Opinnäytetyö Fotorealistinen 3d renderöinti Valtteri Mäki Viestintä 2008
ii TURUN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖN TIIVISTELMÄ Koulutusohjelma: Viestintä Tekijä(t): Valtteri Mäki Työn nimi: Fotorealistinen 3d renderöinti Suuntautumisvaihtoehto: Digital Arts Aika: huhtikuu, 2008 Ohjaaja(t): Merja Puustinen, Vesa Kankaanpää Sivumäärä: 38 3d grafiikka on nykypäivän mediassa yksi suurimmista digitaalisen grafiikan työkaluista. Sen suosiota ja nopeaa kasvua selittää sen potentiaali tuottaa lähes täysin fotorealistista grafiikkaa, joka mahdollistaa muun muassa täysin uudella tavalla fantastisia visuaalisia elokuvanautintoja. Fotorealismi on siis 3d grafiikan suurimpia käyttötarkoituksia, ja siksi jokaisen 3dgraafikon tulisi omalta osaltaan pyrkiä omaksumaan fotorealistisen grafiikan tuottamiseen vaadittavat keinot ja periaatteet. Useiden erilaisten ohjelmistojen täyttämillä markkinoilla, 3d graafikko voi kuitenkin ohjelmistosta riippumatta perehtyä perimmäisiin elementteihin, jotka viime kädessä luovat kuvan fotorealismia. Tässä tekstissä käsittelen fotorealismin tuottamista 3d grafiikassa, tarkastellen fotorealismiin liittyviä ilmiöitä valokuvaajan tai 3d ohjelmistojen toimintaa tuntemattomien näkökulmasta. Jaan fotorealistisen grafiikan ilmiöihin tavalla, joka on sekä havainnollistava, mutta myös useimpien 3d renderöintiohjelmistojen käyttämä tapa. Kuljetan myös projektin mukana esimerkkiskeneä, johon lisään tekstin edetessä läpikäytyjä elementtejä, päätyen lopuksi fotorealistiseen lopputulokseen. Hakusanat: fotorealismi, 3d grafiikka, renderöinti, valaistus Säilytyspaikka: Turun ammattikorkeakoulun kirjasto
iii TURKU UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES ABSTRACT OF THESIS Degree Programme: Viestintä Author(s): Valtteri Mäki Title: Photorealistic 3d rendering Specialization line: Digital Arts Date: April, 2008 Instructor(s): Merja Puustinen, Vesa Kankaanpää Total number of pages: 38 Today, 3d graphics is one of the biggest tools in the area of digital graphics. Its fame and rapid growth can be explained by its large potential for nearly perfectly photorealistic graphics, which among all brings us the joys of completely new kind of fantastic visual motion pictures. As one of the biggest usages for 3d graphics is photorealism, should every 3d artist strive to adopt the means and principles used to produce photorealistic graphics. In the world, filled with different kinds of software, a 3d artist can still become familiar with the basic elements which create photorealism to an image, without being tied to a certain software. In this text I handle the production of photorealism in 3d graphics by examining photorealism related phenomenon from the point of view of a photographer or some with little knowledge of the functionality of 3d software. I divide photorealistic graphics into separate elements, which is at the same time comprehendable, but also goes together with the 3d softwares way of handling the phenomenon in an image. I also carry an example scene along throughout the text and add elements to it as the text goes along, aiming to a photorealistic end result. Keywords: photorealism, 3d graphics, rendering, lighting Deposit at: Library of Turku University of Applied Sciences
iv Sisällys Tiivistelmä... ii Abstract... iii Sisällys...iv 1 Johdanto...1 2 Fysikaalinen lähestymistapa...5 3 Valo ja varjo...8 3.1 Valonlähteet...8 3.2 Varjostus ja väri...9 3.3 Heittovarjot...11 4 Epäsuora valo...13 4.1 Heijastuminen...13 4.1.1 Heijastus ja kiilto...13 4.1.2 Radiositeetti...15 4.2 Taittuminen ja sironta...18 4.2.1 Taittuminen...18 4.2.2 Kaustiikka...20 4.2.3 Sironta...22 5. Valovoima...24 6. Kameran tuottamat ilmiöt...27 6.1 Syväterävyys...27 6.2 Liike epäterävyys...29 6.3 Optiset efektit...31 7 Yhteenveto...34 Lähdeluettelo...35
1 1 Johdanto 3d grafiikasta on kolmen vuosikymmenen kehityskaarensa aikana muodostunut iso osa viihdeteollisuutta ja mediaa. Alkuaikojen erikoisuudesta ja kokeellisesta tavasta luoda uudenlaista grafiikkaa on kehittynyt lähes standardinomainen työkalu luoda niin fantasiamaailmoja valkokankaalle, kuin myös havainnollistavaa info ja mainosgrafiikkaa. 3d grafiikan suurin etu muunlaiseen keinotekoiseen kuvaan, on sen suuri potentiaali uskottavaan fotorealismiin. Nykypäivän tietokoneilla ja moderneilla 3d ohjelmistoilla on mahdollista luoda grafiikkaa, jota ihminen ei enää pysty erottamaan valokuvasta tai todellisesta maailmasta, ja valkokankaalla onkin jo yli vuosikymmenen ajan nähty täydestä meneviä digitaalisia maailmoja, eläimiä ja jopa ihmishahmoja. Saattaa herätä kysymys, miksi tuottaa täysin fotorealistista 3d grafiikkaa kun valokuvaaminen tuottaa sitä napin painalluksella. On kuitenkin selvää, että 3d grafiikka mahdollistaa sellaisten esineiden, hahmojen, efektien ja muiden ilmiöiden luomisen, joita tosielämässä ei esiinny, tai olisi vaikeaa luoda esimerkiksi lavastamalla tai muilla keinoin. Erityisesti valmiiksi kuvattuun stilli tai videokuvaan digitaalisia elementtejä lisätessä, näiden elementtien täytyy vaikuttaa tarpeeksi fotorealistisilta, jos pyritään täydelliseen illuusioon niiden todellisuudesta. Fotorealistisesta 3d renderöinnistä on myös helpompi laskeutua alemmas: jos hallitsee fotorealistisen renderöinnin periaatteet, voi niitä soveltaa myös tyylitellympään, vähemmän realistiseen grafiikkaan. Samalla tavoin kuin piirtäessä kynällä paperille, on valojen ja muiden tosielämän ilmiöiden tuntemuksesta suuri hyöty vaikka piirtäisi hyvin tyyliteltyä sarjakuvamaista grafiikkaa. Tässäkin tekstissä käsiteltäviä keskeisiä pääaiheita voisi hyvin soveltaa vaikkapa perinteiseen maalaustaiteeseen, teksti vain keskittyy 3d ohjelmistojen käyttöön työkaluna, maalin ja siveltimen sijaan. Käsittelen tekstissäni fotorealismia, eli todellisen maailman mahdollisimman realistista visuaalista matkimista 3d grafiikan keinoin, mutta pyrin lähestymään asiaa helpommin ymmärrettävästä näkökulmasta, ikään kuin valokuvaajan tai kuvataiteilijan lähtökohdista. 3d grafiikassa on monesti loppujen lopuksi kyse tosielämän simulaatiosta, eikä tosielämän optisten valoilmiöiden fysiikan havainnollistaminen ja selkeyttäminen ole välttämättä mutkatonta ja helposti ymmärrettävää. Vaikka tosielämässä valon kulku ja kuvan
2 muodostuminen voidaan periaatteessa tiivistää yhteen ilmiöön tai jopa matemaattiseen lausekkeeseen, käytännössä ihminen hahmottaa valon tuottamia ilmiöitä erillisinä elementteinä. Samoin myös 3d renderöintiohjelmistot käsittelevät kuvaa muodostaessaan eri simulaatioita erillisinä elementteinä, yhdistäen ne lopuksi yhteen kuvaan. Jaan itse tekstissäni koko fotorealismin kentän samoihin erillisiin elementteihin mitä 3d ohjelmistot useimmiten käyttävät, samalla jäsentäen visuaalisen maailman vaikeaselkoista fysiikkaa helpommin ymmärrettäviin osioihin. Lisäksi 3d grafiikassa ja yleisesti tietokonegrafiikassa liikkuu paljon termejä ja käsitteistöä, joiden sisältö ei välttämättä aukea kaikille automaattisesti. On siis helpompi lähestyä asiaa käyttäen yleisesti ymmärrettävämpää kieltä. [kuva 1.] 3d grafiikassa tosielämän ilmiöt on jaettu erillisinä laskettaviin elementteihin, joita voi myös renderöidä erikseen, jälkeenpäin yhdistelyä varten. Tosielämässä tällaista jaottelua ei oikeasti tietenkään tapahdu. Sen lisäksi että käytän havainnollistavia valokuvia ja kaavamaisempaa infografiikkaa, kuljetan myös tekstissäni pienimuotoista projektia. Olen esivalmistellut 3d skenen, johon lisään tekstin edetessä lisää elementtejä sitä mukaa kun käyn niitä läpi. [ks. kuva 2.] Esimerkkiskenessä käytän esineitä, joiden materiaalit esittelevät useimmin fotorealismissa tarvittavien ilmiöiden kirjon jokseenkin sievässä paketissa. Käytän myös yksinkertaisuuden vuoksi esimerkissä vain yhtä valoa, jolloin valaistus ja sen vaikutukset
3 erottuvat paljon selkeämmin. Tavoitteena on saada lopussa alun yksinkertaiselta näyttävä skene vaikuttamaan valaisun ja materiaalien kannalta täysin fotorealistiselta. Täyteen fotorealismiin on kuitenkin suhtauduttava tässä pienellä varauksella siinä mielessä, että todellisesta uskottavuudesta iso osa tulee uskottavasta mallinnuksesta ja realistisesta teksturoinnista. Jätän kuitenkin tarkoituksella käsittelemättä mallintamiseen ja teksturointiin liittyvät asiat, sillä ne eivät sinänsä liity itse renderöintiin, valaistukseen ja materiaaleihin. Suurin ja tärkein osa fotorealismista syntyy valon kulkuun ja materiaaleihin liittyvien ilmiöiden toistamisessa, ja ilman niitä upeat mallit hyvillä tekstuureilla, vaikuttavat epäaidoilta. En myöskään puutu tekstin aikana kaikista fundamentaalisimpiin osa alueisiin 3d grafiikan muodostamisessa, kuten perspektiiviin ja projektioon liittyviin ilmiöihin. Vaikka nämä asiat ovat kieltämättä jopa valon kulkemisen simulointia tärkeämpiä elementtejä fotorealismin luomisessa, ei niiden käsitteleminen tässä tekstissä ole mielestäni tarpeellista sillä perspektiivi ja projektio jo itsessään määrittelevät sitä kenttää, jossa tämäkin teksti liikkuu 3d grafiikkaa. Käsittelen siis toisin sanoen tekstissäni fotorealismia 3dgrafiikassa, ja perspektiiviasioiden käsitteleminen olisi jo itse 3d grafiikan teorian itsensä käsittelyä.
4 [kuva 2.] Esimerkkiskenen metallinen tarjotin, posliinikannu, viskilasi ja kynttilä ovat kuvassa täysin alkutekijöissään. Kuten aikaisemmin mainitsin, 3d grafiikassa käytettävä termistö on usein ulkopuoliselle tuntematonta ja myös suurimmaksi osaksi aina englanninkielistä. Käytän silti kuitenkin tekstissä runsaasti englanninkielistä 3d termistöä suomennosten sijaan, sillä 3d grafiikkaa käsittelevässä kirjallisuudessa ja internetin mahdollistamassa maailmanlaajuisessa 3dharrastajien ja ammattilasten verkostossa kommunikointikielenä toimii englanti. Englanninkielinen termistö on niin vakiintunut 3d grafiikkaan ja digitaaliseen grafiikkaan yleensä, että vakiintuneita tai virallisia suomenkielisiä vastineita alan termeille, muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta, ei joko yksinkertaisesti ole olemassa, tai kukaan ei käytä niitä. Jokaisen englanninkielisen tai englannista juontuvan termin jota käytän, selitän tai käännän jossain vaiheessa myös suomeksi. Käytän kuitenkin aina kussakin asiassa luontevimmalta tuntuvampaa termiä, oli se sitten suomen tai englanninkielinen. Selvennyksen ja erottelun vuoksi erotan jokaisen englanninkielisen termin kursivoidulla tekstillä.
5 2 Fysikaalinen lähestymistapa Jos mietitään miten visuaalinen näköhavainto tai kuvan tallennus ylipäätään tapahtuu, voidaan tarvittavat elementit jakaa karkeasti kolmeen olennaiseen elementtiin. Ensinnäkin tarvitaan kirkas valonlähde joka tuottaa valoa, sekä jonkinlainen optinen systeemi joka osaa muodostaa ympäristöstään saapuvasta valosta kaksiulotteisen kuvan. Jotta kuvassa näkyisi ylipäätään mitään mielenkiintoista, tarvitaan lisäksi myös eri aineiden välisiä rajapintoja toisin sanoen kappaleita jotka muokkaavat valon kulkua ja ominaisuuksia. Maailma on hyvin monimutkainen sekoitus erilaisia kappaleita ja aineksia, jotka kaikki muuttavat valon suuntaa ja laatua eri tavalla. Valonsäteet läpäisevät joitain aineita helposti, kun taas monet aineet imevät valon hetkessä itseensä. Myöskin aina kohdatessaan uuden materiaalin, osa valosta jatkaa kulkuaan kappaleen sisälle ja osa heijastuu takaisin materiaalin ominaisuuksien mukaan. Luonnollisestikin materiaalien ominaisuudet siis vaikuttavat siihen minkä värinen ja kuinka kirkas kuva ympäristöstä muodostuu. Lopulliseen kuvaan vaikuttavat kuitenkin myös lisäksi tekijät jotka eivät riipu itse kuvattavasta ympäristöstä vaan kuvausvälineistä. Kameroiden ja silmien optiikka luo kuvaan ilmiöitä, joita olemme kaikki tottuneet luonnostaan näkemään. Olennaisimmat ja näkyvimmät tällaiset efektit ovat syväterävyys ja liike epäterävyys, jotka sumentavat kuvaa molemmat omalla tavallaan. Tietokonegrafiikkaa luodessa, tosielämän ympäristöjä ja optisia ilmiöitä voidaan matkia simuloimalla täysin matemaattisesti oikean valon fysiikkaa. Grafiikan luomiseen tällaisten suorien simulaatioiden vaatima laskentateho on kuitenkin vielä tänäkin päivänä aivan liian suuri. Paljon järkevämpi ja nopeampi tapa 3d renderöintiin, on simuloida erilaisia tosielämän ilmiöitä erillisinä elementteinä vähemmän fysikaaliselta pohjalta, käyttäen todellista tai todellisen kaltaista simulaatiota vain tarvittaessa. 3D renderöinti on yllättävän vanha keksintö, ja siihen liittyvät lausekkeet ja matemaattiset kaavat juontuvat jopa kauas 1960 luvulle asti. Alhaiset konetehot ovatkin aina 2000 luvulle asti pakottaneet ohjelmoijat ja graafikot keksimään lukuisia keinoja realistisempien tulosten saavuttamiseksi, säästäen kuitenkin samalla konetehoa ja aikaa. Yllättävänkin
6 yksinkertaiset keinot ovat auttaneet graafikkoja luomaan hämmästyttävän todentuntuista grafiikkaa, aikoina jolloin tietokonepelitkin näyttivät vielä pikselipuurolta. Hyvä esimerkki pitkään hyvin toimineesta jäljittelystä ovat esimerkiksi blinn ja phongshaderit. Blinn ja phong algoritmit simuloivat materiaalin kiiltävyyttä luomalla kirkkaan läiskän ns. specularin kappaleen pinnalle suhteessa siihen, missä kulmassa ja kuinka kaukaa valonlähde sijaitsee kappaleesta. Tämän tarkoitus on simuloida kirkkaan valonlähteen heijastusta kappaleen pinnasta, ilman että tarvitsisi raskaasti simuloida muun ympäristön heijastusta, joka on yleensä varsin huomaamaton speculariin verrattuna. Tosiasiassa kiiltävien kappaleiden simulointi pelkällä specularilla ei riitä luomaan tarpeellista fotorealismin tasoa, ja tilannetta onkin silloin lähestyttävä paljon fysikaalisemmilla työkaluilla. [kuva 3.] Esimerkki heijastuksien simuloimisesta biljardipallon pinnalla. Vasemmanpuoleinen pallo simuloi pelkät valonlähteiden kiillot (phong shader), keskimmäinen taas heijastaa koko ympäristönsä. Oikealla on vertailukohteena valokuva oikeasta biljardipallosta. Nykypäivänä iso osa näistä vanhoista menetelmistä alkaa kuitenkin olla käyttökelvottomia fotorealismia tavoiteltaessa. Huimien konetehojen mahdollistamat uudet renderöintimenetelmät simuloivat heijastumista, taittumista, sirontaa, valovoimaa ja optisia efektejä nopeammin ja vaivattomammin kuin koskaan, eikä vanhakantaisiin kikkoihin enää ole aina tarvetta. Täysin käyttökelvottomia nämä vanhat shader mallit eivät kuitenkaan ole; hienoisesti heijastaviin mattamateriaaleihin nämä shaderit kelpaavat oikein mainiosti ja tuottavat taatusti tarpeeksi fotorealistisen tuloksen, säästäen samalla huomattavasti aikaa. Esimerkiksi peliteollisuudessa nopea, reaaliaikainen 3d grafiikka menee edelleen fotorealismin edelle.
7 Markkinoilla on tarjolla jopa hyvin tarkkaan, lähes täydelliseen simulaatioon perustuvia renderöintipaketteja, kuten esimerkiksi Maxwell Renderer joka kutsuu itseään nimellä Light Simulator valosimulaattori. Kyseinen ohjelmisto on tietääkseni ainoa kaupallinen ohjelmisto joka renderöi kuvaa simuloiden tarkasti valon kulkua ja optiikkaa hämmästyttävällä fyysisellä tarkkuudella. Silti suurin osa kaupallisista renderöijistä ja 3dohjelmistoista tasapainoilee jäljittelyn ja simulaation välimaastossa. Yleisimmät kaupalliset renderöijät, kuten Mental Ray, V Ray, RenderMan ja monet mallinnusohjelmistojen omat renderöintipaketit pystyvät luomaan täysin uskottavaa fotorealismia, mutta päihittävät samalla nopeudessa Maxwellin todellisen simulaation moninkertaisesti 1. Jotta näillä yleisimmillä nykyaikaisilla renderöintiohjelmistoilla saisi luoduksi uskottavaa fotorealismia, on tärkeää korvata tietotaidolla se mikä simulaatiosta jää puuttumaan. Hyvä 3d graafikko osaa lähestyä haluttua tavoitetta oikean maailman fysikaaliset ominaisuudet mielessä pitäen ja valita oikeat tavat luoda 3d ohjelmistolla tulos jossa maksimoituu realismin taso ja minimoituu kulutettujen resurssien ja ajan määrä. Fysikaalisten ilmiöiden tunteminen ja ymmärrys niiden vaikutuksesta kuvaan onkin tärkeä ensiaskel fotorealistisen tietokonegrafiikan luomisessa. 1 http://www.absentdrone.com/cgtalk/getting_the_maxwell_look_in_mental_ray.pdf
8 3 Valo ja varjo Yksinkertaisinkin 3d grafiikka vaatii tiettyjä avainasioita luodakseen illuusiota todellisesta maailmasta. Tässä kappaleessa on käsitelty kolmea mielestäni olennaisinta elementtiä, jotka luovat 3d ympäristöön alkeellista, mutta tärkeää realismia. 3.1 Valonlähteet Valonlähde on tosimaailmassa aina jonkinlaista materiaa tai jonkinlainen kiinteä objekti joka tuottaa syystä tai toisesta valoa. 3d ohjelmistoissa valon luominen geometristen kappaleiden perusteella on kuitenkin hyvin hidasta, ja siksi sen simulointiin käytetään useimmiten erityisiä valo objekteja. 3d ohjelmistot kohtelevat siis valoja erillisinä elementteinä, eroten normaaleista kappaleista. 3d graafikon on kuitenkin hyvä pitää mielessä, että valonlähde on aina kuitenkin oikeassa maailmassa fyysinen geometrinen kappale. Yksinkertaisin teoreettinen valotyyppi on pistemäinen, nollaulotteinen valo. Tosielämässä pistevaloja ei käytännössä ole olemassa, mutta 3d grafiikassa se on silti hyvin yleinen tapa valaista yksinkertaisuutensa ja siten myös nopeutensa takia. Fotorealististen valaistuksen luomiseksi, valaisuun on käytettävä kuitenkin vähintään yksiulotteista janaa, mielellään kuitenkin 2 tai 3 ulotteista aluetta. Tämä juuri siksi, että tosielämässä valoilla on aina oma tilavuutensa ja pintansa, eikä pistevaloja ole todellisuudessa olemassa. Valonlähteen pohjana käytettävä alue vaikuttaa suuresti kappaleiden synnyttämiin varjoihin ja heijastuksiin, ja sen vaikutus näkyy siksi selkeästi lopullisessa kuvassa. Pistemäinen valo tuottaisi täysin terävät varjot ja kiillot, jotka ovat käytännössä mahdottomia. [ks. kuva 6.] Tärkeä valon ominaisuus joka on aina otettava huomioon, on valon heikkeneminen sen edetessä (decay of light, light decay). Vaikka valo kulkisi täydessä tyhjiössä, sen valovoima heikkenee sen edetessä, valaisten kaukana olevia esineitä yhä heikommin. Valon eteneminen heikkenee tietyn neliöjuuriyhtälön 2 mukaisesti, mutta olennaisinta on 2 http://en.wikipedia.org/wiki/inverse square_law
9 tietää että heikkeneminen tapahtuu nimenomaan eksponentiaalisesti eikä esimerkiksi lineaarisesti. Vääränlainen heikkenemismalli saattaa vaikuttaa epäluonnolliselta. Jos 3dohjelmiston valonlähteet eivät aseta valoille heikkenemismallia automaattisesti, täytyy niille käsin määrittää heikkenemisen laatu. Poikkeustapauksena on kuitenkin laservalo joka kulkee niin suoraviivaisesti, ettei se heikkene lainkaan. Valon väri on myös toinen hyvin tärkeä asia pitää mielessä. Useimmiten kaikki tavallisimmat valonlähteet kuten aurinko ja hehkulamput mielletään valkoisiksi, mutta tosiasiassa valojen hienoisilta vaikuttavat värierot ovat usein hyvinkin tärkeässä osassa monissa kuvissa. Valon väriä käsitellessä puhutaan värilämpötilasta. Hyvä esimerkki on päiväsaikaan varjon ja auringon ero. [kuva 4.] Valojen pieni väriero saattaa olla joskus tärkeä. Auringonvalon ja varjon ero voi olla auringonlaskun aikaan hyvinkin dramaattinen. 3.2 Varjostus ja väri Suurin osa näkyvästä materiasta ei kuitenkaan tuota valoa vaan heijastaa sitä. Kappaleen muoto ja väri sellaisina kuin me ne näemme, määrittyvät lähes täysin sen mukaan, miten kappale heijastaa ympäriltään tulevaa valoa kohti kameraa tai silmää. Jotta kappale tietäisi miten sen pitää reagoida valoon, on 3d grafiikassa niille määritettävä materiaali tai shader. Suomennettuna voisi puhua myös varjostimesta, sillä sana materiaali ei välttämättä selvennä asiaa samoin kuin englanninkielinen vastineensa. Shader on ikään kuin pinnoite joka jokaiselle kappaleelle on asetettava että kappaleen saisi näkymään. Se määrittää millaisena kappale näkyy ja miten se vuorovaikuttaa ympäristönsä kanssa.
10 Shadereita on hyvin paljon erilaisiin tarkoituksiin. Jotkut ovat hyvinkin yksinkertaisia ja tiettyyn asiaan erikoistuneita, kun taas jotkut ovat erittäin monipuolisia ja kaiken kattavia. Esimerkiksi pienten pölyhiukkasten materiaaliksi voi riittää vain pelkkä yksi väri josta näkyy hieman läpi, kun taas kynttilän materiaalissa on otettava kaikkien muiden ominaisuuksien lisäksi huomioon valon kimpoilu kynttilämateriaalin sisällä. On kuitenkin kaksi reaalimaailmassa jatkuvasti silmiemme edessä olevaa ilmiötä, jotka shaderin on aina tuotettava, mikäli halutaan pyrkiä edes yksinkertaiseen realismin tasoon Olennainen ilmiö, jonka lähes jokainen shader tuottaa automaattisesti, on varjostuksien tuottaminen kappaleeseen. Kun tarkastelee mattapintaisia objekteja reaalimaailmassa, on itsestään selvää että kappaleen toinen puoli kirkastuu ja toinen puoli pysyy tummana, riippuen siitä mistä suunnasta valo osuu siihen. Tämän ilmiön toistaminen on ehkä olennaisin asia alkeellisimmankin 3d realismin saavuttamisessa; ilman tätä varjostusta minkään kappaleen kolmiulotteinen muoto ei tule esiin. Siksi useimmat 3d ohjelmistot ja niiden sisältämät shaderi tekevät tämän varjostuksen oletuksena. [kuva 5.] Kappaleen muoto tulee esiin vasta kun se varjostetaan. Toinen olennainen asia jonka shader yksinkertaisimmillaankin määrittää, on kappaleen väri (tai tekstuuri). Kappaleen väriä kutsutaan 3d grafiikassa useimmiten nimellä diffuse. On mielestäni tärkeää ymmärtää, että sana diffuse juontuu hyvin harhaanjohtavasti käsitteestä diffuse reflection, joka tarkoittaa sironnutta tai hajaantunutta heijastusta. 3dgrafiikassa värin määrittäminen kappaleelle on eräs yksinkertaisimmista toiminnoista, mutta tosielämässä kappaleen väri määrittyy paljon monimutkaisemman prosessin kautta.
11 Kappaleiden väri koostuu enimmäkseen siitä, että valo tunkeutuu kappaleen sisälle ja hetken siellä kimpoiltuaan palaa takaisin erivärisenä, ja lisäksi osa siitä heijastuu kappaleesta tietynvärisenä pois 3. Tällaisen ilmiön simulointi käyttämällä tarkoitusta vasten tehtyjä SSS shadereita, on helppoa, joskin hyvin hidasta. [ks. 4.2.3] Tavallinen diffuse väri menee kuitenkin läpi lähes kaikissa tapauksissa täysin fotorealistisena, ja siksi monimutkaisten shaderien käyttöä tarvitaankin vain erikoistapauksissa. Ilmiön ymmärtäminen on tärkeää myös siksi, että aihe liittyy myös tiiviisti siihen, miten kappaleen kiilto ja heijastumat syntyvät. [ks. 4.1.1] 3.3 Heittovar jot Edellä mainittujen varjostusten lisäksi on vielä puhuttava toisenlaisista varjoista, heittovarjoista. Luonnollisestikaan mikään kuva ei näytä aidolta ilman varjoja, ja ne ovat täten valonlähteiden ja varjostusten mukana olennaisimpia elementtejä fotorealismin luomisessa. Heittovarjo on tumma alue kappaleen pinnalla jonne valo ei pääse, koska jokin toinen kappale on valonlähteen edessä. Kuten aikaisemmin kappaleessa 3.1 sanottu, varjon muotoon vaikuttaa valon edessä olevan kappaleen lisäksi myös valonlähteen koko, etäisyys ja muoto. Mitä suurempi pinta ala valonlähteellä on ja mitä lähempänä se on varjon muodostavaa kappaletta, sitä sumeammat reunat varjolle syntyy. Valonlähteen muoto taas vaikuttaa varjon pehmeyden dynamiikkaan; pitkä loisteputki luo varjoja jotka ovat toiseen suuntaan tarkat mutta toiseen sumeat. Tosielämässä varjot ovat aina jossain määrin sumeareunaisia. Kuten myös aikaisemmin mainitsin, pistemäiset valot jotka luovat tarkkoja varjoja ovat käytännössä mahdottomia, mutta tarpeeksi pienet tai kaukana sijaitsevat valonlähteet voivat muodostaa tiettyyn rajaan asti lähes pistevalon synnyttämien varjojen kaltaisia teräväreunaisia varjoja. 3 http://www.siggraph.org/education/materials/hypergraph/illumin/diffuse_reflection.htm
12 [kuva 6.] Vasemmalla näkyy selkeästi pistevalon ja aluevalon heittämän varjon ero. Oikealla demonstraatio aluemaisen valon heittämän varjon muodostumisesta. Kun heittovarjot ja ennen kaikkea yksi tärkeä aluevalo lisätään esimerkkiskeneen, alkaa kuva vaikuttaa jo varsin kelvolliselta. Johdannossa esitelty kuva esimerkkiskenestä sisältää vain yksinkertaisen diffuse shaderin sekä yhden valon, joka ei kuitenkaan edes heitä varjoja. Heittovarjot ovat oikeastaan yksi ensiaskel fotorealismin luomiseksi. Esimerkiksi 3d grafiikkaa pyörittävissä videopeleissä on vasta lähiaikoina ruvettu käyttämään realistisia heittovarjoja, ja isolta osin siksi monet vanhemmat pelit näyttävät epäaidoilta. Pistevalon heittämät tarkat varjot ovat dramaattiset ja mielenkiintoiset, ja sopivat hyvin tyyliteltyyn grafiikkaan, mutta aluevalon heittämät pehmeät varjot lisäävät kuvan fotorealismia huimasti. [kuva 7.] Pistemäinen valo tuottaa dramaattisen tarkat varjot, kun taas aluevalo tuottaa edetessään leviäviä varjoja.
13 4 Epäsuora valo Edellä mainittujen peruselementtien lisäksi on lisäksi simuloitava monimutkaisempia ilmiöitä, jotka liittyvät enemmänkin epäsuoraan valoon ja varjoon. Puhutaan valoista ja varjoista jotka syntyvät kun valo kimpoaa tai taittuu kappaleista toisiin, sekä kappaleen pinnalta kameraan heijastuvista tai taittuvista valonsäteistä. 4.1 Heijastuminen 4.1.1 Heijastus ja kiilto Kun tarkastellaan hyvin kiiltävää esinettä, huomataan että se heijastaa kirkkaasti koko ympäristöään. Ympärillä olevat esineet ja valot toistuvat sen pinnalla samanlaisina, joskin peilikuvina sekä vääristyneen muotoisina. 3d grafiikassa näitä suoria heijastuksia kutsutaan yksinkertaisesti nimellä reflection eli heijastus. Vaikka täysin kiiltävät ja metalliset kappaleet ovatkin luonnossa hyvin harvinaisia, kaikki kappaleet ja materiaalit heijastavat valoa jonkin verran. Heijastuksen laatuun vaikuttaa materiaalin taitekerroin, sekä kappaleen pinnan karheus. Useimmat kappaleet ovat hyvin karheita, jolloin heijastus vaikuttaa hyvin sumealta. Usein myös kappaleiden taitekerroin on niin pieni, että heijastuksia voi olla vaikeaa havaita. Fotorealististen heijastusten luomisessa on äärimmäisen tärkeää ottaa huomioon kappaleen taitekerroin. Vaikka normaalisti useimmat yhdistävät taitekertoimen ja siihen liittyvät yhtälöt lähinnä läpinäkyvien kappaleiden kykyyn taittaa valoa, materiaalin taittoominaisuudet vaikuttavat myös siihen miten ja kuinka paljon kappaleen pinnalta heijastuu valoa pois. Yleinen periaate materiaalien taitto ominaisuuksia tarkastellessa on että kohdatessaan kappaleen, osa valosta tunkeutuu kappaleeseen ja osa heijastuu siitä poispäin. Tähän periaatteeseen myös kuuluu että mitä loivemmassa kulmassa valo osuu kappaleen pintaan, sitä isompi osa siitä heijastuu pois. Käytännössä tämä ilmiö näyttäytyy meille siten
14 että esimerkiksi kiiltävien muovisten kappaleiden reunoilla on huomattavissa paljon voimakkaampaa heijastumista. [kuva 8.] Kiiltäväpinnoitteinen teepannu heijastaa ympäristössään olevia kohteita. Huomaa kuinka heijastuma on kirkkaampi kappaleen reunoilla. Näitä taitekerroinyhtälöitä kutsutaan englannin kielessä nimellä fresnel equations 4, ja 3dgrafiikassa tällaisia reunoiltaan voimakkaampia heijastuksia kutsutaan usein nimellä fresnel reflections. Tämä on hyvin tärkeä asia muistaa 3d grafiikkaa luotaessa, sillä kiiltävien, ei metallisten kappaleiden fotorealistinen simulointi ilman fresnel tyyppisiä heijastuksia ei ole realistista. Metalliset kappaleet ovat oma poikkeuksensa, sillä metallit ovat niin kovia ja oikeastaan niiden taitekerroin on niin suuri, että ne eivät päästä valoa lainkaan sisälleen ja siksi heijastavat käytännössä kaiken valon ympäriltään. Metalleihin ei tulekaan soveltaa fresnel heijastuksia. Useat nykyaikaisten renderöintiohjelmistojen tarjoamat shaderit sisältävät runsaasti ominaisuuksia, ja usein sisältävät standardina fresnel tyyppisten heijastusten luomisen. Vanhemmissa ohjelmistoissa saattaa kuitenkin olla, että realististen heijastusten luonti vaatii paljonkin käsisäätöä. Heijastumia tarkastellessa on myös hyvä kiinnittää huomiota heijastumien valovoimaan. Tasaisessa valaistuksessa ympäristö heijastuu varsin laimeana esimerkiksi muovisesta kappaleesta, mutta huomattavasti kirkkaammat kohteet kuten esimerkiksi valonlähteet, 4 http://en.wikipedia.org/wiki/fresnel_equations
15 heijastuvat kappaleen pinnalta myös huomattavasti kirkkaampana. Esimerkiksi täysin kiiltävän peilipallon pinnalta heijastuva valkoinen kahvimuki ja kirkas paperilamppu saattavat vaikuttaa yhtä kirkkailta, mutta vain himmeästi ympäristöään heijastavan muovisen pallon pinnalta lamppu heijastuu selkeästi kirkkaampana. [kuvaa] Itse asiassa hyvin pitkään ja edelleen 3d grafiikassa tätä kirkasta, valonlähteen muodostamaa valkoista läikkää on simuloitu hyvin yksinkertaisilla, mutta pidemmän päälle epärealistisilla kikoilla. Esimerkiksi 3ds Maxin oletusmateriaali standard shader ei tee automaattisesti realistisia heijastuksia kappaleelle ollenkaan, mutta simuloi erikseen ns. specularia, joka yksinkertaisesti luo kirkkaamman täplän kappaleen pinnalle siihen kohtaan, johon valonlähteen heijastus normaalisti muodostuisi. Fotorealistista 3dgrafiikkaa luotaessa tällainen simulaatio on kuitenkin aina riittämätön, ja sitä kannattaa käyttää vain mattamateriaaleissa ja vähemmän huomiota kaipaavissa kappaleissa. Hyvä esimerkki tästä on aikaisemmin käyttämäni kuva biljardipalloista. [ks. kuva 3] [kuva 9.] Metallinen tarjotin heijastaa lähes peilimäisellä kirkkaudella ympäristöään. Posliinikannu taas imee osan valosta ja heijastaa lähes täydellä teholla vain kappaleen reunoilla.
16 4.1.2 Radiositeetti Kun äskeisessä kappaleessa tarkasteltiin heijastuksia jotka näyttävät sijaitsevan kappaleen pinnalla, toisin sanoen valonsäteitä jotka heijastuvat kappaleen pinnalta suoraan kameraan, on luontevaa käsitellä seuraavaksi heijastusten vaikutusta toisiin kappaleisiin. Tosielämässähän valo kimpoilee kappaleista toisiin ja siroilee niiden sisällä lukemattomia kertoja ennen kuin lopulta päätyy kameraan, mutta nykytekniikalla on vielä hyvin hidasta simuloida valon kulkua niin tarkasti 3d grafiikan luomiseksi. Siksi valtaosa ohjelmistoista simuloikin kappaleiden pintojen heijastuksia erikseen ja hoitaa kappaleiden välisten heijastumien simuloinnin erillisillä fotonisysteemeillä. Kun tarkastellaan tosielämässä esimerkiksi valkoista huonetta jossa on parkettilattia ja jonka ikkunasta paistaa suoraa auringonvaloa suoraan parketille, huomataan että huone värjäytyy hieman parketin sävyiseksi. Tästä ilmiöstä käytetään usein tosielämässä ja valokuvaajien piirissä termiä color bleed. Kun esimerkiksi kuvataan hahmoja green screeniä vasten, tämä color bleed nähdään useimmiten ongelmana kun vihreän taustan väri heijastuu kuvattaviin hahmoihin ja esineisiin. 3d renderöinnissä tämä ilmiö on kuitenkin kaikkea muuta kuin ongelma; se on tärkeä osa realistista lopputulosta.
17 [kuva 10.] Rusehtava parketti muuttaa koko huoneen väriä kun auringon valo kimpoaa siitä ympäri huonetta. 3d ohjelmistojen käyttämät fotonisysteemit kulkevat ohjelmistosta riippuen useimmiten nimillä radiosity tai global illumination. Ilmiöstä käytetään usein myös suomennettua termiä radiositeetti, ja itse virtuaaliset fotonit (photons) suomennetaan usein vain fotoneiksi. Nämä virtuaaliset fotonit simuloivat valoa oikean maailman fotonien tavoin. Valonlähteiden käsketään ampua skeneen virtuaalisia fotoneita, jotka osuessaan kappaleeseen, kirkastavat sen pintaa ja kimpoavat niistä pois eri suuntiin. Nämä fotonit luovat kappaleille uusia, pehmeitä valoja ja tuovat varjoisiin alueisiin lisää dynamiikkaa. Tällaisten valoisuuksien luominen tavallisia valoja käyttäen on käytännössä mahdotonta ja myös ylitsepääsemättömän työlästä ja raskasta renderöidä. Vaikka fotonisysteemit ovatkin usein hieman raskaita laskea, on niiden renderöintiin kulutettu aika pieni hinta suhteessa niiden tuomaan realismiin lopullisessa kuvassa.
18 [kuva 11.] Kimpoileva valo valaisee muuta ympäristöä. Radiositeetilla on kuitenkin yksi heikkous, joka tulee helposti esiin peilipintoja tai hyvin kiiltäviä esineitä renderöitäessä. Fotonisysteemeitä ei ole suunniteltu tarkkojen varjojen ja heijastusten luomiseen. Tosielämässä esimerkiksi tasaiseen peiliin suunnattu valo heijastuu täysin suoraviivaisena peilistä takaisin, luoden tarkan valokeilan ja tarkat varjot myös peilistä palatessaan. Fotonisysteemit vaativat kuitenkin massiivisen tarkkuusluokan asetukset luodakseen tarkkoja varjoja. Kaustiikkafotoneita [ks.4.2.2] käyttämällä tämä on mahdollista tiettyyn pisteeseen asti, mutta tällöin renderöintiajat nousevat helposti sata tai jopa tuhatkertaisiksi. Peilistä kimpoavan valon simulointi onkin järkevämpää simuloida jollain muulla kikalla.
19 [kuva 12.] Radiositeetti tuo kuvaan uudenlaista dynamiikkaa. Värillisistä kappaleista näkee helposti kuinka väri vuotaa heijastuessaan muualle skeneen. 4.2 Taittuminen ja sironta 4.2.1 Taittuminen Tarkastellessa läpinäkyviä esineitä kuten lasia, huomaa heti että sen pinnalle muodostuu kuva sen takana olevasta maailmasta; samalla tavoin kuin heijastavan esineen pinnalle muodostuu kuva sen ympärillä olevasta maailmasta. Pelkkä läpinäkyvyys ei siis riitä, vaan kuvan pitää vääristyä kappaleen muotojen mukaisesti. Tämä vääristyminen johtuu valon taittumisesta. Suomenkielessä ei ole ilmiölle omaa virallista substantiivia, mutta 3dmaailmassa taittumisesta käytetään termiä refraction.
20 [kuva 13.] Läpinäkyvä esine taitaa valoa ja muodostaa kuvioita ympäristöönsä. Taittuminen on heijastumisen rinnakkaisilmiö monella tapaa; heijastuminen ja taittuminen kulkevat aina rinnakkain, ja termit reflection ja refraction muistuttavatkin toisiaan. Sen lisäksi että valo heijastuu kohdatessaan uuden kappaleen, osa valosta jatkaa myös kulkuaan sen sisällä ja taittuu. Normaalisti taittumisefektejä ei tarvitse ottaa kappaleissa huomioon, mutta kun kappale on tarpeeksi läpinäkyvä ja valo pääsee läpäisemään sen, on otettava huomioon valon taittuminen sen läpi. Myös samalla tavoin kuin heijastuksissa, kappaleen pinnan karheus vaikuttaa muodostuvan taittoefektin tarkkuuteen. Esimerkiksi karheapintainen lasilevy muodostaa sumean kuvan takan olevasta maailmasta, samoin kuin karheapintainen kappale muodostaa sumeita heijastuksia. [kuva 14.] Valo taittuu ja heijastuu rajapinnasta taiteyhtälöiden mukaisesti.
21 Taittuminen, kuten heijastuminenkin, riippuu kappaleiden materiaalin välisestä taitekertoimesta, jonka avulla voidaan laskea taittumisen voimakkuus ja heijastumisen määrä. Mitä suurempi taitekerroin, sitä jyrkempi taittuminen. Useimmissa tapauksissa käsitellään lähinnä ilman ja muun aineen välisiä taitekertoimia, mutta on myös tilanteita jolloin skene sijaitsee muussa aineessa, kuten esimerkiksi veden alla. On myös hyvä muistaa, että taitekerroin riippuu myös valon kulkusuunnasta. Kun valo kulkee tiheämmästä aineesta vähemmän tiheään, kuten vedestä ilmaan, on taitekerroin tällöin aina alle 1. Samalla tavoin kuin heijastusten, erityisesti fresnel tyyppisten heijastusten luonti, saattaa vanhemmissa ohjelmistoissa taittoefektienkin hallinta olla hieman monimutkaista. Useimmiten kuitenkin modernien renderöintiohjelmistojen shaderit laskevat läpinäkyville kappaleille automaattisesti taittoefektit, niille asetetun taitekertoimen mukaan. [kuva 15.] Viskilasille on asetettu läpinäkyvä materiaali joka taittaa takaa tulevaa valoa taitekertoimella 1,5. Se myös heijastaa samalla tavoin reunoilta kuin kuvan posliinikannu. 4.2.2 Kaustiikka Läpinäkyviä kappaleita luotaessa täytyy myös muistaa, että niiden läpi kulkeva valo vaikuttaa myös muihinkin kappaleisiin. Siinä missä kamera tai silmä näkee läpinäkyvän esineen läpi kaiken vääristyneenä, vääristyvät myös sen muodostamat heittovarjot ja valo joka niiden läpi kulkee. Kyse on yhdestä ja samasta ilmiöstä, joka vain näyttäytyy
22 erilaisena riippuen siitä mitä kautta kimpoillen valo päätyy kameraan. Kaustiikka on itse asiassa samalla tavalla rinnakkaisilmiö radiositeetille, kuin refraction on reflectionille. Radiositeetti simuloi heijastamisen vaikutusta toisiin kappaleisiin valaisemalla niitä ja kaustiikka simuloi taittumisen vaikutusta toisiin kappaleisiin valaisemalla niitä. 3dohjelmistoissa kaustiikka (caustics) toimii useimmiten samanlaisella tai samankaltaisella fotoniperiaatteella kuin radiositeetti. Helpoin tapa ymmärtää kaustiikkaefektiä on miettiä suurennuslasia, joka auringonvalossa muodostaa kirkkaan ja kuuman pisteen kun sen asettelee sopivalle etäisyydelle alustasta. On siis selvää ettei läpinäkyvän kappaleen heittovarjo voi olla yksinkertaisesti vain hieman haaleampi, vaan kappaleen muoto ja sen taittokyky vaikuttaa heittovarjon kirkkauteen ja muotoon. Syntyy ikään kuin kaustisia kuvioita, jotka ovat olennaisia läpinäkyvien kappaleiden fotorealistisessa simuloinnissa. [kuva 16.] Paksut ja monimuotoiset kappaleet tuottavat ns. kaustisia kuvioita. On myös tilanteita jolloin kaustiikan käyttö voi olla täysin tarpeetonta tai jopa järjetöntä. Kaustiikkaefektit ovat hyvin hitaita laskea, ja niiden käyttäminen hyvillä asetuksilla saattaa nostaa renderöintiaikaa useilla, jopa kymmenillä minuuteilla. Onkin hyvin tarpeellista osata jättää kaustiikkaefektit pois ja tyytyä pelkkään himmeään heittovarjoon, kun kaustiikkaefektit ovat käytännössä huomaamattomia. Esimerkiksi ohut ikkunalasi taittaa valon suuntaa hyvin minimaalisesti, eikä sille ole useimmiten mitään järkeä laskea raskaita kaustiikkaefektejä. Ikkunalasin lävitsepäästämää valoa on siis paljon järkevämpi simuloida vain lähes huomaamattoman himmeällä varjolla, tai jättämällä sen varjo kokonaan pois.
23 Mitä muodokkaampi ja täyteläisempi esine on, sitä enemmän kaustiikkaa se tuottaa, ja sitä tarpeellisempaa kaustiikkaefektiä on simuloida. On toisaalta hieman harhaanjohtavaa puhua kaustiikasta pelkkänä taittoefektinä. Radiositeetin ja kaustiikan ero ei aina ole heijastumisessa ja taittumisessa, vaan itse asiassa esimerkiksi Mental Ray renderöintiohjelmiston kaustiikka laskee myös heijastuksia. Kaustiikka laskee tarkkoja ja teräviä valoläikkiä, jotka syntyvät joko valon taittumisesta, mutta myös erittäin kiiltävän materiaalin pinnalta heijastumisesta. Mainitsin aikaisemmin että radiositeetillä ei pysty luomaan esimerkiksi peilistä tulevia valoheijastuksia, mutta tiettyyn rajaan asti kaustiikka pystyy. Tosin silti kaustiikallakin on äärimmäisen työlästä ja tehoja vievää luoda tarkkoja valoja ja varjoja, ja siksi kaustiikka soveltuukin lähinnä muodokkaiden metallisten kappaleiden kaustiikkaheijastusten luomiseen eikä niinkään tasaisten peilipintojen. [kuva 17.] Viskilasi synnyttää suhteellisen vähän kaustisia kuvioita. Lasiin on lisätty viskiä kaustiikkaefektin lisäämiseksi.
24 4.2.3 Sironta Suurin osa tosielämässä esiintyvistä kappaleista eivät ole läpinäkyviä, mutta lähes kaikki päästävät valoa sisäänsä jossain määrin. Kuten sanottu, ainoastaan metallit heijastavat lähes kaiken valon pois. Käsittelin myös aikaisemmin diffuse termiä ja sitä miten kappaleen väri syntyy valon tunkeutuessa kappaleen sisään ja siroten sieltä ulos erivärisenä, ja kuinka tämän ilmiön simuloiminen useimmissa tapauksissa on tarpeetonta. Jotkin materiaalit kuitenkin päästävät valoa sisäänsä niin paljon enemmän, että ne näyttävät silmillä havaittavan erilaisilta useimpiin koviin materiaaleihin verrattuna, olematta kuitenkaan täysin läpinäkyviä. Sirontaefekti muodostuu valon sirotessa kappaleen sisällä. Valo hajaantuu kappaleen sisällä eri suuntiin ja saa kappaleen pinnalle muodostuvat valot ja varjot näyttämään pehmeämmiltä. Valo myös kuultaa sironneena tällaisten kappaleiden läpi jos kappale on tarpeeksi ohut. Materiaaleja joissa sirontaefekti tulee selvästi näkyviin, ovat esimerkiksi kynttilän tali, maito, marmori ja iho. Sirontaefektin simulointi on olennaisen tärkeää kun työskennellään tällaisten esineiden parissa, sillä esimerkiksi ihmishahmo ei voi koskaan olla uskottavan fotorealistinen ilman oikeanlaista pehmeän näköistä ihoa. Sirontaefektiä kutsutaan useimmiten 3d grafiikassa nimellä sub surface scattering, tai lyhyemmin SSS. Sironnan simulointiin on erilaisia ratkaisuja, mutta esimerkiksi Mental Ray tarjoaa kaksi pääasiallista tapaa simuloida sirontaefektiä. Nopeampi tapa hoituu pelkällä tarkoitusta varten tehdyllä shaderilla, joka laskee valojen ja kappaleen muotojen mukaan nk. lightmapin 5 kappaleen pinnalle. Lightmapia käyttävä metodi on vähemmän tarkka, mutta soveltuu täydellisesti esimerkiksi ihon luomiseen. Jos materiaalin on tarkoitus päästää hyvin paljon valoa sisäänsä, on parempi käyttää tarkempaa, fysikaalista lähestymistapaa, joka simuloi sirontaa fotonien avulla. Tämä lähestymistapa on hyvinkin tarkka, mutta myös usein hyvin hidas. 5 http://www.idiom.com/~zilla/work/notes/fastsubsurface_web.pdf
25 [kuva 18.] Esimerkkiskenen kynttilälle on vasemmalla puolella asetettu sss shader, joka saa sen näyttämään pehmeältä ja vahamaiselta. Oikeanpuoleisessa kynttilässä taas on kovan vaikutelman antava tavallinen phong shader.
26 5. Valovoima Eräs tärkeimmistä asioista jonka jokaisen 3d graafikon tulisi ymmärtää, on valovoima ja miten se vaikuttaa kuvaan. Olemme tottuneet siihen että kuvia katsellessamme näemme eri värisävyjen lisäksi tummuusarvoja mustasta valkoiseen, mutta maailma toimii kuitenkin eri tavalla; valokuva ei pysty esittämään tosielämän kirkkausarvoja paperilla eikä tavallisella näytöllä. Tosielämässä kirkkausarvoja on täysin pimeästä äärettömän kirkkaaseen ja valokuvatessa näitä kirkkausarvoja säädellään valotuksella. Tavallista korkeammista, oikeaa maailmaa jäljittelevistä kirkkausarvoista puhuessa käytetään usein termiä HDR High Dynamic Range. [kuva 19.] Etualan kaksi vasemmanpuoleista sylinteriä vaikuttavat yhtä kirkkailta, mutta niiden heijastumat taka alalla paljastavat vasemmanpuoleisimman olevan kirkkaampi. Sinänsä kirkkausarvoissa ja niiden käytössä ei ole mitään ihmeellistä tai uutta; on lähes itsestään selvää, että 3d ympäristössä valojen kirkkausarvoja voi nostaa ja laskea mielin määrin. Hdr arvot vaikuttavat kuitenkin mutkan kautta muihinkin elementteihin kuin itse valaistukseen. Koska kirkkaammat kohteet valottavat kameran kennoa nopeammin ja tehokkaammin, ne näkyvät paljon terävämpinä ja kirkkaampina, vaikka kameran linssi sumentaisi niitä tai vakka ne liikkuisivat lujaa kuvan ottohetkellä. Heikosti heijastava kappale myös heijastaa kirkkaampia kappaleita paljon kirkkaampana, vaikka ne muuten näkyisivät valokuvassa samanvärisinä. Eräs keskeisimmistä tilanteista jossa valovoima on otettava huomioon, on ulkovalon ja sisävalon välinen ero. Ikkunasta sisään paistava valo ylivalottuu lähes poikkeuksetta, jos valotus on säädetty sisätilan mukaan.
27 [kuva 20.] Kun kontrasti valoisimman ja tummimman kohdan välillä on tarpeeksi suuri, täytyy valokuvaajan kuten 3d graafikonkin päättää mitkä osat kuvasta ali tai ylivalottuvat. Jotta valotuksen säätely ja haarukointi olisi nopeampaa, helpompaa ja myös realistisempaa, on 3d grafiikassakin käytettävä jonkinlaista erillistä systeemiä valotuksen kontrollointiin. Nykyaikaisissa 3d ohjelmistoissa on yleensä jonkinlainen valotuksensäätöominaisuus. Osa toimii hyvinkin simulaatiomaisesti, käyttäen parametreinään valokuvauksesta lainattuja parametrejä: aukon kokoa (f stop) ja suljinaikaa (exposure time). Osa taas toimii lähinnä pelkällä kirkkaudensäätönapilla. Kappaleessa 6 käsiteltävät kameran aiheuttamat optiset ilmiöt tuotetaan yleensä jälkikäsittelynä, mutta useat näistä ilmiöistä ovat tosielämässä riippuvaisia kameraan saapuvista kirkkausarvoista. Siksi oikeaoppisesti fotorealistiseen tulokseen pyrkivän täytyy renderöidä kuvamateriaalinsa jälkikäsittelyä varten hdr formaatissa. Hdr kuva on sinänsä kuin mikä tahansa kuva, mutta hdr kuvaan voidaan tallentaa huomattavasti korkeampia kirkkausarvoja kuin tavalliseen ldr kuvaan (low dynamic range). Hdr kuvaa voidaan myös käyttää valaisemaan ja luomaan heijastuksia 3d skeneen. Yhdistettäessä 3dgrafiikkaa videokuvaan, tämä on olennainen ja lähes välttämätön tekniikka. Lisäksi, etuna perinteiseen valokuvaukseen nähden, 3d softien valotussysteemit pystyvät tekemään ns. tone mapping toimintoja. Tone mapping tarkoittaa ikään kuin laajan kirkkausarvojen skaalan puristamista pienempään tilaan, jolloin kuvaan saadaan mahtumaan enemmän informaatiota. Käytännössä kyse on kontrastin pienentämistä ennen
28 kuvan valotusta, jolloin yli tai alivalottuneisiin alueisiin saadaan näkymään yksityiskohtia. Tone mapping tekniikkaa harjoittavat valokuvaajat joutuvat koostamaan lopullisen valokuvansa ottamalla samasta tilanteesta useita valotuksia, jotka lopulta yhdistää valmiiksi kuvaksi. Tätä tekniikkaa voi myös soveltaa 3d grafiikkaan, ja usein se tuottaa myös paljon kauniimman tai mielenkiintoisemman lopputuloksen. Pitää kuitenkin muistaa että tone mapping ei ole fotorealismin edellytys, oikeastaan päinvastoin, sillä kamera yli ja alivalottaa asioita luonnostaan.
29 6. Kameran tuottamat ilmiöt Valokuva ei synny täysin ympäristössä tapahtuvista ilmiöistä, vaan vastaanottavan systeemin ominaisuudet muokkaavat kuvaa hyvin paljon. Lähes kaikki kamerat, myös ihmissilmä, perustuvat samanlaiseen järjestelmään jossa on aukko ja linssejä, jotka säätelevät valon pääsyä filmille, kennolle tai verkkokalvolle. Lisäksi kaikilla kameroilla on myös suljinaika, kuten myös ihmissilmällä (tai aivoilla) on tavallaan virkistystaajuus. Näiden systeemien rakenteet synnyttävät tietynlaisia efektejä, joita sinänsä fyysisessä maailmassa ei ole olemassa, mutta ne näkyvät muodostuvassa kuvassa niin selvästi, että niiden poissaolo vaikuttaisi luonnottomalta. Näiden ilmiöiden huomioon ottaminen on siis myös edellytys fotorealistiselle 3d grafiikalle. 6.1 Syväterävyys Kameran aukko, tai silmän iiris, säätelevät valon pääsyä filmille tai verkkokalvolle. Aukolla on kuitenkin toinenkin vaikutus: sen koko vaikuttaa kuvan terävyyteen. Mitä suurempi kameran aukko on, sitä sumeampi kuvasta syntyy. Jotta terävyyttä voitaisiin hallita, on kameroissa ja silmässä linssisysteemit. Linssien avulla voidaan säädellä aluetta joka näkyy terävänä ja tarkentaa kuvaa enemmän etu tai taka alalle. Tätä suomen kielessä syväterävyydeksi kutsuttua termiä käsitellään 3d grafiikassa useimmiten nimillä DOF depth of field, tai japanin kielestä johdettua sanaa bokeh.
30 [kuva 21.] Syväterävyysalueen tarkan kohdan ulkopuolella olevat esineet sumentuvat usein hyvinkin dramaattisesti. Huomaa kuinka kirkkaat kohteet syövät tummempia. Sen lisäksi että syväterävyys on olennainen osa fotorealismia, se on myös todella suuri ilmaisullinen työkalu. Sillä voidaan erottaa elemettejä toisistaan ja vaihtaa hetkessä kuvan kiintopistettä, puhumattakaan esteettisistä kuvioista joita esimerkiksi kirkkaat kohteet sumentuessaan saavat aikaan. Siksi onkin ymmärrettävä, että syväterävyyden luoma sumennus ei ole ns. pelkkä blur efekti, vaan ikään kuin laajentaa jokaisen pikselin kameran aukon muotoiseksi. Raskaasti sumentuneilla alueilla voikin usein huomata ympyröitä tai monikulmioita jotka johtuvat kameran aukon muodosta, joka on usein monikulmio. Kameran aukon muoto, kuten sen kokokin, on siis olennainen vaikuttaja syväterävyyteen. On myös tärkeä asia huomata, että kirkkaammat kohteet syövät tummempia kohteita alleen sumentuessaan. Juuri tämän vuoksi hdr arvojen käyttö on hyvin tärkeään näitä efektejä luodessa. On myös useimmiten mahdollista huijata kirkkaiden kohteiden tapa sumentua voimakkaammin määrittämällä vain kynnys, jonka jälkeen kuva alkaa syödä tummempia kohteita. Tämä voi tosin tuottaa ongelmia jos kuvassa on paljon valkoisia ja hyvin kirkkaita elementtejä.
31 [kuva 22.] Vasemmanpuoleisen kuvan valkoiset tapit ovat yhtä valkoisia kuvassa. Oikeanpuoleinen kuva kuitenkin paljastaa oikeanpuolimmaisten tikkujen olevan kirkkaampia, sillä syväterävyyden lisääminen kuvaan saa kirkkaammat kohteet leviämään enemmän. Syväterävyysefektin luominen 3d grafiikkaan on useimmiten järkevää tuottaa jälkikäsittelynä. Skenestä renderöidään erillinen z depth map, joka on yksinkertaisesti mustavalkoinen kuva joka esittää lähempänä olevat elementit vaaleampina kuin taka alalla olevat. Tätä kuvaa käyttäen voidaan sopivilla ohjelmilla luoda kuvaan syväterävyysefekti. Ohjelmistoja syväterävyyden luomiseen on useita, ammattimaisia ja aitoa fotorealismia tuottavia taas jonkin verran vähemmän. Ohjelmistoilla on myös eroja, ja osa osaakin keskittyä myös ilmiöön liittyviin mikroefekteihin kuten kuvan pieneen taittumiseen 6 sumentuneen esineen reunoilla tai värien leviämiseen sumetessa. Syväterävyysefektiä pystyy myös simuloimaan monissa renderöintipaketeissa jo itsessään, tarvitsematta turvautua jälkikäsittelyyn. Vaikka renderöintivaiheessa tuotettu syväterävyys onkin moninkertaisesti hitaampaa ja raskaampaa laskea, on sillä myös omat etunsa. Renderöijien tapa tuottaa syväterävyysefektiä, perustuu ennemminkin simulaatioon kuin jälkikäsittelyn tapaiseen feikkaukseen. Vaikka jälkikäsittelynä tuotettu syväterävyys toimii lähes aina moitteettomasti, tuottaa se ongelmia esimerkiksi kun etualalla olevien kappaleiden pitäisi sumentua raskaasti. Kun tosielämässä kameran aukko on tarpeeksi suuri, ja tällöin myös syväterävyyden aiheuttama sumentuminen hyvin vahvaa, kamera pystyy tavallaan näkemään joidenkin kappaleiden taakse. Esimerkiksi etualalla verkkoaita muuttuu lähes näkymättömäksi kun kamera tarkentaa kauas sen taakse, mutta jos efekti on tarkoitus tehdä jälkikäsittelyssä, ei jälkikäsittelyohjelmisto voi mitenkään päätellä mitä verkkoaidan peittämien alueiden takana on. Renderöintivaiheessa tehty syväterävyys on 6 http://www.frischluft.com/lenscare/lenscare.php (ks. Distortion)
32 siis monella tapaa realistisempi, mutta jälkikäsittely tuottaa valtaosassa tapauksista täysin riittävän uskottavan lopputuloksen. [kuva 23.] Esimerkkiskeneen lisätty syväterävyysefekti tuo kolmiulotteisuuden tuntua. 6.2 Liike epäterävyys Suljinaika on kameran toinen merkittävistä kuvaan vaikuttavista systeemeistä. Suljinaika vaikuttaa kuvan liikkeen terävyyteen. Jos jokin kuvassa liikkuu kuvan ottohetkellä, se sumenee liikkeensä mukaiseen suuntaan, ja suljinaika säätelee sumentumisen määrää. Tämä liike epäterävyys kulkee englannin kielessä nimellä motion blur.
33 [kuva 24.] Liike epäterävyys on kameran tai kappaleiden liikkeestä syntyvä sumentuminen. Huomaa kuinka kirkkaat kohteet erottuvat eri tavalla. Liike epäterävyyden voi myös ajatella tavallaan syväterävyyden rinnakkaisilmiönä. Jotta kuvan saisi valottumaan oikein, aukkokoon ja suljinajan on usein kompensoitava toisiaan. Liike epäterävyys toimii myös syväterävyyden kanssa samalla tavoin kirkkaiden kohteiden kanssa. Kirkkaat kohteet polttavat kuvaa voimakkaammin, ja siksi erimerkiksi heiluvasta lampusta otettu kuva näyttää enemmän tarkalta juovalta, kun taas valkoisen pallon heiluttelu tuottaa vaaleahkoa suhrua. Liike epäterävyyden simulointi on huomattavasti vaikeampi efekti luoda jälkikäsittelyllä, siksi se luodaankin lähes aina suoraan renderöintivaiheessa. Liike epäterävyys on paljon selkeämmin kolmiulotteinen efekti kuin syväterävyys ja ohjelmiston on pystyttävä laskemaan sumentuminen myös syvyyssuunnassa ja usein myös kaareutuvan liikeradan mukaisesti. Jälkikäsittelysoftan on vaikeaa ymmärtää valmiiksi renderöidystä kaksiulotteisesta kuvasta kappaleiden liikerata ja nopeus, ja mahdotonta tietää mitä esineiden takana on. Siksi liike epäterävyys tehdään lähes aina itse 3d softassa. Liike epäterävyys on tärkeä elementti liikkuvaa kuvaa luodessa, ja esimerkiksi videokuvaan yhdistettäessä on helppo huomata kuinka liian terävä liikkuva 3d materiaali erottuu selkeästi videomateriaalista. On hyvä kuitenkin muistaa, että stillikuvassakin liikeepäterävyys on usein paikallaan. Esimerkiksi helikopterin pyörivät propellit eivät nopeimmillakaan suljinajoilla näy täysin terävinä, sama pätee esimerkiksi tuulettimen