugen. Ändern Sie die Benennung dieser Lichtquellen-Kopie, damit es nicht zu Verwechslungen kommen kann und rotieren Sie diese Lichtquelle dann so um die Figur, dass das Fülllicht aus der gewünschten Richtung kommt.

Hier einige Unterscheidungsmerkmale von Aufhell- und Hauptlicht:

Reduzieren Sie die Helligkeit des Aufhelllichts auf weniger als die Hälfte der Hauptlicht-Intensität.

Verändern Sie die Färbung des Aufhelllichts gegenüber dem Hauptlicht. Eine Komplementärfarbe (z. B. ein blaues Aufhelllicht und ein gelbes Hauptlicht) verstärkt die Hervorhebung der verschiedenen Formen zusätzlich.

Generell sollten die Schatten des Aufhelllichts viel weicher als die des Hauptlichts sein.

Ein anderer Ansatz für die Erzeugung eines Aufhelllichts wäre die Nutzung eines Himmels- oder Kuppel-Lichts (Dome-Light). Wenn Sie dies ausprobieren möchten, stellen Sie dennoch sicher, dass auch dieses Aufhelllicht aus einer erkennbaren Richtung kommt und nicht einfach alle Seiten der Figur einheitlich ausleuchtet. Sie könnten dies z. B. durch die Zuweisung eines Helligkeitsverlaufs auf dem Kuppel-Licht erreichen oder einfache Objekte verwenden, durch die Teile des Kuppel-Lichts abgeblockt werden.

Ihr erstes Aufhelllicht zielt normalerweise auf die Bereiche, die im Schatten des Hauptlichts liegen. Wenn Sie auf unsere Testberechnung des Hauptlichts auf der linken Seite von Abbildung 5.16 blicken, sind diese dunklen Bereiche deutlich zu erkennen. Die rechte Hälfte der Abbildung zeigt das Ergebnis nach dem Hinzufügen eines Aufhelllichts. Die Schattierungen werden dadurch um die gesamte Figur fortgeführt.

Abbildung 5.16: Das Hauptlicht lässt noch viele Bereiche der Figur im Dunkeln (links). Durch das zusätzliche Aufhelllicht wird die gesamte Figur beleuchtet.

Damit das Aufhelllicht besonders die Bereiche beleuchtet, die nicht durch das Hauptlicht erreicht werden, platzieren Sie das Aufhelllicht auf einer dem Hauptlicht gegenüber liegenden Position (siehe Abbildung 5.17). Oft liegen Aufhelllichter etwas tiefer als das Hauptlicht. Kommt das Hauptlicht von schräg oben, könnte das Aufhelllicht auf Augenhöhe der Figur oder eventuell noch etwas tiefer platziert werden. Eventuell werden Sie mehrere Aufhelllichter verwenden müssen, um die Figur gleichmäßig auszuleuchten. Dabei sollten sich die Helligkeiten der Aufhelllichter aber nicht derart addieren, dass diese mit dem Hauptlicht konkurrieren, denn dadurch würden sich der Kontrast und die Schattierungsdetails reduzieren. Sehr niedrige Key-to-Fill-Verhältnisse, wie 2 : 1 oder noch weniger, lassen die Figur wie an einem bedeckten Tag oder wie in einem durch Neonröhren beleuchteten Raum wirken.

Abbildung 5.17: Von oben betrachtet, wird durch das Aufhelllicht die dem Hauptlicht gegenüber liegende Seite beleuchtet.

Neben den Aufhelllichtern, die die gesamte Figur erfassen, können Sie auch über Licht-Verknüpfungen gezielt nur einzelne Bereiche beleuchten. Wenn z. B. die Zähne Ihrer Figur zu sehr im Schatten liegen und dadurch zu dunkel und gelblich im Vergleich zum Augenweiß wirken, benutzen Sie einfach ein gedämpftes, bläuliches Licht, das ausschließlich das Zahlfleisch und die Zähne erhellt.

Reflektiertes Licht (Bounce Light) Das reflektierte bzw. indirekte Licht für eine Figur hat im Prinzip die gleiche Funktion wie bei der Beleuchtung einer Szene. Wir haben darüber bereits in Kapitel 4 gesprochen. Das abprallende Licht kann als eine Unterart der Aufhelllichter betrachtet werden. Der einzige Unterschied besteht darin, dass reflektiertes Licht eben nur das von anderen Oberflächen reflektierte Licht darstellen soll und nicht das Licht anderer, eigenständiger Lichtquellen. Enthält Ihre Szene bereits reflektiertes (indirektes) Licht oder verwenden Sie globale Illumination, sollten Sie Ihre Figur mit den aktivierten indirekten Lichtern oder einer aktiven GI berechnen lassen, um das Ergebnis zu beurteilen.

Erinnern Sie sich daran, dass mit GI alle Oberflächen Licht reflektieren, nicht nur der Boden. Es entsteht dadurch zusätzliches Aufhelllicht aus allen möglichen Richtungen. Reflektiertes, indirektes Licht kann als eine Art Aufhelllicht betrachtet werden, daher werden Sie wahrscheinlich weniger Aufhelllichter und indirekte Lichter verwenden müssen, wenn Sie mit GI rendern.

Bei der Beleuchtung einer Figur müssen Sie besonders auf die verschiedenen indirekten Lichtquellen achtgeben, damit diese ordentliche Schatten erzeugen oder automatisch durch die Ambient Occlusion abgedunkelt werden, damit z. B. das Innere des Munds und die Nasenlöcher nicht zu hell beleuchtet erscheinen. Sind die Schattenwürfe des reflektierten Lichts aus Ihrer Szene zu ungenau, sollten Sie diese Lichtquellen von der Wirkung auf Ihre Figur ausschließen lassen und eigene indirekte Lichtquellen mit der Figur verknüpfen.

Indirektes Licht sollte generell keinen Glanz erzeugen, besonders wenn eine Punkt- oder Spot-Lichtquelle dafür verwendet wird. Niemand wird glauben, dass ein kleiner Glanzpunkt am unteren Rand des Augapfels durch das weich vom Fußboden reflektierte indirekte Licht ausgelöst wird. Die Farbe des vom Boden reflektierten Lichts ist von seiner Farbe und Beleuchtung abhängig. Überprüfen Sie dennoch, wie derart gefärbte Lichter auf Ihrer Figur wirken. Ist die Figur bereits stark gefärbt, stellen Sie sicher, dass dadurch das eintreffende indirekte Licht nicht zu stark abgedunkelt wird. Gesättigt grünes, reflektiertes Licht auf einem roten Kleid oder auf roten Lippen, wird z. B. nicht viel zu der Beleuchtung beitragen können.

Um eine Figur lebendiger wirken zu lassen, kann deren indirektes Licht etwas wärmer als in der übrigen Szene gewählt werden. Dies simuliert das in der Haut gestreute Licht, wie es

auch die Abbildung 5.18 zeigt. Dort wurde unterhalb des Gesichts ein warmes, indirektes Licht platziert.

Das Licht kann manchmal auch zwischen den verschiedenen Figuren reflektiert werden. Das ist besonders zu beobachten, wenn sich Figuren im direkten Sonnenlicht bewegen und intensiv gefärbt sind. Bei solchen Szenen sollten Sie jeder Figur eine eigene, nicht zu helle Lichtquelle für das reflektierte Licht zuweisen und dieses per Licht-Verknüpfung an die Figuren hängen. Natürlich werden derartige Effekte automatisch berücksichtigt, wenn Sie mit GI rechnen lassen, aber auch bei einer Berechnung ohne GI kann ein manuell ergänztes Licht, mit dem z. B. die Farbe der Kleidungen zwischen den Figuren ausgetauscht wird, das i-Tüpfelchen auf dem Ergebnis ein.

Abbildung 5.18: Reflektiertes, indirektes Licht hat eine große Wirkung. Ohne dieses Licht erscheinen die Unterseite der Nase und das Kinn fast schwarz (links). Mit dem hinzugefügten indirekten Licht wirkt die Figur lebendiger und natürlicher beleuchtet (rechts).

Streulicht (Spill Light) Das Streulicht bei der Beleuchtung einer Figur ist im Prinzip eine dunklere und weichere Version des Hauptlichts. Es bestehen dabei Parallelen zum Aufhelllicht, nur dass ein Streulicht aus der gleichen Richtung wie das Hauptlicht kommt und speziell dem Hauptlicht helfen soll, dieses Licht noch etwas weiter zu streuen und damit weitere Details der Form herauszuarbeiten.

Manchmal kann das Streulicht exakt von der Position des Hauptlichts kommen, denn wenn dafür ein größeres Fläche-Licht und weiche Schattenwürfe verwendet werden, lassen sich automatisch neue Bereiche an der Figur beleuchten. Wird durch das Hauptlicht jedoch nur eine Seite der Figur beleuchtet oder wenn das Hauptlicht aus dem Hintergrund heraus die Figur beleuchtet und dabei das Gesicht im Dunkeln lässt, sollte das Streulicht mehr auf die

Vorderseite der Figur rotiert werden, damit neue Abschnitte damit beleuchtet werden können.

Die Abbildung 5.19 zeigt, was das für einen Unterschied ausmachen kann. Ein Streulicht erweitert dort das Hauptlicht und enthüllt neue Formen des von hinten beleuchteten Charakters. In diesem Beispiel entspricht das Hauptlicht nur etwas mehr als einem Streiflicht. Das kann auch in einigen Phasen einer Einstellung passieren, wenn sich z. B. eine Figur von einem Hauptlicht wegdreht oder das Hauptlicht der Szene eben klar hinter der Figur platziert sein muss. Das Hinzufügen von Streulicht erfasst nicht das gesamte Gesicht, es werden also weiterhin Aufhelllichter und indirekte Lichter benötig, die aus anderen Richtungen beleuchten. Dennoch erweitert das Streulicht die Beleuchtung des Hauptlichts und macht dadurch zusätzliche Details sichtbar.

Abbildung 5.19: Ohne ein Streulicht erreicht zu wenig Hauptlicht das Gesicht (links). Mit einem Streulicht wird der Bereich des Hauptlichts erweitert und zusätzliche Bereiche im Gesicht werden beleuchtet (rechts).

Es gibt zahlreiche mögliche Auslöser für reales Streulicht. Es könnte sich dabei z. B. um Hauptlicht handeln, das von einer nahen Wand zurückprallt und so eine indirekte Komponente des Hauptlichts darstellt. Wenn es sich bei dem Hauptlicht um die Sonne handelt, könnten der helle Himmelsbereich um die Sonne herum oder eine Wolke, die sich vor die Sonne geschoben hat eine Quelle des Streulichts sein. Sie sollten aber nicht nur unter solchen Lichtverhältnissen an Streulicht denken, sondern auch wenn das Hauptlicht allein nicht für die gewünschte Ausleuchtung der Figur sorgen kann. Das Streulicht sollte dann genutzt werden, um die Beleuchtung durch das Hauptlicht zu verbreitern und mehr des Gesichts sichtbar zu machen.

Randlicht (Rim Light) Randlichter sollen helle Linien erzeugen, die am Rand bzw. der Silhouette der Form entlanglaufen. Diese Art Licht hat seinen Ursprung in der Schwarz-Weiß-Fotografie und der

klassischen Filmkunst. Die obere Hälfte der Abbildung 5.20 zeigt, wie ähnlich die Graustufen im Vorder- und Hintergrund einer Schwarz-Weiß-Aufnahme wirken können (links oben) und wie durch ein Randlicht der Vordergrund stärker vom Hintergrund separiert werden kann (rechts oben). Die untere Hälfte der Abbildung 5.20 macht aber auch deutlich, dass dies ebenso hilfreich bei einer Farbdarstellung sein kann, um das Motiv knackiger zu machen. Es gibt viele Anwendungsfälle für Randlichter in Computergrafik-Produktionen:

Die optische Trennung einer Figur vom Hintergrund.

Die Verstärkung der Hauptlichtrichtung, indem auf der Seite des Hauptlichts zusätzlich noch ein Randlicht ergänzt wird.

Um den Eindruck zu verstärken, dass eine Figur von hinten beleuchtet wird. Dazu werden Randlichter auf beiden Seiten der Figur platziert.

Um die Aufmerksamkeit des Betrachters auf eine bestimmte Figur oder Aktion zu lenken, die Ihnen wichtig ist.

Um die Integration mit einem Foto oder hinterlegtem Filmmaterial zu verbessern (Live-Action Background Plate). Dies liegt daran, dass viele Kameraleute es lieben, bei tiefstehender Sonne zu filmen oder wenn Schauspieler von hinten beleuchtet werden.

Abbildung 5.20: In der rechten Spalte wurden Randlichter ergänzt. Diese sind besonders bei Schwarz-Weiß-Aufnahmen hilfreich, können aber auch farbige Bilder noch knackiger wirken lassen.

Die Abbildung 5.21 zeigt Ihnen eine Figur, die nur von zwei Randlichtern beleuchtet wird, die links und rechts hinter der Figur liegen. Grafisch betrachtet führen diese Lichter nur zu einer Hervorhebung der Umrisse des Körpers und der Haare. Aus unbekannten Gründen scheinen die Randlichter zu den am wenigsten verstanden Lichtern zu gehören. Besonders in Arbeiten von Anfängern sehe ich manchmal Lichter, die die gesamte Bandbreite zwischen Hauptlichtern, Aufhelllichtern und Streiflichtern abdecken und dennoch als Randlicht benannt sind. Beachten Sie, wie wenig tatsächlich von der Frau in Abbildung 5.21 beleuchtet wird. Was Sie dort sehen ist, was jeder von einem Licht erwarten würde, das sich Randlicht nennt. Nur Umrisslinien ohne eine Beleuchtung der Front werden sichtbar.

Um ein Randlicht richtig zu platzieren, stellen Sie es zuerst exakt gegenüber der Kameraposition auf die Rückseite des zu beleuchtenden Objekts. Verschieben Sie dieses Licht dann seitlich, bis die Lichtquelle selbst in der Kameraansicht zu sehen ist. Der Blick durch die bereits konfigurierte Kamera ist dabei entscheidend. Versuchen Sie es erst gar nicht, die Positionen der Randlichter z. B. in der Ansicht von oben oder von der Seite zu setzen. Es ist zwar in Ordnung, eine andere Ansicht zu verwenden, um ein Randlicht grob in Blickrichtung der Kamera auf der Rückseite des Objekts zu platzieren. Sie müssen jedoch durch die Kamera schauen, um das Licht korrekt zu positionieren.

Die Lage der Lichtquellen in der Kameraansicht legt fest, wo der Randlicht-Effekt an der Figur erscheinen wird. Die Abbildung 5.22 zeigt Ihnen die beiden auf den Kopf ausgerichteten Randlichter. Erscheint das Symbol der Randlichtquelle auf der rechten Seite der Kameraansicht, wird dadurch auch die rechte Seite der Figur eine Randbeleuchtung erhalten. Eine aus Sicht der Kamera über dem Kopf platzierte Randlichtquelle wird die Oberseite des Kopfs mit einer beleuchteten Silhouette versehen.

Beim Blick durch die Kamera können Randlichter sogar neben einzelnen Gliedmaßen oder Teilen des Kopfs oder der Schultern platziert werden. Ein Randlicht kann an jedem beliebigen Teil des Körpers erzeugt werden.

Randlichter müssen Schatten berechnen, damit z. B. die Mundhöhle nicht beleuchtet wird. Beim Beleuchten mehrerer Figuren müssen oft individuelle Randlichter benutzt werden, die durch Licht-Verknüpfungen nur auf eine der Figuren leuchten. Dabei müssen diese Lichter manchmal auch durch andere Objekte der Szene hindurchleuchten.

Für schmale Randlicht-Effekte bewegen Sie die Lichtquelle in der Kamera-Ansicht näher an die Figur heran. Entsprechend führt eine Verschiebung in Richtung des Bildrand zu einer breiteren Randbeleuchtung. Für extreme Effekte kann auch eine Platzierung außerhalb der Kameraansicht nötig werden. Vermeiden Sie jedoch ein zu breites Randlicht, das ansonsten wie ein Streiflicht wirkt.

Da Sie die Anpassung der Randlichter in der aktuellen Ansicht der Kamera vornehmen, müssen Sie die Platzierung dieser Lichter und deren Effekt in den verschiedenen Einstellung einer Animation laufend überprüfen. Eine vorgegeben Position des Randlichts

Abbildung 5.21: Die Frau wird ausschließlich von zwei Randlichtern beleuchtet. Wie nicht anders von einem Randlicht zu erwarten, werden dadurch nur die Ränder der Formen beleuchtet.

Abbildung 5.22: Es ist nötig, die Randlichter beim Blick durch die Render-Kamera zu platzieren. Nur in dieser Ansicht lässt sich die Lage und Dicke der Randbeleuchtung durch exakte Platzierung der Randlichter anpassen.

innerhalb der übrigen Lichtanordnung kann ein Kompromiss sein, um seinen eigentlichen Zweck zu erfüllen muss es jedoch aus Sicht der Kamera immer hinter dem Objekt liegen.

Verschiedene Oberflächen und Shader reagieren unterschiedlich auf ein Randlicht. Sehr raue oder behaarte Flächen fangen mehr Licht ein, glatte oder feste Flächen brauchen dagegen ein breiter angelegtes Randlicht, damit es auch dort sichtbar wird. Der Effekt eines Randlichts wird auch von den Haaren oder dem Fell einer Figur aufgefangen und erscheint dort breiter als z. B. auf der Haut der Figur. Besonders fordernd kann das Hinzufügen von Randlichtern auf polierten und stark spiegelnden Flächen sein, denn diese reagieren kaum auf diffuse Beleuchtungseffekte und mehr auf spiegelnde Reflexe. Manchmal benötigen Sie dann ein großes Fläche-Licht, um solchen Bereichen dennoch einen Randlicht-Effekt zuzuweisen. In einigen Fällen können Sie auch Shader benutzen, um die Reaktion einer Oberfläche auf ein Randlicht zu verbessern. Dazu verstärken Sie die diffusen Eigenschaften bei stark reflektierenden Materialien oder Sie verwenden einen Fresnel-Effekt, mit dessen Hilfe Sie die Ränder einer Oberfläche stärker auf Licht reagieren lassen als die senkrecht zur Kamera liegenden Flächen.

Abbildung 5.23: Ein Streiflicht kann viel breiter als ein Randlicht sein, beleuchtet aber dennoch nur einen schmalen Teil der Figur und nicht das gesamte Gesicht.

Streiflicht (Kick Light) Das Streiflicht ist dem Randlicht sehr ähnlich, reicht jedoch weiter um die Form herum und beleuchtet dabei auch eine Seite der Form. Die Abbildung 5.23 zeigt eine Figur, die ausschließlich von zwei Streiflichtern beleuchtet wird. Ein Streiflicht erzeugt also nicht nur

eine dünne Linie, sondern beleuchtet auch Teile der Oberfläche, so dass die Textur und Art der Oberfläche innerhalb des Streiflichts erkannt werden können. Normalerweise entstehen dabei Variationen innerhalb des Streiflichts. Die hellsten Bereiche liegen an der Umrisslinie der Form und schwächen sich von dort aus in Richtung der Objektmitte ab.

Die Abbildung 5.24 zeigt mögliche Positionen für Streiflichtquellen. Streiflichter liegen noch seitlicher als Randlichter, die eher hinter der Figur positioniert werden.

Streiflichter wirken oft ähnlich wie Randlichter, fallen aber in der Regel stärker ins Auge. Randlichter werden oft künstlich hinzugefügt, als stilistisches Hilfsmittel, obwohl vielleicht gar keine Lichtquellen in der

Szene vorhanden sind, die dieses Licht erzeugen könnten. Streiflichter hingegen werden sparsamer verwendet, nur wenn z. B. tatsächlich seitlich der Figur eine Lichtquelle in der Szene vorhanden ist, die so einen Lichteinfall auslösen könnte. Streiflichter müssen nicht immer so intensiv sein wie in Abbildung 5.23. Manchmal wird ein Streiflicht auf der Seite des Aufhelllichts ergänzt, nur um den Rand der Figur etwas stärker zu betonen und z. B. den Kontrast zum Hintergrund zu verbessern. Sie können ein Streiflicht aber auch auf der Seite des Hauptlichts ergänzen, um dort für eine zusätzliche Verstärkung der Silhouette zu sorgen.

Abbildung 5.25: Intensive Streif- und Randlichter lassen die Figur wie von hinten beleuchtet erscheinen, obwohl auch das Gesicht beleuchtet wurde.

Abbildung 5.24: Bei einem Blick von oben liegen die Streiflichter weiter seitlich zur Figur im Vergleich zu den Randlichtern.

Soll eine Figur von hinten beleuchtet erscheinen, kann auch das Ergänzen von Streiflichtern auf beiden Seiten hilfreich sein. Es ist dabei jedoch ungünstig, wenn die Streiflichter zu symmetrisch wirken. Wenn eines der Streiflichter etwas breiter oder heller als das andere ist oder aber wenn Sie Streiflichter mit Randlichtern kombinieren, kann eine recht natürlich wirkende Beleuchtung der Figur von hinten simuliert werden. Diese Kombination wirkt realistischer, als wenn identische Streiflichter verwendet werden. Die Abbildung 5.25 zeigt u. a. zwei Streiflichter im Einsatz, um eine von hinten beleuchtet Figur darzustellen.

Glanzlicht (Specular Light) Ein Glanzlicht (Engl.: Specular Light oder kurz Spec Light) bringt zusätzlichen Glanz auf die Figur. Dafür lässt sich jede Lichtquelle verwenden, die keine diffuse Beleuchtung, sondern nur spiegelnde Reflexe erzeugt. Wie schon in Kapitel 2 besprochen, generieren die meisten Lichtquellen sowohl diffuse als auch spiegelnde Reflexionen, was auch zu guten Ergebnissen führt. Wird Ihre Figur jedoch bereits ausreichend beleuchtet und benötigt nur an einigen Stellen zusätzlichen Glanz, kann dafür ein Glanzlicht verwendet werden.

Soll ein Feuchtigkeitsfilm auf der Figur simuliert werden, ist es natürlich besonders wichtig, den Glanz auf der Oberfläche und den Haaren richtig darzustellen.

Abbildung 5.26: Ohne ein Glanzlicht wirkt der Körper der Schlange flach und trocken (links). Nach dem Hinzufügen des Glanzlichts erscheint die Schlange glatter und glänzender (rechts).

Wie auf der linken Seite von Abbildung 5.26 zu erkennen, wirkt die Haut eines Reptils zu trocken, wenn weder Glanz noch Spiegelungen zu erkennen sind. Das Hinzufügen eines separaten Glanzlichts kann dieses Problem beheben (siehe rechte Seite der Abbildung 5.26). Um Glanz zu erzeugen, der über die Haut oder das Haar der Figur läuft, platzieren Sie die Glanzlichtquelle hinter der Figur, ganz ähnlich wie Sie auch Randlichter positionieren.

Glanzlichter eignen sich auch perfekt zum Hinzufügen von Glanzpunkten auf Augen, Brillengläsern, Zähnen oder anderen glänzenden Körperteilen. Dazu platzieren Sie das

Glanzlicht nahe an der Kamera. Bewegt sich das Glanzlicht zusammen mit der Kamera können Sie sicher sein, dass der Glanz erhalten bleibt.

Probleme der Figurbeleuchtung Selbst wenn Sie bereits Erfahrungen mit der Beleuchtung von Sets und statischen Objekten gesammelt haben, kann die Beleuchtung von animierten Figuren neue Schwierigkeiten mit sich bringen. Ein Thema dabei ist, ob die für die Szenenbeleuchtung verwendeten Lichtquellen auch für die Figur verwendet werden können. Manchmal ist dies tatsächlich möglich. In anderen Fällen ist es vorteilhafter, neue Lichtquellen speziell für die Figuren zu verwenden und per Licht-Verknüpfungen die Lichtquellen des Sets und der Figuren zu trennen. Da sich Figuren in der Regel bewegen, müssen Sie sich auch mit der Animation der Figur-Lichter beschäftigen, um die verschiedenen Bewegungsphasen bestmöglich durch die Beleuchtung herauszuarbeiten. Schließlich können verschiedene Körperteile auch verschiedene Anforderungen an die Beleuchtung stellen, um z. B. Augen, Haare und die Haut gleichermaßen gut aussehen zu lassen.

Feste Lichtanordnungen erstellen Lichtquellen, die für die Beleuchtung einer Figur gedacht sind, werden häufig in Gruppen zusammengefasst um eine feste Lichtanordnung zu bilden (auch Light Rig genannt). So eine Licht-Gruppe kann gesichert, weitergegeben und in verschiedenen Einstellungen wiederverwendet werden. Damit vor allem der Austausch zwischen verschiedenen Künstlern funktionieren kann, sollten alle Lichter entsprechend Ihrer Funktion benannt sein. Verwenden Sie dabei z. B. die besprochenen Funktionsnamen Hauptlicht, Aufhelllicht, Randlicht, Streiflicht etc., damit der Effekt jedes Lichts sofort klar wird.

Manche Figuren benötigen speziell angepasste Lichter innerhalb ihrer Lichtanordnung, z. B. um einen Glanz auf den Haaren oder Augen zu ergänzen. Die meisten Lichtanordnungen verwenden daher eine Licht-Verknüpfung mit der Figur. Ausnahmen ergeben sich, wenn es sich um Objekte handelt, die Lichter fest eingebaut haben, wie z. B. ein Auto mit seinen Scheinwerfern, ein Roboter oder ein Glühwürmchen. Solche Practical Lights werden zwar auch in der Lichtanordnung gruppiert, können jedoch auch die übrige Szene beleuchten.

Die Lichter einer Lichtanordnung müssen nicht immer alle aktiv sein. Eine Lichtanordnung ist daher eher ein Set an Lichtern, aus dem je nach Anforderungen einer Einstellung ausgewählt wird.

Szene-Lichter für die Figurbeleuchtung Haben Sie bereits die Umgebung der Figur beleuchtet, sollten Sie Testberechnungen der Figur innerhalb dieser Beleuchtung durchführen und begutachten, wie diese Beleuchtung in allen Animationsphasen auf die Figur wirkt. Manchmal gefällt Ihnen vielleicht bereits das Ergebnis. In anderen Fällen erkennen Sie eventuell noch Verbesserungsbedarf bei der Beleuchtung der Figur und müssen daher Veränderungen oder Ergänzungen bei den Lichtquellen vornehmen.

Wenn Sie globale Illumination und weiche Raytraced-Schatten verwenden, ist es einfacher, Sie verwenden die gleichen Lichter für die Set- und die Figurbeleuchtung. Die globale Illumination wirkt dann am glaubhaftesten, wenn Sie alle Oberflächen mit einbeziehen, also die GI-Beleuchtung auch zwischen der Figur und ihrer Umgebung frei ausgetauscht werden kann.

Wenn Sie diese modernen Rendermethoden verwenden, sollten Sie zumindest eine gute Ausgangsbasis bei der Beleuchtung erzielen können, wenn Sie die Figur gleichzeitig auch von den Set-Lichtquellen beleuchten lassen. Sie brauchen dann nur dort noch spezielle Figurlichter zu ergänzen, wenn Sie Verbesserungsbedarf bei der Hervorhebung einzelner Figurattribute sehen.

Wenn Sie andererseits nur direkte Beleuchtung und Schatten-Maps verwenden, macht die individuelle Beleuchtung jeder Figur und die präzise Anpassung der Depth Maps auf jeden Charakter Sinn. Lichter, die Depth Map-Schatten verwenden, funktionieren am effektivsten, wenn diese genau auf die Figur ausgerichtet werden und wenn der Lichtkegel und der Schattenkegel für die Schatten-Map-Berechnung exakt auf die Abschnitte fokussiert werden, wo sie benötigt werden. Zudem müssen die Einstellungen der Schatten-Map bei jeder Figur ggf. anders gewählt werden, wie z. B. der Bias-Wert, damit weder Selbstbeschattungen noch durchsickerndes Licht auftreten können, oder eine höher aufgelöste Schatten-Map, damit auch ein haariges Wesen noch präzise Schatten werfen kann. Da die bereits in Kapitel 3 beschriebenen Einstellungen einer Schatten-Map für jede Figur individuell überprüft und angepasst werden müssen, machen die Verwendung von festen Lichtanordnungen für die Figur und von separater Lichtquellen für das umliegende Set bei der Benutzung von Schatten-Maps mehr Sinn.

Lichter aufteilen Ein Betrachter erwartet, dass Practical Lights, also z. B. eine Tischlampe, sowohl das Set als auch die Figuren beleuchten. Manchmal können Sie bereits gute Ergebnisse erzielen, wenn eine Lichtquelle auf das Set und auf die Figur wirkt. In anderen Fällen jedoch macht eine individuelle Anpassung dieser Lichtwirkung für Set und Figur Sinn. Dann bietet sich die Aufteilung dieses Lichts an (Fachbegriff: to Split out a Light).

Mit Splitting out bzw. einer Aufteilung des Lichts ist gemeint, dass Sie aus einer Lichtquelle zwei machen. Das Original beleuchtet dann nur noch die Objekte des Sets. Die Kopie wird exklusiv an die Figur gebunden. Beide Lichter sollten passend benannt werden. Dazu bietet sich an, den Namen der beleuchteten Figur an der Lichtkopie anzuhängen. Nennt sich das Practical Light z. B. Prac_vonLampe, könnte deren Kopie Prac_vonLampe_aufJulia heißen. Beachten Sie nur, dass auch ein Fremder mit diesen Namen sofort etwas anfangen können sollte.

Da das Original Licht nun nur noch das Set und dessen Licht-Kopie nur die Figur beleuchten, erhalten Sie mehr Kontrolle über Farbe, Helligkeit und den Lichtwinkel der Figurbeleuchtung.

Natürlich muss dabei die Lichtrichtung des aufgeteilten Lichts für die Figur zumindest ungefähr gleich bleiben. Dennoch sollten Sie sich dadurch nicht zu sehr einschränken lassen, wenn Sie die Möglichkeit haben, durch eine verbesserte Licht-Modellierung mehr Details Ihrer Figur hervorzuheben oder die Figurbewegung und die dadurch erzählte Geschichte besser durch eine angepasste Schattierung zu unterstützen.

Alle beschriebenen Ansätze für die Figurbeleuchtung können miteinander gemischt werden. So lange Sie das Ergebnis mögen und alle Schattierungen und Lichtrichtungen konsistent und plausibel bleiben, können Sie nach Belieben Kombinieren. Ihr Hauptlicht kann z. B. innerhalb der Lichtanordnung der Figur gruppiert sein und wird durch Aufhelllichter und indirektes Lichter aus der Szenenbeleuchtung und eine GI-Berechnung ergänzt. Das Streiflicht und ein Randlicht können dabei individuell auf die Figur wirken und durch eine Lichtaufteilung von Lichtquellen aus der Szene entstanden sein. Egal, wie viel Übereinstimmungen es bei den Lichtquellen der Szene und der Figur gibt, Sie selbst entscheiden kreativ, wie Sie Ihre Figuren ausleuchten möchten.

Lichter mit der Figur bewegen Animierte Kreaturen und Figuren zu beleuchten ist natürlich anspruchsvoller als die Beleuchtung statischer Objekte. Die perfekte Lichtanordnung eines Animationsbilds mag ganz und gar unbrauchbar werden, sobald sich die Figur z. B. in einen Schatten bewegt hat. Ein perfekt platziertes Randlicht mag von einem Bild zum nächsten plötzlich zu einer Überstrahlung der Haare führen, nachdem die Figur den Kopf gedreht hat.

Es ist technisch möglich, die Lichter so an eine Figur zu binden oder damit zu gruppieren, dass sich die Lichter mit der Figur mitbewegen und diese somit immer aus den gleichen Richtungen beleuchten. Das garantiert eine gewisse Gleichmäßigkeit bei der Beleuchtung der Figur, kann jedoch unrealistisch wirken, wenn die Lichter aus keinem erkennbaren Grund mit der Figur mitwandern. Generell ist dies daher keine gute Lösung für den Großteil der Figur-Lichter.

Ein einfacher Trick ist manchmal, dass ein von oben kommendes Aufhelllicht oder ein allgemeines Himmelslicht mit der Figur mitbewegt wird. Dies fällt in der Regel nicht weiter auf. Wenn Sie Ihr eigenes indirektes Licht erzeugen, können Sie auch ein relativ schwaches, von unten kommendes Licht an die Figur binden. Bewegt sich die Figur jedoch über einen unterschiedlich hellen oder verschieden gefärbten Untergrund, ist es besser, Sie verwenden unterschiedliche indirekte Lichtquellen in den verschiedenen Bereichen der Szene und lassen die Figur durch die Einflussbereiche dieser Lichter laufen. Aufhelllichter für die Augen werden manchmal an die Figur gebunden, damit sie immer exakt den gleichen Bereich der Augen ausleuchten.

Randlichter sind ein Spezialfall, denn um die präzise Hervorhebung der Umrisslinie zu gewährleisten, müssen Randlichter oft simultan zur Figurbewegung angepasst werden. Erstellen Sie daher Testberechnungen dieser Lichter für den Anfang und das Ende der Animation sowie für alle Schlüsselbilder der Animation, die extreme Bewegungsphasen oder länger gehaltene Posen zeigen. Falls nötig, passen Sie die Randlichter Bild für Bild an und setzen dabei Keyframes für deren Positionen.

Generell wirkt eine Figur natürlicher, wenn sich diese durch die Beleuchtung der Szene bewegt und dabei die Lichtquellen wie in der Realität statisch im Raum stehenbleiben. In Bezug auf die Beleuchtung durch Practical Lights in einem Raum oder durch das Sonnenlicht unter freiem Himmel, erwartet ein Betrachter, dass sich durch die Bewegung der Figur auch dessen Beleuchtung verändert, z. B. bei einer Vorwärtsbewegung oder wenn ein Schatten betreten oder verlassen wird. Die intensivsten Lichtquellen der Szene sollten daher für alle Elemente statisch im Raum bleiben, selbst wenn dadurch die Figur in verschiedenen Animationsphasen unterschiedlich hell beleuchtet wird.

Mehrere Figuren gleichzeitig beleuchten Ein einzelnes Licht kann sowohl eine einzige, als auch mehrere Figuren gleichzeitig beleuchten oder gar eine größere Menschengruppe. Sind alle Figuren ähnlich ausgerichtet, wie z. B. das Publikum in einem Theater, so werden alle Figuren identisch beleuchtet. Selbst wenn die Figuren unterschiedlich ausgerichtet sind, können diese mit nur einer Lichtquelle beleuchtet werden. Die Beleuchtungswirkung auf jeder Figur ist dann jedoch unterschiedlich. Das Licht unten links in Abbildung 5.27 könnte z. B. für eine Figur wie ein Streiflicht und für die andere wie ein Hauptlicht wirken.

Abbildung 5.27: Von oben betrachtet könnte das links unten zu erkennende Licht sowohl ein Hauptlicht für eine Figur, als auch ein Streiflicht für die andere Figur sein.

In solchen Fällen sollten Sie dieses Licht besser aufteilen und individuell für jede Figur einstellen. Dies gibt Ihnen mehr kreative Kontrolle über die Färbung, die Helligkeit und z. B. die Weichheit jeder Figurbeleuchtung.

Wenn Figuren sich gegenseitig berühren, müssen dabei Schattenwürfe entstehen, die einen physikalischen Kontakt verdeutlichen. Stehen sich einfach nur zwei Figuren gegenüber, z. B. während eines Gesprächs, sind nicht unbedingt Schattenwürfe nötig. Manchmal, wenn Sie Lichter zwischen den Figuren aufteilen, können Sie sowohl Licht-Verknüpfungen als auch Schatten-Verknüpfungen verwenden. Dies hilft dabei, zwischen den Figuren Mehrfachschatten zu vermeiden.

Die Beleuchtung der Bewegung anpassen Viele Szenen zeigen Ereignisse, durch die sich die Gefühlslage einer Figur verändert. In diesem Moment ist es immer eine gute Idee darüber nachzudenken, wie diese Veränderung der Gefühlslage oder Stimmung durch neu angepasstes Licht unterstrichen werden kann. Oft ist es so, dass solche Schlüsselmomente einer Filmszene entweder von der Bewegung einer Figur oder von einem Kameraschwenk begleitet werden. Da sich dadurch die Position der Figur und der Blickwinkel der Kamera verändern, können wir oft diese Phase ebenfalls z. B. für eine Verschiebung von Lichtquellen nutzen, ohne die Kontinuität der Figurbeleuchtung damit zu stören.

Veränderungen am Kontrast gehören ebenfalls zu den wichtigen Stellschrauben, wenn Sie an der Beleuchtung einer dramatischen Szene arbeiten. In ruhigen, fröhlicheren Momenten erscheint Ihre Figur eventuell heller, mit weicher Beleuchtung, Aufhelllicht und indirektem Licht im gesamten Gesicht. In einer bedrückenden Szene, in einem Streitgespräch oder

unter Stress können Sie den Kontrast der Beleuchtung verstärken, z. B. indem ein starkes Licht von der Seite nur von einem reduzierten Aufhelllicht auf der anderen Seite des Gesichts ergänzt wird. Auch ein dunkler Hintergrund und eine hell beleuchtete Figur im Vordergrund können so einen Kontrast herstellen.

Schattenwürfe verstärken die Dramatik. Fürchtet sich eine Figur vor einer anderen, lassen Sie z. B. einen Schatten des Aggressors auf die furchtsame Figur fallen. Dies macht einerseits die räumliche Nähe der Figuren klar und verdeutlicht die emotionale Wirkung der einen auf die andere Figur. Auch die Schatten der Umgebung können auf eine Figur fallen. Bewegt sich z. B. eine Figur unter freiem Himmel, können plötzlich die Äste eines Baums Schatten auf das Gesicht werfen. Diese Variation der Beleuchtung kann verdeutlichen, dass diese Person abgelenkt, nervös, verwirrt oder aufgeregt ist.

Auch der Winkel des Lichts kann dramatische Wirkung entfalten. Wenn sich eine Figur erhebt um Pläne zur Erlangung der Weltherrschaft zu verkünden, kann die Beleuchtung des Gesichts von unten mit indirektem Licht eine gruselige oder zumindest gegenüber der gewohnten Beleuchtungsrichtung von oben ungewohnte Atmosphäre schaffen. Heckt eine Figur etwas im Verborgenen aus, könnte es passen, einen Teil des Gesichts in Dunkelheit fallen zu lassen und ein Randlicht für die Betonung der Gesichtsumrisse zu verwenden.

Schließlich hat auch die Farbe einen großen Einfluss auf die Bildwirkung. In Kapitel 8 beschäftigen wir uns ausführlich mit diesem Thema. Generell wirken entsättigte Szenen (mit vielen Grautönen) auf uns düsterer und vielleicht auch gruseliger als bunte Einstellungen. Ohne der späteren Bildbearbeitung vorzugreifen, führt ein bläulicheres Licht auf der Figur dazu, dass die warmen Hauttönungen entsättigter erscheinen und auch z. B. roter Lippenstift dunkler und weniger bunt wirkt. Hellere Farben lassen eine Figur fröhlicher und zuversichtlicher erscheinen. Wenn Sie unnatürliche Farben für die Beleuchtung verwenden, wie z. B. grünes Licht, kann die Figur dadurch krank wirken oder eine unheilvolle Stimmung entstehen.

Stichproben nehmen Da sich die Beleuchtung animierter Figuren über die Zeit hinweg verändern wird, suchen Sie sich ein paar repräsentative Bilder der Sequenz heraus, für die Sie Ihre Beleuchtung testen und ggf. verbessern möchten. Wählen Sie auf jeden Fall das ersten und letzte Bild der Animation und zusätzlich Bilder, in denen die Figur am weitesten von der Kamera entfernt und am nächsten vor der Kamera ist. Soll sich die Lichtstimmung zu einem bestimmten Zeitpunkt der Szene verändern, z. B. wenn ein Charakter aufsteht, um eine hitzige Debatte zu erwidern, wählen Sie einige Bilder vor und nach diesem Stimmungswechsel aus. Bilder mit geöffnetem Mund eignen sich gut zum Testen der Schatten, ebenso wie Bilder, in denen sich Figuren berühren.

Wenn Sie dann eine Liste der zu überprüfenden Bilder erstellt haben, können Sie sich zur Überprüfung der Beleuchtung auf diese konzentrieren. Wenn Sie das Streiflicht in einem dieser Bilder angepasst haben, navigieren Sie anschließend auch die anderen notierten Bilder an und begutachten Sie dort die Wirkung des veränderten oder ergänzten Lichts.

Wenn Sie in Filmauflösung arbeiten, sind Sie eventuell nicht in der Lage, alle notierten Schlüsselbilder jeweils über Nacht durchrechnen zu lassen. Lassen Sie stattdessen nur die wichtigsten Bilder berechnen, nachdem Sie etwas verändert haben. Wenn Sie die Wirkung der Beleuchtung in der Bewegung beurteilen müssen, lassen Sie die gesamte Einstellung in kleiner Auflösung berechnen. Manchmal reicht es dabei auch aus, nur jedes zweite oder dritte Bild rechnen zu lassen, um einen guten Überblick zu erhalten. Wenn Sie sich bei der Auswahl der Stichproben Mühe geben, kann oft schon beim ersten Durchrendern der Sequenz in der finalen Auflösung alles in Ordnung sein.

Subsurface Scattering Viele Shader bieten Transluzenz-Optionen, wodurch dünne Objekte, wie Blätter, Lampenschirme oder Papier lichtdurchlässig werden. Bei volumiöseren Formen, wie z. B. einem Menschen, muss die Lichtdurchlässigkeit durch ein aufwändigeres Subsurface Scattering-Verfahren simuliert werden, das auch die Lichtstreuung in einem Objekt berücksichtigt. Die Abbildung 5.28 zeigt einen Kopf mit einem normalen, lichtundurchlässigen Shader (links). Durch die Aktivierung von Subsurface Scattering (rechts) zeigt sich am Kopf eine zusätzliche Wirkung auf das intensive Streiflicht hinter dem Ohr.

Abbildung 5.28: Mit Subsurface Scattering (rechts) kann Licht auch in das Objekt eindringen und hier z. B. das Ohr rot leuchten lassen.

Subsurface Scattering simuliert, wie Licht innerhalb eines lichtleitenden Materials gestreut wird. Egal wie präzise die Oberfläche mit einer Textur-Map für die Hautdarstellung belegt wurde, wenn die Simulation der Lichtstreuung fehlt, kann die Haut künstlich wirken. Bei Haut wird Subsurface Scattering besonders in drei Bereichen sichtbar:

Werden dünnere Körperteile, wie z. B. die Ohren oder die Nase von der Rückseite her beleuchtet, erscheinen diese rötlich. Dieser Effekt nennt sich Forward Scattering, da das Licht hinten eintritt und nach der Streuung an der Vorderseite wieder austritt.

Der Terminator, also der Übergang zwischen direkt beleuchteten und im Schatten liegenden Teilen, erhält einen rötlichen Schimmer. Auch dieser Effekt wird durch Forward Scattering erzeugt.

Schattenränder können auf der Haut rötlich erscheinen. Dieser Effekt nennt sich Back Scattering, da hier Licht in das Fleisch eindringt und in unmittelbarer Nachbarschaft dieser Stelle wieder austritt. Dies ist besonders typisch für Bereiche mit dickerem Gewebe, wie z. B. die Wangen.

Die Abbildung 5.29 zeigt echte Fotos dieser Effekte, wobei extrem helles Licht verwendet wurde. Ansonsten sind diese Subsurface Scattering-Effekte eher subtil. Dennoch ist menschliche Haut uns allen derart vertraut, dass selbst derart schwache Effekte eine wichtige Komponente für die Visualisierung realistischer und glaubhafter Figuren darstellen.

Abbildung 5.29: Die drei Wirkungen von Subsurface Scattering bei menschlicher Haut sind durchdringendes Licht an dünnen Körperteilen, wie der Ohrmuschel (A), eine rote Kante am Terminator, also dem Übergang vom beleuchteten in den unbeleuchteten Bereich (B) und rote Ränder um die Schattenwürfe auf der Haut (C).

Wenn Sie Subsurface Scattering innerhalb Ihres Hautmaterials verwenden, sollten Sie dies auch für die übrigen Bestandteile des Körpers zu aktivieren, wie z. B. für die Zähne oder die

Augen. Denken Sie daran, dass Subsurface Scattering durchdringendes Licht simuliert. Daher sollten auch die Strukturen innerhalb des Kopfs mit einbezogen werden.

Variationen zuweisen

Ein mit Subsurface Scattering berechneter Kopf kann so wirken, als wäre er aus Wachs anstelle aus Fleisch und Blut. Diese Wirkung kann entstehen, wenn die Lichtsimulation des Subsurface Scatterings nicht für die verschiedenen Abschnitte eines Gesichts z. B. über eine Textur-Map variiert wird. Eine homogene Simulation von Subsurface Scattering wirkt wie Wachs, da Wachs ebenfalls eine homogene Konsistenz hat und Licht somit gleichförmig streut.

Unter der Haut liegen Knochen, Muskeln, Adern und Fett. All dies bricht und streut das Licht unterschiedlich stark und ist zudem in unterschiedlichen Tiefen unter der Haut zu finden. Dies alles physikalisch korrekt zu simulieren wäre für eine normale Animations-Produktion unmöglich. Sie können jedoch die in der Realität beobachteten Eigenschaften der Haut auf eine einfache Textur-Map übertragen und diese mit Subsurface Scattering kombinieren. So könnten Sie z. B. eine Textur erstellen, durch die Back Scattering vorrangig nur auf den fleischigeren Teilen, wie den Wangen vorkommen kann. Andere Abschnitte, wie z. B. die Stirn oder das Kinn unter denen direkt die lichtabschirmenden Knochen liegen, würden in dieser Textur relativ dunkle Farben erhalten und somit nur einen stark reduzierten Effekt zeigen können. Dazu sollten Texturen gemalt werden, welche die Intensität des Subsurface Scatterings steuern und zudem das gestreute Licht färben, um Adern und anderes unter der Haut zu simulieren.

Subsurface Scattering vortäuschen

Eine ständig anwachsende Fülle an Shadern und Optionen für die Erstellung natürlich wirkender Lichtstreuung sind verfügbar. Dennoch wird viel Zeit benötigt, um die richtigen Einstellungen herauszufinden und zudem verlängert sich oft die Berechnungszeit durch Subsurface Scattering beträchtlich. Besonders die individuellen Texturen, über die dann die unterschiedlichen Eigenschaften von Subsurface Scattering gesteuert werden, können zeitaufwändig in der Erstellung und dem Testen sein. Es lohnt daher, die weiche Figurberechnung mit Subsurface Scattering ggf. durch einfache Shader-Anpassungen und Lichter zu simulieren:

Färben Sie indirektes Licht für Ihre Figur etwas wärmer. Ein wenig Pink oder Rot wirkt, als würde die Haut selbst das Licht derart färben. Warmes Aufhelllicht oder indirektes Licht eignen sich besonders für Anfänger oder unter Zeitdruck, um die Haut nicht so leblos und tot wirken zu lassen.

Benutzen Sie Shader, mit denen Sie die Helligkeits- und Farbverläufe der Haut individuell umfärben können (Ramp-Shader). Jeder Farbverlauf-Shader, der

Farben in Abhängigkeit der Beleuchtung berechnet oder Farbwerte verändern kann (Remapping) ist ebenfalls geeignet. Nutzen Sie diese Funktion, um den Helligkeitsübergang an einem Terminator gezielt rötlich zu verfärben, anstatt dort nur von Hell auf Dunkel zu wechseln.

Falten ohne Farbvariationen sind ein untrügerisches Zeichen dafür, dass Sie dort eine Bump- oder Displacement-Funktion ohne Subsurface Scattering genutzt haben. Wenn Sie eine Textur zur Simulation der Falten auf den Händen oder dem Gesicht verwenden, verwenden Sie zusätzlich auch eine Farb-Textur, um die Haut in der Mitte der Falten rötlich oder Pink zu verfärben.

Egal welche Farben auf der Haut verwendet werden, es kommt auf die Farben unter der Haut an (zumeist Rottöne), durch die reales Subsurface Scattering seine Färbung erhält. Selbst grünhäutige Aliens können glaubhaft in Kombination mit warmen Farben für das unter der Haut gestreute Licht berechnet werden.

Haare beleuchten Oft stehen beim Rendern von Haaren und Fell die Renderzeiten im Vordergrund. Wird mit Schärfentiefe (Depth Of Field, DOF) gerendert, aber die Figur liegt dabei komplett innerhalb der Bildschärfe, können Sie Rechenzeit dadurch sparen, dass Sie die Figur z. B. separat ohne DOF rendern lassen. Haare und Fell können zudem das Raytracing dramatisch verlangsamen. Es ist daher auch eine gute Idee, die Haare und das Fell von Raytraced-Schattenwürfen auszuklammern und auch nicht in Spiegelungen auftauchen zu lassen.

Haare werden normalerweise mit Schatten-Maps gerendert. Wie bereits in Kapitel 4 erläutert, existieren in einigen Renderern spezielle Arten von Schatten-Maps, die besonders gut mit Haaren zusammenarbeiten, wie z. B. die Deep Shadow Maps in Pixar’s RenderMan oder die Detail Shadow Maps in Mental Ray. Da Haare im Vergleich zu normalen Strukturen innerhalb einer Schatten-Map derart fein sind, ist es besonders wichtig, dass die Schatten-Maps möglichst gut auf das Haar fokussiert werden. Daher ist es auch eine gute Idee, Haare durch eigene Lichtquellen zu beleuchten. Dadurch lassen sich auch präzisere Randlichter setzen. Haare neigen dazu, die Beleuchtung eines Randlichts viel schneller aufzunehmen als die meisten anderen Oberflächen. Ein eigenes, dunkleres Randlicht für die Haare, erzeugt daher eine schönere Randbeleuchtung ohne die Haare gleich weiß zu überstrahlen.

Augen beleuchten

Das Auge hat vier sichtbare Hauptbestandteile, von denen jedes besondere Sorgfalt bei der Figurbeleuchtung benötigt:

Die Lederhaut – das Augenweiß

Die Regenbogenhaut – der farbige Teil des Auges

Die Pupille – Die schwarze Öffnung in der Mitte

Die Hornhaut – Der klare Teil, der das gesamte Auge umgibt

Die Lederhaut beleuchten

Obwohl die Lederhaut auch Augenweiß genannt wird, muss diese nicht unbedingt rein weiß sein. Die Abbildung 5.30 zeigt z. B. die Textur eines Auges. Die roten und pinken Farbdetails nehmen mit dem Abstand von der Mitte zu. Eine einförmig weiße Lederhaut lässt Ihren Charakter eher wie eine Comicfigur wirken. In der Realität fängt die Lederhaut zudem Schatten der Wimpern und Augenlider auf.

Abbildung 5.30: Das Weiß des Auges muss nicht tatsächlich weiß sein. Adern und Variationen in der Textur führen zu mehr Realismus bei der Darstellung der Lederhaut.

Obwohl diese Textur bereits die Lederhaut, die Regenbogenhaut und die Pupille enthält, sollten diese Bereiche nicht einfach ineinander übergehen, als würde es sich um

verschieden gefärbte Regionen auf einer Kugel handeln. Wenn Sie ein Auge wie einen Tischtennisball modellieren und auch derart mit Farben belegen, wird das Auge nie realistisch wirken können, egal wie Sie es beleuchten. Die Regenbogenhaut kann zwar zu dem gleichen Objekt gehören wie die Lederhaut, sollte jedoch eine anders geneigte Oberfläche haben.

Da die Lederhaut für das Sehen selbst kein Licht auffangen muss und weil dieser Bereich des Auges sehr verletzlich ist, wird die Lederhaut bei vielen Tieren vollständig von Augenlidern geschützt. Menschliche Augen sehen deshalb so anders im Vergleich zu tierischen Augen aus, da bei uns ein großer Teil der Lederhaut direkt sichtbar ist.

Diese offen sichtbare Lederhaut macht die Blickrichtung schnell erkennbar, selbst aus größerer Entfernung, was hilfreich bei sozialen Kontakten und der Kommunikation zwischen Menschen ist. In stilisierten Animationen erhalten Tiere oft eher menschliche Augen, da dadurch die Verdeutlichung der Blickrichtung und der gesamten Aktion der Figur einfacher werden.

Abbildung 5.31: Der Glanz der Regenbogenhaut liegt auf der gegenüberliegenden Seite der restlichen Augenbeleuchtung.

Die Regenbogenhaut beleuchten

Die Regenbogenhaut gibt den Augen nicht nur ihre Farbe, sondern auch Tiefe. Hinter die Hornhaut verschoben, in der Tiefe des Auges liegend, erhält die Regenbodenhaut oft einen weiten Glanz durch Lichtquellen von der gegenüberliegenden Seite des Auges. Das Beispiel der Abbildung 5.31 belegt am Glanzpunkt, dass dort die Beleuchtung zwar von rechts kommt, jedoch nur der gegenüberliegende linke Rand der Iris beleuchtet erscheint.

Die helle Seite der Regenbodenhaut (auch Iris genannt) wird Iris-Glanz genannt. An einem echten Auge ist dieser Effekt sehr deutlich zu sehen, wenn die Augen von der Seite beleuchtet werden und weniger deutlich, wenn das Licht eher von vorne kommt oder das Auge diffus, aus allen Richtungen beleuchtet wird. Der reale Iris-Glanz ist eigentlich ein caustischer Effekt (Lichtbrechung und -Bündelung), der durch das an der Linse gebrochene Licht entsteht, das an der Seite der Linse austritt, dass der Beleuchtungsrichtung gegenüber liegt. In der Computergrafik lässt sich dieser Effekt auf verschiedenen Wegen simulieren. Eine der simpelsten Optionen wurde in Abbildung 5.31 benutzt, wobei die Regenbogenhaut einfach trichterförmig nach innen modelliert wurde anstatt nach außen in Richtung der Linse gewölbt.

Die Abbildung 5.32 zeigt, wie die Augen modelliert wurden. Die äußere Schicht, hier blau dargestellt, ist die transparente Hornhaut, die vorne eine Wulst aufweist, durch welche die Linse angedeutet wird. Das Innere des Augenmodells ist hier gelb zu sehen und stellt die Lederhaut und die Regenbogenhaut dar. Dabei handelt es sich nicht um eine geschlossene Kugel, denn der Teil, der die Regenbogenhaut darstellt, biegt trichterförmig ab in Richtung der Augenmitte. Diese Form macht das Auffangen des Iris-Glanzes möglich, der an der gegenüberliegenden Seite der Lichteinstrahlung entsteht. Bei diesem stilisierten Charakter ist die Trichterform der Regenbogenhaut extrem ausgeprägt. Bei anderen Figuren kann ebenso eine flachere Iris vorteilhafter wirken, durch die dann dort ein dezenterer Beleuchtungseffekt resultiert. Der Glanz auf der Iris wird bei einigen Produktionsfirmen auch über spezielle Augen-Shader simuliert, die automatisch Helligkeitsverläufe auf der einer Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Iris berechnen (Fachbegriff für diese Verläufe: Scooping). Generell gilt, dass die Regenbogenhaut nie heller als die angrenzende Lederhaut sein sollte.

Abbildung 5.32: Die Regenbogenhaut ist zwar mit der Lederhaut verbunden, wölbt sich jedoch in das Innere des Auges, damit ein Glanz von gegenüberliegenden Lichtern entstehen kann.

Die Pupille beleuchten

Die Pupille sollte in der Regel schwarz bleiben. Wenn Fotos mit einem Blitzlicht erstellt werden, das nahe am Objektiv sitzt, fällt das Blitzlicht manchmal in das Auge hinein bis auf die Netzhaut, die dadurch als „rotes Auge“ im Bereich der Pupille sichtbar wird.

Dies ist ein Problem der Blitzfotografie, das Fotografen wahrscheinlich über die Bildbearbeitung digital entfernen werden, damit die Person nicht zu dämonisch wirkt. Derartige Probleme können bei der Computergrafik zwar nicht auftreten, aber manchmal entstehen Spiegelungen und Glanzlichter genau im Bereich der Pupille, die dadurch zu hell und milchig wirkt, anstatt klar und schwarz.

Glanz über der Pupille kann vom Gesichtsausdruck ablenken oder die Augen krank wirken lassen. Versuchen Sie daher den Augenglanz und die Reflexionen so zu platzieren, dass die Pupille schwarz und gegenüber der Iris klar abgegrenzt sichtbar bleibt. Damit die Pupille klar und schwarz erhalten bleibt, achten Sie auch darauf, dass der Glanz auf der Regelbogenhaut nicht auf die Pupille übergeht. Sie können z. B. die Pupille als Loch in der Regenbogenhaut modellieren, durch das auf eine schwarze Fläche hinter der Iris geschaut wird. Möchten Sie kein Loch in die Iris modellieren, können Sie dem Bereich der Pupille auch ein schwarzes Material ohne Glanzeigenschaften zuweisen.

Die Hornhaut beleuchten

Die Hornhaut ist hauptsächlich transparent und daher nur sichtbar, wenn darauf Glanz oder Spiegelungen zu sehen sind. Dadurch wird dieses Element zu den wichtigsten eines Auges bezüglich der Beleuchtung. Glanz auf dem Auge lässt die Figur lebendig wirken. Ohne Glanz sehen die Augen unnatürlich trocken aus. Selbst wenn eine Figur weit von der Kamera entfernt ist, und das Auge vielleicht nur wenige Pixel im Bild groß ist, gehören diese wenigen Pixel oft zu den besonders wichtigen im gesamten Bild.

Obwohl Glanz und Spiegelungen auf dem gesamten Auge entstehen können, sollten Sie intensiven Glanz am oberen und unteren Rand der Hornhaut vermeiden. In diesen Bereichen werden nämlich normalerweise viele Reflexionen durch die Wimpern und die Augenlider abgeblockt. Ein Glanz z. B. am unteren Rand des sichtbaren Auges wirkt daher eher wie glitzernde Tränenflüssigkeit und kann die Figur traurig erscheinen lassen.

Oft eignen sich daher die Bereiche am Rand der Iris am besten für die Platzierung von Glanz. Dadurch wird die Krümmung der Augenlinse nach außen hervorgehoben, obwohl es eher der Rand dieser Linse ist, die das Licht fängt. Sie können die Linse direkt in die Hornhaut modellieren, als leichte Wölbung über der Iris, damit Licht aus verschiedenen Richtungen dort Glanz erzeugen kann.

Die Abbildung 5.33 zeigt dies am Beispiel des Modells für ein menschliches Auge. Das äußere Modell der Hornhaut (hier blau dargestellt) ist keine perfekte Kugel, sondern wölbt sich über der Iris zusätzlich nach außen. Dies simuliert das Umschließen einer Linse.

In der Regel beginnen Sie bei der Beleuchtung des Auges damit, erst einmal die Beleuchtung der Figur auch auf das Auge wirken zu lassen.

Ihr Hauptlicht und auch die anderen Lichtquellen der Figur werden vielleicht schon für Glanz auf dem Auge sorgen, der gut genug für einige Einstellungen aussieht.

Reicht Ihr Hauptlicht nicht aus, um einen schönen Augenglanz zu erzeugen, oder wenn dieser Glanz zu nahe an der Pupille oder den Rändern des Auges entsteht, können Sie ein neues Glanzlicht nur für den Augenglanz erstellen. Da die Hornhaut ein separates Objekt ist, lässt sich eine Licht-Verknüpfung nutzen, um die Glanzbildung auf der Hornhaut durch das Hauptlicht auszuschalten. Konfigurieren Sie ein neues Licht so, dass es nur Glanz erzeugen kann und verknüpfen Sie dies ausschließlich mit den Hornhaut-Modellen der Augen. Platzieren Sie dieses Glanzlicht vorerst nahe am Hauptlicht der Figur und passen Sie dann dessen Position feiner an, um den Glanz an der gewünschten Stelle entstehen zu lassen. Damit der Augenglanz auch in der Animation möglichst präsent bleibt, platzieren Sie das Glanzlicht der Augen nahe an der Kamera. Von dort aus können Sie durch kleine Verschiebungen des Lichts in senkrechter oder horizontaler Richtung die Platzierung des Glanzpunkts auf den Augen korrigieren.

Übungen Wie sich Licht zu verschiedenen Tageszeiten und in verschiedenen Umgebungen auf Personen und Tieren verhält, können Sie tagtäglich um sich herum beobachten. Filme und Fotos sind eine weitere Inspirationsquelle, die Sie nutzen sollten. Üben Sie aber vor allem die Beleuchtung Ihrer eigenen Charaktere, damit deren Eigenarten und deren Funktion in einer Szene möglichst gut hervorgehoben werden.

1. Die Übungen in Kapitel 2 schlugen bereits die Beleuchtung mit nur einer Lichtquelle als Aufgabe vor. Wenn Sie daran arbeiten wollen, eine gute Position und Richtung für das Hauptlicht zu finden, dann ist diese Aufgabenstellung auch für die Figurbeleuchtung eine gute Basis. Beleuchten und rendern Sie Ihre Figur daher nur mit einem Licht und lassen Sie zu, dass einige Bereiche dabei im Schatten verbleiben. Versuchen Sie dabei bereits durch die Positionierung der Schattierungsverläufe, der Schatten und des Terminators die Formen der Figur herauszuarbeiten. Gefällt Ihnen schließlich das Resultat, so ist dies eine gute

Abbildung 5.33: Die Hornhaut hat eine leichte Auswölbung, um eine Linse vor der Iris zu simulieren.

Ausgangsbasis für das Hinzufügen weiterer Lichter. Als Hausaufgabe könnte z. B. gefordert werden, die Wirkung des Hauptlichts auf einer eigenen Bildebene rendern zu lassen und die Wirkungen der übrigen Lichter in einem separaten Pass festzuhalten.

2. Viele der Übungsszenen unter www.3dRender.com/challenges enthalten auch Figuren, mit denen das Beleuchten geübt werden kann. Nachdem Sie einige Figuren für Standbilder beleuchtet haben, versuchen Sie sich an der Beleuchtung einer animierten Figur. Wenn Sie sich mit dem Thema der Charakteranimation nicht so sehr auskennen, können Sie sich auch mit ganz grob bewegten Figuren oder Objekten behelfen. Da die Animation von Figuren oft eine hohe Spezialisierung voraussetzt, führt der Wunsch nach dem Ausleuchten animierter Figuren oft dazu, dass sich Beleuchtungs-Künstler mit Animations-Künstlern in Projektgruppen zusammentun.

3. Es ist nicht verboten, Referenzbilder aus Ihren Lieblingsfilmen zu archivieren und daran zu studieren, wie z. B. die Schauspieler in den unterschiedlichen Einstellungen beleuchtet wurden. Die Analyse der begleitenden Beleuchtung zu verschiedenen Stimmungen und Umgebungen in Filmen kann eine große Hilfe sein. Viele digitale Beleuchter sammeln auf diese Weise Referenzmaterial, z. B. in Form von Bildern aus Spielfilmen, auch um diese während der Planungsphase eines Projekts und bei Gesprächen mit Kunden oder dem Regisseur zu verwenden. Die Dokumentation Visions of Light: The Art of Cinematography aus dem Jahr 1992 lohnt sich als Anschaffung. Dieser Film enthält Ausschnitte aus vielen bemerkenswerten Filmen, die als Grundstock dienen können.