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El proceso para obtener un render

El modelado es la primera parte en el proceso de generar una imagen virtual, es el momento en que el plano bidimensional se convierte en un cuerpo tridimensional al que podemos, posteriormente, añadir color, materiales, luces e inclusive animarlo. Esta parte del proceso es muy importante porque la calidad de la imagen final y muchos de los problemas de la iluminación que se presenten estarán relacionados con el diseño del espacio y el grado de complejidad del modelo.

La iluminación y la representación están fuertemente vinculados el uno con el otro, porque al igual que en la vida real el ordenador define los volúmenes de un espacio a través de la luz. Para poder realizar esta operación, es necesario indicar cada uno de los parámetros que compondrán la escena, el modelo tridimensional completo con todos sus materiales asignados. Cada material tiene una serie de opciones como el grado de transparencia, rugosidad o reflejo que, al ser modificados, adquieren las propiedades que el usuario desea y que en interacción con la luz funcionará de una u otra forma.

La iluminación es el paso más complejo de un render, debido a que depende en gran medida del resultado final del proceso. La colocación de las luces y su puesta a punto es un trabajo delicado donde los conocimientos técnicos y la sensibilidad artística del usuario juegan un papel importante. Finalmente, la manipulación del motor de render, que es la herramienta que controla todo el proceso de cálculo de la imagen en el ordenador (cada motor de render es diferente y da resultados distintos), exige del dominio de cada uno de los parámetros para que el resultado obtenido sea el previsto y no producto de la casualidad.

Una vez que todos estos elementos hayan sido asignados correctamente, el ordenador realizará el cálculo de la imagen que, dependiendo de las opciones que hayamos elegido, podrá tardar desde unos pocos segundos hasta varias horas. Por esta razón, se están desarrollando herramientas que realizan el cálculo de la imagen en tiempo real, lo que permite llevar a cabo visitas virtuales porque los cómputos que realiza el ordenador son tan rápidos que el usuario no percibe el tiempo que el ordenador ha tardado en procesarlos. Se podría decir entonces que el cálculo de las imágenes en tiempo real, son instantáneas.

A pesar de que el avance de la informática permite hoy que se puedan generar iluminaciones en tiempo real bastante aceptables, el usuario para poder obtenerlas debe renunciar a varios de los efectos complejos de iluminación, como sombreados degradados, refracciones , efectos cáusticos  o iluminación global. Todos estos efectos son muy importantes cuando se quiere

representar con realismo un espacio interior, algo que no pasa tanto con la iluminación exterior, donde los volúmenes se definen más fácilmente.

El modelo tridimensional

El primer paso en la creación de una escena tridimensional es el modelado de los objetos que la van a componer, existen varias herramientas y técnicas para crear objetos. Para poder modelar un objeto en un espacio tridimensional, hay que entender primero cómo funciona éste. El soporte de la escena es un espacio infinito que contiene un plano universal , este plano es muy importante porque todas las coordenadas del universo se definirán a partir de éste.

Para modelar en un determinado programa, primero se debe entender cómo funciona su sistema de creación de elementos, cada uno tiene puntos fuertes y débiles, y generalmente estará especializado en relación al uso que se le vaya a dar. Los programas CAD  utilizan sistemas muy precisos que se emplean para crear objetos que posteriormente serán construidos, como edificios, automóviles, aviones y productos industriales. Mientras que para crear animaciones y elementos que sólo existirán en la pantalla del ordenador, se utilizan programas que editan los objetos como si fueran de plastilina, en detrimento de la exactitud.

Modelado de mallas poligonales, es uno de los más extendidos dada la facilidad que se tiene a la hora de crearlos y editarlos, las mallas poligonales se crean a partir de superficies de tres vértices que se van uniendo a otros polígonos, los objetos creados con esta técnica son muy sencillos de editar moviendo los vértices de cada polígono, el problema radica en que el sistema sólo reconoce información de los vértices en los objetos, por lo que no se puede tener un control geométrico exacto de los objetos .

Modelado de sólidos, es el proceso en el que se utilizan objetos llenos, a partir de objetos simples como cubos y cilindros se van creando otros más complejos adicionando o substrayendo partes de dichos objetos .

Modelado de superficies, se utiliza bastante en la creación de productos industriales; este modelado emplea una o más curvas para generar superficies, tiene la ventaja de controlar matemáticamente toda la superficie de los objetos. Las superficies permiten obtener objetos curvos utilizando poca potencia del ordenador en relación a las mallas poligonales, que necesitan de muchos polígonos para lograr el mismo grado de suavidad en la curvatura de los objetos .

La mayoría de los programas incorporan estas técnicas, así que es necesario saber que es posible combinarlas en una misma escena, dado que hay objetos que se desarrollan mejor en una técnica y no tanto en otra.

Luz virtual

Simular la luz correctamente en un ordenador es un proceso complicado en el que intervienen diversos parámetros que van conformando cada uno de los comportamientos físicos que tiene la luz real . Este proceso en general tiene tres aproximaciones: la iluminación estándar , la iluminación fotométrica  y la iluminación de los motores de render.

La iluminación estándar es la forma de iluminación más sencilla en la que la luz no se refleja sobre las superficies, las sombras no se degradan ni se pueden generar efectos lumínicos complejos en los modelos sin la utilización de luces de apoyo. Estas limitaciones a menudo generan imágenes planas y sin profundidad, donde los elementos incorporados parecen falsos .

La iluminación fotométrica es la más compleja ya que implica la realización de grandes cantidades de cálculos matemáticos para simular el mismo comportamiento que tiene la luz real. Este tipo de iluminación permite asimismo la utilización de emisores de luz que simulan exactamente el comportamiento de sus homólogas de la vida real. Sin embargo, este proceso de iluminación es difícil y lento ya que consume grandes cantidades de recursos del ordenador en cada proceso.

La iluminación de los motores de render, como Vray, Final Render o Brasil, captan lo mejor de cada proceso, son más sencillos y rápidos a la hora de generar la imagen, y asimismo muy efectivos ya que en muchos casos superan en calidad y realidad a la iluminación fotométrica.

Simulando la luz natural

El buen entendimiento de la luz natural es esencial para comprender el comportamiento de la luz artificial. Se requiere conocer los conceptos básicos a partir de los cuales se rige la iluminación solar, para no cometer errores en las imágenes. El sol traza rayos paralelos por lo que las sombras de los objetos serán también paralelas. En un día completamente despejado se deberían obtener sombras perfectamente definidas, pero esto no ocurre en la realidad debido al tamaño del Sol, a medida que la sombra se aleja del objeto que la proyecta, ésta empieza a difuminarse. En un día totalmente nublado, las sombras desaparecerán casi por completo porque las nubes hacen de filtro y difuminan la luz, es por eso que en días nublados da la impresión de que las
cosas están flotando porque las sombras son las que definen a los objetos en el espacio. Este efecto va cambiando a medida que se va limpiando el cielo de nubes. Otro efecto importante que tiene la luz solar es que el color de la misma tiene estrecha relación con el momento del día y la situación meteorológica,  los efectos que se consiguen en condiciones extremas pueden ser interesantes. El ángulo del Sol en el cielo también es importante porque de éste depende la longitud y color que van a tener las sombras y el ambiente, cuanto más cerca estemos del amanecer o del atardecer, los objetos se verán más impactantes porque las sombras serán muy largas y como habrá menos luz toda la imagen resultará más contrastada, hay que tener en cuenta que el Sol nunca puede estar por debajo de la línea del horizonte.

Iluminación global

La iluminación global es quizás el proceso más lento y complicado que tiene un render, este proceso trata de simular correctamente todo el comportamiento que tiene la luz sobre los objetos, como el rebote y la reflexión de la luz indirecta sobre las superficies.

Obtener un buen resultado de iluminación en esta parte del trabajo es especialmente importante, dado que determinará que todos los elementos de la composición estén bien definidos en el espacio. Los objetos ganarán profundidad, las texturas, volumen, y se evitará el problema habitual de que  los objetos parezcan que están volando.

Para solucionar el problema de la reflexión de la luz sobre la superficie de los objetos de una forma eficiente, se desarrollaron diferentes algoritmos que simulan el comportamiento de la luz con las distintas  superficies y materiales.

Ambient Occlusion, es la forma más básica de iluminación global, creada en un tiempo en que la potencia de los ordenadores no permitía realizar cálculos de luz complejos.

El cálculo de iluminación indirecta se realiza calculando la reflexión de la luz en todas las direcciones de cada superficie, creando la ilusión de iluminación global pero sin llegar a obtener los resultados de otros algoritmos.

Ventajas: este sistema de cálculo es el más rápido y sencillo que existe para simular la luz indirecta y hasta ahora el más extendido en el mundo del video juego.

Desventajas: A pesar de conseguir un resultado aceptable para algunos usuarios, en general es muy pobre comparado con otras soluciones más complejas.

Esta forma de iluminación apenas fue utilizada en la arquitectura cuando estaba más vigente, actualmente ha sido prácticamente descartada de esta industria.

Radiosidad, es un algoritmo de cálculo de iluminación global que determina la reflexión de la luz dividiendo los objetos en áreas pequeñas y que son rearmadas en la imagen final. Cada área recibe la reflexión de otra área y, a su vez, ésta envía información a otras áreas. Este proceso es el mismo para cada rayo de luz emitido.

Con toda la información obtenida, el ordenador puede entonces determinar la cantidad de luz y color que cada objeto debe reflejar en los diferentes elementos de la escena, y cómo se deben suavizar la luz y la sombra para crear la ilusión de realismo.

Ventajas: La radiosidad es un sistema de iluminación que se acerca mucho al comportamiento de la luz en la realidad. Se pueden utilizar luces fotométricas para simular el cálculo de luz, lo que permite importar archivos de luces de las principales compañías de iluminación como ERCO, Philips y otras. Con lo que se puede utilizar en el ordenador las mismas lámparas que uno puede comprar en la vida real.

Desventajas: Es un sistema demasiado lento y bastante complejo a la hora de configurar los parámetros de una escena, esto ha llevado a los desarrolladores a buscar otros métodos más sencillos y rápidos.
Ray Tracing , calcula la trayectoria de la luz desde el punto de vista del usuario y no desde el emisor de luz como hacen habitualmente otros algoritmos, esto permite un mejor uso de los recursos de la computadora ya que sólo calcula lo que se puede observar.

Ray Tracing, calcula la trayectoria de la luz desde el punto de vista del usuario y no desde el emisor de luz como hacen habitualmente otros algoritmos, esto permite un mejor uso de los recursos de la computadora ya que sólo calcula lo que se puede observar.

El ray tracing a diferencia de la radiosidad, calcula la reflexión y refracción, y tiene un algoritmo de sombras que permite detectar si una superficie es visible a la luz.

Ventajas: Este algoritmo mejoró sustancialmente la calidad de la iluminación global, y la incorporación del cálculo de reflexión y refracción al algoritmo fue un paso importante en la simulación de la luz.

Desventajas: La extremada lentitud con la que realiza los procesos de cálculo y la cantidad de recursos que utiliza, impiden el trabajo fluido con este algoritmo. No necesariamente es el más realista ya que hay otros algoritmos que dan mejores resultados.

Photon Mapping   Es otra aproximación a la iluminación global que utiliza un algoritmo basado en el de ray tracing, esta técnica genera un photon que contiene el cálculo de iluminación independientemente de la geometría. Además es capaz de simular la refracción de la luz cuando pasa por objetos translúcidos como un vaso de agua, también puede simular los efectos causados por el humo o el vapor.

Este algoritmo utiliza un sistema de control de rayos para evitar mandar rayos innecesarios o enviar más rayos de los necesarios, lo que optimiza recursos del ordenador y mejora la velocidad de cálculo.

 

Ventajas: Realiza cálculos complejos de refracción, cáusticas y partículas. Mejora notablemente los tiempos de cálculo y optimiza los recursos del ordenador

Desventajas: Se requiere mucho tiempo para la configuración de los parámetros de cálculo. Pese a que los tiempos de cálculo mejoraron sustancialmente, éste es todavía lento

Motores de render

Los motores de render son aplicaciones (plugins ) que mejoran la calidad y los tiempos de cálculo a los motores que vienen por defecto en los programas de 3D.

La mayoría de los motores actuales utiliza versiones mejoradas de los algoritmos de cálculo de iluminación global que vimos anteriormente, aunque con el paso del tiempo éstos han sido mejorados y simplificados notablemente, es posible renderisar imágenes con efectos de luz complejos en muy corto tiempo, cosa que hasta hace poco era impensable

Pero los motores de render son mucho más que simuladores de la realidad, hoy en día se pueden generar imágenes de diversa forma, lo que permite que los usuarios no se restrinjan y puedan representar sus imágenes casi de cualquier forma que quieran, algunos de ellos, como el Illustrate para 3D Studio Max, simulan el dibujo a mano alzada, o las axonometrías utilizadas en la ingeniería, o plugins como el Vray Toon o el Toon Shader que simulan las caricaturas tipo manga.

En cualquiera de estos motores de render, la buena utilización de la luz será clave para obtener imágenes de calidad, aunque muchos otros parámetros entran en juego.

Hay que destacar la presentación de Maxwell Render que es el primer motor que simula prácticamente todos los efectos de luz casi sin configuración, además de tener un sistema de cámaras reales que se manipulan como en la vida real, lo que evita tener que hacer variadas pruebas para obtener los resultados deseados. El único aspecto desfavorable de este plugin es que requiere de un tiempo excesivo para realizar el cálculo de luz, aunque logra  garantizar una gran calidad en la imagen renderisada. Es importante destacar asimismo que éste es el primer motor de render pensado explícitamente para la arquitectura.

HDRI

El HDRI o High Dynamic Range image (imagen de alto rango dinámico) es una técnica que permite conseguir en una sola imagen un rango dinámico de iluminación más amplio que el que se obtiene con los procedimientos convencionales, esto significa que con la técnica HDRI se pueden conseguir valores de oscuridad y claridad que superan con creces el rango dinámico que nos pueden mostrar las pantallas del ordenador convencionales .

Las imágenes de HDRI se pueden conseguir de varias maneras, algunas de las más conocidas son las imágenes generadas por el ordenador, mediante renders, o las imágenes obtenidas por cámaras fotográficas convencionales en las que se toman varias fotos del mismo tema con un rango de exposiciones diferentes, éstas posteriormente se unen en programas especializados; también se pueden captar imágenes HDRI de cámaras especializadas que obtienen toda la información necesaria con una sola toma. Toda esta información “invisible” se utiliza en diversos campos, como es el de la fotografía. Con programas informáticos especiales, toda esta información se puede modificar para conseguir resultados que con las técnicas convencionales son imposibles. Entonces, las imágenes que antes perdían mucha información en las zonas más oscuras o claras ahora se pueden corregir manipulando las exposiciones.

Esta técnica es especialmente útil para el desarrollo de imágenes generadas por el ordenador, puesto que la información obtenida de las luces de la escena es insuficiente para lograr imágenes foto-realistas, con esferas HDRI se pueden iluminar objetos dentro de una escena interior o exterior, con los diversos tonos y colores obtenidos, estos objetos recibirán luz desde todos los ángulos de la escena, esta técnica se puede complementar con luces estándar o fotométricas para conseguir resultados más realistas.

Pruebas de iluminación

Para realizar la comparativa de iluminación, se modeló un espacio pequeño al que se le insertaron algunos elementos que nos ayudaron a entender mejor  el funcionamiento de cada proceso de cálculo. Las pruebas se realizaron con dos motores de render distintos, el nativo del 3D Studio y el Vray, cada uno con dos fuentes de iluminación diferentes.

En la primera prueba, se utilizó una luz directa que traza rayos paralelos simulando el comportamiento del Sol. Se colocó fuera del volumen con la intención de comprobar su capacidad para iluminar el espacio desde el exterior.
El primer motor utilizado fue el nativo de 3D Studio que usa un trazado de rayos simples para calcular la iluminación. Los resultados obtenidos fueron imágenes muy contrastadas con todos los tonos y sombras bien definidos. Sin embargo, la ausencia de algoritmos de iluminación global hizo que los espacios que no se encontraban directamente iluminados por la fuente de luz quedaran completamente negros.

El tratamiento de la imagen se puede mejorar con la utilización de algunos trucos, como el empleo de luces de apoyo o quitando la opacidad  a las sombras para mejorar la iluminación de los espacios muy oscuros, aunque en la mayoría de los casos el resultado será insatisfactorio.

Posteriormente, se realizó la misma prueba con el motor de iluminación global, el resultado fue superior al trazado de rayos simple, puesto que con el rebote de la luz sobre las superficies se obtuvieron tonos y degradados suaves; otro aspecto importante, es que sin la necesidad de utilizar otras fuentes de luz se logró iluminar la habitación en su totalidad de manera similar a como lo haría la luz real.

En cada caso se pueden apreciar algunas ventajas y desventajas, el nativo del 3D Studio es muy simple en su manejo y muchísimo más rápido en el cálculo de la iluminación, aunque esto va en detrimento de la calidad de la imagen final. En algunos casos, se presentan problemas que disminuyen la velocidad y hasta llegan a bloquear completamente el proceso, sobre todo cuando se utilizan materiales reflejantes. Con la práctica y experiencia se pueden conseguir mejores resultados con velocidades de cálculo muy reducidas.

La iluminación global es un sistema de cálculo complejo y difícil de aprender, pero con el que se obtienen imágenes bastante realistas, una vez aprendido se pueden configurar rápidamente los parámetros, aunque su mayor desventaja es la lentitud con la que realiza cada cálculo, la que va aumentando exponencialmente a medida que se insertan más objetos o se requiere mayor precisión en el cálculo de luz.

En la segunda prueba se utilizó una luz omni  (tipo bombilla) en una luminaria para controlar la emisión de los rayos. Al igual que en la primera prueba con el motor nativo del Max, se obtuvieron imágenes contrastadas, aunque esta vez el espacio estaba mejor definido; sin embargo, la parte que no estaba iluminada directamente quedó completamente negra, por lo que se debieron utilizar luces de respaldo para mejorar la imagen.

En el caso de Vray la calidad de la imagen fue correcta, con la salvedad de una especie de granulado que apareció en el lugar donde termina la iluminación directa. Es interesante apreciar algunos efectos que van surgiendo en la imagen, como son los tonos rojos de la esfera reflejados en el suelo a partir del rebote de rayos sobre las distintas superficies.

Es evidente que cada sistema de cálculo nos puede ofrecer resultados satisfactorios si tenemos experiencia en el manejo del programa y si tenemos una idea clara de la clase de imagen que deseamos, es muy importante tener conocimientos mínimos sobre el comportamiento de la luz dado que el ordenador por sí mismo no puede representar correctamente todos los efectos que la luz produce en contacto con las superficies.

Modelando la luz interior

El diseño y representación de espacios interiores no es tarea fácil. Muchos factores se deben tomar en cuenta. Uno de los más importantes es la iluminación, ya que la luz es la que define los espacios, los modifica y en su ausencia los hace desaparecer. Pero en la práctica, esta parte del proceso en muchos casos es dejada a un lado o sólo se toma en cuenta durante la ejecución del proyecto. Las herramientas informáticas no suelen utilizarse en el proceso de diseño, sobre todo en el de modelado tridimensional, éstas son generalmente empleadas como un instrumento de representación.
El diseño de la iluminación de un espacio interior a través del ordenador cuenta con la posibilidad de utilizar diferentes herramientas para determinar la mejor solución para cada espacio; existen herramientas que calculan los parámetros físicos de la iluminación, y herramientas para simular visualmente el comportamiento de la luz en el que entrarán muchos factores que afectarán su resultado final. Con la correcta utilización de estas herramientas, se pueden elegir la lámpara y luminaria que mejor se adapten al proyecto. Con los sistemas informáticos, se puede ir un paso más allá, se pueden realizar pruebas de diseño que de otra manera serían demasiado caras y complejas, realizar pruebas con colores, espejos, materiales nuevos de los que se conoce poco, todo esto es viable con la opción de efectuar cambios inmediatos en todo momento.

Sin embargo, el éxito del resultado final dependerá en gran medida de la habilidad del diseñador para entender el funcionamiento del sistema; sin experiencia, con una pobre idea de lo que se busca, y sin conceptos básicos sobre el comportamiento de la luz, se obtendrán resultados no deseados, insuficientes y carentes de algún valor. Por otra parte, es fundamental realizar un trabajo a fondo de postproducción para lograr un mejor resultado en cada una de las imágenes de la escena.

~ por administrador en mayo 31, 2011.

Escrito en Como Hacer un Render Para Arquitectura