3DSMAX Iluminación: Global Illumination o GI mediante Mental Ray

Cuando hablamos de una escena con iluminación tipo “GI” o Global Ilumination, lo que en realidad tenemos es Iluminación Indirecta. Esta se define como el rebote de la luz entre las diferentes superficies y por consiguiente, la mezcla de colores entre ambas. Sin embargo, este efecto es un tanto difícil de conseguir mediante la iluminación de tipo tradicional mediante Scanline Renderer (si lo comparamos con los nuevos métodos de GI) ya que, si queremos realizar el efecto de manera “rústica” o tradicional, debemos colocar luces de tipo Spotlight en las zonas donde queremos que se produzca el rebote de luz. También podemos crear un “domo” de luces que genere toda la GI, y para aumentar el realismo podemos atenuarlas mediante los ya estudiados parámetros de Attenuation de cada luz. Si todo lo anterior resulta demasiado difícil, podemos conseguirlo utilizando una luz de tipo Skylight y renderizar la escena con el plugin Light Tracer activado, eso sí a costa de tiempo de render.

Con la aparición de una gran cantidad de avanzados motores de render como Mental Ray, V-Ray, Art Render o Arnold, hablar de Iluminación Global o GI dejó de ser un tema difícil ya que, en algunos motores de render como Mental Ray sólo nos bastará colocar una luz de tipo Spotlight, luego activar la iluminación global (GI), y con esto obtendremos una escena realística. Sin embargo, este tipo de iluminación tiene un precio caro, y ese es obviamente el tiempo de renderizado.

Ahora bien, la decisión de usar la GI automática o configurar un sistema propio de luces dependerá del gusto de cada animador o renderista, y por ello debemos poner en una balanza las ventajas y desventajas de cada sistema ya que, por ejemplo, en una escena compleja tal vez sea mucho más rápido configurar un sistema de GI personalizado que uno automático, o también puede que no. Sin embargo, configurar un sistema personalizado de luces tiene grandes ventajas ya que se tiene un control absoluto sobre la iluminación de la escena, y puede brindar los mismos resultados y en un menor tiempo de configuración y de renderizado que en los sistemas de GI automáticos.

Para la realización de este tutorial, es necesario descargar los archivos base desde este banner:

Sistemas de creación de GI en 3DSMAX

Como ya vimos en el tutorial anterior sobre GI mediante Scanline Renderer, los sistemas de GI básicos que podremos usar en 3DSMAX son los siguientes:

A) Domo Personalizado de luces.
B) GI mediante Scanline Renderer.
C) Radiosidad mediante Scanline Renderer.
D) GI mediante Mental Ray.
E) GI mediante Art Render.

Sin embargo, a), B), c) y E) ya se han visto y explicado en tutoriales anteriores. Por lo tanto, en este tutorial veremos la parte D), o sea, la generación de GI mediante Mental Ray además de las cáusticas, el cual es un efecto que se aplica exclusivamente a materiales con propiedades de refracción como el vidrio o el diamante.

Generación de GI mediante Mental Ray

Si tenemos instalado el motor de render Mental Ray (como por ejemplo en 3DSMAX 2015 o inferiores), podemos utilizarlo yendo a la persiana Common de Render Setup. Allí buscaremos la persiana Assign Renderer, y veremos que en Production (Renderer en versiones posteriores de 3DSMAX) está la opción por defecto que puede ser Scanline Renderer o ART Renderer, si la versión es superior a 2015. Presionamos el botón del lado y cuando nos aparezca el cuadro elegiremos Mental Ray Renderer o NVIDIA Mental Ray.

Con esto cargamos el motor de render y cambiará un poco de aspecto el cuadro de Render Setup. Mental Ray es un motor de render con el cual podemos conseguir simulaciones realistas (ya que se basa en la física real) de los efectos de la luz natural y de Global Illumination o GI. Este motor de render acepta varias técnicas de GI como Photon Map (mapa de fotones), Caustics (cáusticas) y Trace depth (Final Gathering), las cuales pueden ser activadas desde la persiana Global Illumination (Indirect Illumination en versiones más antiguas) de Render Setup.

Si comparamos el motor de render que trae por defecto 3DSMAX (Scanline Renderer) con Mental Ray, nos daremos cuenta de que este último motor de render tiene muchas más ventajas como son los efectos cáusticos o la iluminación indirecta a partir de la técnica de Photon Mapping, ya que en el render de Scanline Renderer son mucho más difíciles de conseguir. Además y como todo motor de render que se instala en 3DSMAX, Mental Ray trae su propia librería de materiales/mapas y si deseamos utilizar nuestros clásicos materiales lo podremos hacer, además que tenemos a nuestra disposición una persiana con la cual podemos utilizar los shaders propios de Mental Ray. Si bien las ventajas de este motor de render son bastante grandes respecto a Scanline Renderer, estas tienen un precio y este es el tiempo de renderizado. Además, en Mental Ray podremos usar tanto el sistema de luces Standard, fotometría y también el sistema Daylight, además de cualquiera de los dos tipos de control de exposición disponibles: Logarithmic y Mr Photographic (este último optimizado para Mental Ray).

Si queremos generar el GI mediante Mental Ray, la alternativa más recomendada es utilizar el sistema Daylight y luego aplicar GI desde Render Setup. La gran ventaja de este sistema es que nos permite simular soluciones bastante precisas de iluminación y además podemos escoger horas, días, meses, años y hasta la zona horaria en que queremos que se posiciona el Sol. Si en Daylight vamos a General Parameters desde el panel de modificación, nos daremos cuenta de que disponemos de dos nuevas opciones de iluminación para el sistema, llamadas mr Sun y mr Sky respectivamente:

 

Ambas opciones se utilizan para Mental Ray y nos dan una iluminación mucho más realista que las que utiliza por defecto Scanline Renderer. Ahora bien, si deseamos activar el GI de forma automática en el motor de render Mental Ray, debemos tomar en cuenta que Indirect Diffuse (GI), Trace Depth (Final Gathering), Photon Map y Caustics, deben activarse por separado desde Global Illumination:

Activando GI desde la persiana Global Illumination. Podemos ajustar la calidad de este mediante GI Precision Presets.

También es importante destacar que si activamos Indirect Diffuse o GI, el resto de los parámetros a excepción de Caustics no podrán activarse hasta que desactivaremos nuevamente Indirect Diffuse. Por ello, estos se deben activar antes de activar el GI de forma definitiva.

Activando Final Gathering o Trace Depth desde la persiana Global Illumination.

Activando Caustics y Photton Mapping desde la persiana Global Illumination. Caustics puede ser activado independiente de Indirect Diffuse o GI.

Finalmente, se recomienda de sobremanera ajustar Exposure Control para mejorar el control de exposición de la imagen, el cual se encuentra en Rendering >> Exposure Control.

Ahora procederemos a generar GI desde Mental Ray utilizando el archivo base que viene en este tutorial ya que este nos permitirá experimentar renderizados tanto de escenas interiores como exteriores. Si lo abrimos, se nos mostrará la siguiente escena:

Como vemos, este es un modelado sencillo de una serie de columnas formando una especie de templo griego, junto a una cámara de tipo Physical. En esta escena, colocaremos el sistema Daylight y configuraremos ms Sun y mr Sky en el sistema. Elegimos Santiago de Chile como lugar geográfico, asignamos el primer mes y las 12:00 hrs como hora general para la iluminación solar. Sin embargo, al estar en el motor de Render Mental Ray e insertar el sistema Daylight por primera vez, se nos recomendará asignar como control de exposición a la opción mr Photographic Exposure Control y colocar el Exposure Value (EV) en 15 ya que nos aprtecerá el cuadro siguiente:

Si aceptamos, se configurará todo de manera automática en el cuadro de Environment and Effects. Estas opciones de configuración realzarán de mejor forma la iluminación exterior que la tradicional Logarithmic de Scanline Renderer, aunque no hay problema de utilizar cualquiera de los dos. Ahora bien, si vamos al panel de modificación en el Daylight y en Daylight Parameters cambiamos la luz de cielo (Skylight) a mr Sky, nos aparecerá lo siguiente:

Esto agregará un cielo generado por Mental Ray llamado mr Physical Sky, el cual podrá visualizarse en el panel de Environment and Effects. Para este ejercicio, iremos al panel respectivo y una vez allí desactivaremos el uso del mapa (casilla Use Map) y no colocaremos ningún control de exposición en Exposure Control por el momento. Si queremos, podemos hacer un Render Preview para apreciar la vista previa del render.

Una vez realizado lo anterior, realizaremos un render para apreciar el resultado:

Como vemos en la imagen, este es un render “en bruto” en el que se aplican los nuevos parámetros de iluminación de Mental Ray en el Daylight aunque no posee ningún control de exposición o rebote de luz aplicado y por ende, debemos mejorarlo. Para ello, volvemos al panel Exposure Control y una vez allí activaremos el mapa mediante Use Map y de paso, también activaremos Logarithmic Exposure Control. Como esta escena es exterior, deberemos marcar también la casilla Exterior Daylight. Si volvemos a realizar un render, el resultado ahora es el siguiente:

Tip: si queremos reducir el granulado o Noise en el render de Mental Ray, en la ventana del render debemos ajustar el valor en Image Precision. Eso sí, a costa de tiempo de renderizado.

Como vemos claramente, el render ya se ve muchísimo mejor pero aún no hemos definido el rebote de luz o GI. Podemos realizar el mismo render pero esta vez eligiendo en Exposure Control el control de tipo mr Photographic Exposure Control. En este caso, es importante mantener el valor de Exposure Value (EV) en 15 ya que este generará una iluminación más acorde a las escenas exteriores:

El resultado al realizar el render esta vez es el siguiente:

Un aspecto interesante de Exposure Value es que podremos variarlo para generar iluminación más clara u oscura según el tipo de escena que estemos renderizando. En este caso, podemos bajar la intensidad de este y realizar un nuevo render para apreciar una iluminación más clara de la escena:

Render anterior realizado con EV=11.

Ahora bien, si tuviéramos una escena exterior pero la vista está desde el interior del edificio tal como ocurre en este archivo, también podemos utilizar también la opción Automatic Exposure Control para generar la iluminación. En este caso podremos editar los parámetros de brillo (Brightness), contraste (Contrast), Exposure Value o EV (el cual va de 0 a 5), Physical Scale (por defecto 1500) y también podremos ajustar la corrección de color o Color Correction, o desaturar los niveles bajos (Desaturate Low Levels). Esto nos permitirá ajustar mejor la iluminación de nuestra escena y si queremos, podremos generar una vista previa del render si presionamos Render Preview.

Realizaremos un render para apreciar el resultado:

Si bien ya hemos realizado renders con varios tipos de control de exposición, en ninguno de ellos está aplicada la iluminación directa o GI, ya que esta debemos activarla en las opciones propias del motor de render Mental Ray. Como ya sabemos, en Mental Ray el GI se logra con una técnica llamada Photon Map (Photon Mapping) que tiene ciertas ventajas sobre otras técnicas como Radiosity, ya que esta técnica de GI no depende de la cantidad de malla ni tampoco necesita generar una “solución previa” al renderizado final. En nuestro modelo, activaremos el GI de Mental Ray desde la persiana Indirect Ilumination del cuadro Render Setup. Si ahora realizamos el render, el resultado es el siguiente:

Render realizado mediante mr Photographic Exposure Control y valor de EV=15, en calidad Draft (borrador) y aplicando solamente Indirect Diffuse (GI).

En este caso el render ya se ve mucho mejor pero solamente hemos activado Indirect Diffuse (GI) y por lo tanto, tendremos el rebote de luz. Si bien podemos mejorar un poco el render bajando la cantidad de EV, la iluminación no será del todo realista y por ello, requeriremos activar también la opción Final Gathering (Final Gather en versiones más antiguas). Para ello, desactivamos Indirect Diffuse y activamos Final Gathering. Con Final Gathering activado, Mental Ray estima la iluminación global para un punto dado lo que genera un paso más de Photon Map (mapa de fotones), y con esto se mejora notablemente la iluminación global de la escena. Eso sí, a costa de tiempo de render. Si realizamos el render activando Final Gathering pero no activamos Indirect Diffuse, el resultado es el siguiente:

En ambos sistemas de GI tendremos la opción GI/FG Precision Presets, donde podremos controlar la calidad del render y por defecto en ambos está activada la opción Draft. Si lo movemos aumentaremos la calidad de la imagen, pero el tiempo de render será considerablemente más largo. Si realizamos un render mezclando ambos sistemas (Final Gathering e Indirect Diffuse), el resultado será el siguiente:

En el caso de los valores de GI o Indirect Diffuse, si desactivamos Final Gathering podremos ver y controlar la cantidad de fotones en la escena activando Photon Mapping. Si lo activamos y además desactivamos GI junto con Final Gathering, el resultado del render es el siguiente:

Entre los parámetros de Photon Mapping que podemos editar se encuentra el número de fotones por muestreo o Maximum Num. Photons per Sample ya que, mientras estos estén más juntos, se mezclarán de mejor manera y por ello podremos tener un render más realista. También podemos definir el radio máximo de cada fotón activando y luego definiendo el valor de Maximum Sampling Radius. Otro parámetro que podemos aplicar es Merge Nearby Photons (saves memory), el cual fusionará los fotones cercanos lo cual nos permitirá ahorrar memoria, y para que se optimice de forma correcta al combinarlo con Final Gathering podemos activar Optimize for Final Gather (Slow Photons). En los ejemplos siguientes, se ha configurado un número limitado de fotones y definido el radio además de Merge Nearby Photons, y podemos apreciar los renders resultantes:

Configuración de Photon Mapping y render resultante, donde notamos que los fotones no se juntan del todo bien y provocan errores en el renderizado.

Configuración del mismo render anterior pero en este caso, se ha configurado de forma extra Merge Nearby Photons (saves memory) y su valor se ha ajustado a 0,5.

Ahora bien, si aumentamos la cantidad de fotones y no activamos Maximum Sampling Radius, el renderizado mejorará de manera notoria puesto que los fotones aumentarán su número y por ello estarán más juntos, y por lo tanto es el más adecuado para nuestra escena. Sin embargo, debemos recordar que una vez realizada al configuración de fotones, debemos también activar Indirect Diffuse (GI) para ver el render de forma definitiva.

Render realizado con Photon Mapping activado y 3000 fotones en Maximum Num. Photons per Sample, sin activar GI ni Final Gathering.

Render realizado con Photon Mapping activado y 3000 fotones en Maximum Num. Photons per Sample, con GI y Final Gathering activados.

Para finalizar la generación de GI en Mental Ray, podemos ir probando el renderizado con Logarithmic Exposure Control o Physical Camera en lugar de mr Photographic Exposure Control, o también podemos cambiar los parámetros de edición de Daylight como mr Sun por IES Sun y/o mr Sky por IES Sky, para así apreciar los diferentes efectos en el renderizado con GI de Mental Ray.

Render realizado con GI de Mental Ray, con control de Exposición en Logarithmic Exposure Control, Exterior Daylight activado y las luces de Daylight Mr Sun y Mr Sky.

Render realizado con GI de Mental Ray, con control de Exposición en Physical Camera Exposure Control y las luces de Daylight Mr Sun y Mr Sky.

Render realizado con GI de Mental Ray, con control de Exposición en mr Photographic Exposure Control y las luces de Daylight IES Sun e IES Sky.

Render realizado con GI de Mental Ray, con control de Exposición en mr Photographic Exposure Control y las luces de Daylight Sunlight y Skylight.

Generando efectos cáusticos con Mental Ray

El efecto cáustico se produce cuando la luz que se proyecta en los objetos se refleja o refracta a través de otro objeto. Este efecto que es muy común en objetos que poseen refracción como el agua o el vidrio, en los cuales se pueden apreciar pequeños destellos en las sombras de los objetos. En Mental Ray este tipo de efecto es bastante fácil de conseguir ya que debemos realizar los siguientes pasos:

1) Debemos ir a Render Setup (F9) y en la persiana Indirect Ilumination buscamos Caustics (Caustics and Global Ilumination en versiones antiguas de Mental Ray), allí activamos la opción Enable. Además, activaremos Final Gather e Indirect Diffuse o GI.

2) Debemos asegurarnos que en las propiedades del o los objetos (y luces) que estarán afectos a las cáusticas, esté marcada la opción generar cáusticas o Generate Caustics.

Ejemplificaremos esto mediante el siguiente ejercicio: usando el mismo archivo base, crearemos una esfera en el interior del templo de tal forma que este quede encima del piso de este y luego vamos al editor de materiales (M). Ahora, le aplicaremos un material transparente de tipo Raytrace (donde asignaremos un color cualquiera en Diffuse y luego lo copiaremos en Transparency), o bien crearemos un material Standard que tenga este mapa en los canales de Refraction y Reflection. Otra opción es elegir el Template Solid Glass en Physical Material aunque en este caso, lo haremos mediante el material Raytrace.

Podemos cambiar la perspectiva o crear una nueva cámara para apreciar mejor la esfera y también nos convendría ajustar el mes y/o la hora de Daylight, de modo que la sombra sea visible en el render final.

Lo que haremos ahora es ir a las propiedades de la esfera y habilitar la generación de cáusticas. Para ello, seleccionamos la esfera y cliqueando con el botón secundario seleccionamos la opción Object Properties:

Una vez allí, nos dirigimos a la persiana mental ray y activaremos la casilla Generate Caustics. Como ya sabemos, esto debemos hacerlo en la esfera y en todos los objetos en los que queremos que se generen las cáusticas. Incluso, debemos realizar este mismo proceso en cualquier luz artificial que insertemos para que resulte el efecto, como por ejemplo en el caso de las luces de tipo Standard.

Una vez realizado todo esto, nos vamos a la vista de cámara o perspectiva y realizamos un render para ver el resultado final:

Render realizado mediante el material Raytrace. En este caso, se ha aplicado el valor por defecto de Maximum Num. Photons per Sample (100).

Si no se ve claramente el efecto cáustico en nuestra escena, podemos aumentar el valor de Multiplier de las cáusticas desde sus parámetros generales. Este es el resultado del render final con el efecto de cáusticas, con el multiplicador de ellas en valor 3:

Al igual que en el caso de Photon Mapping, también disponemos del parámetro Maximum Num. Photons per Sample el cual nos permitirá incrementar el número de fotones cáusticos y con ello, corregir las áreas de las cáusticas junto con el parámetro Maximum Sampling Radius. En el siguiente ejemplo, se ha incrementado el valor de multiplier a 5, el número de fotones a 500 y se ha colocado el valor 0,2 en Maximum Sampling Radius:

En materiales de tipo Physical como por ejemplo el template Solid Glass, al realizar el render se nos mostrará de la siguiente manera:

Render realizado mediante el material Physical.

Para este último caso, podemos corregir de forma parcial las cáusticas redefiniendo los valores anteriores. En el render de abajo, se ha incrementado el valor de Multiplier a 5, el número de fotones a 10000 y se ha colocado el valor 0,5 en Maximum Sampling Radius:

De todos modos, si vamos a trabajar con cáusticas en Mental Ray, lo mejor es utilizar el material Arch & Design ya que este está diseñado específicamente para este motor de render.

Este es el fin de este tutorial.

Bibliografía utilizada:

– Tutorial GI Standard y Mental Ray del profesor Sebastián Huenchual H., Carrera Animación Digital 3D, Instituto DGM.

– 3DSMAX User Guide reference.

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

 

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