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Tutoriais - Renderização

Radiosity e Global Illumination (GI)

Até o final do século passado só havia uma forma de calcular a reação da luz sobre as superfícies dos objetos para criar a imagem realista da cena 3D, era usado apenas o famoso recurso de Ray Tracing, ou seja, o sistema traçava raios pela cena para criar os efeitos de iluminação e de materiais.
Este é um ótimo sistema, tanto que é usado até hoje em praticamente todos os renderizadores, mas ele não consegue reproduzir todos os efeitos de iluminação, apenas a iluminação direta, ou seja, a iluminação que sai da luz e atinge um objeto.
Mas na realidade a luz tem um comportamento muito mais complexo do que este, ela ricocheteia nos objetos e continua trafegando pela cena, ajudando a iluminar a mesma até perder toda a energia e \"morrer\".
Figura 2 - Cena com GI renderizada no Max 3 com o Mental Ray


Este é um dos motivos que tornava quase impossível conseguir uma imagem foto-realista anitgamente, apesar de haver técnicas para simular este efeito. Porque quando a luz ricocheteia, ela reflete no espectro de cor do objeto onde incidiu. Uma camiseta é vermelha porque ela reflete o espectro vermelho da luz e absorve os outros, se fosse azul, refletiria o espectro azul, então, um pouco da cor deste objeto é mesclada com a cor dos outros objetos próximos, este efeito é conhecido por Color Blend, que é um componente da radiosidade, ou Gl (Global Illumination), como aparece na maioria dos renderizadores. Mesmo usando as técnicas conhecidas por Fakeosity, para simular o efeito de Radiosity, é praticamente impossível reproduzir a mesclagem das cores com a mesma qualidade em cenas complexas, um simples piso quadriculado exigiria uma luz em cada quadrado para simular. Por isso que antigamente as imagens ficavam com \"cara de 3D\" e hoje é possível obter imagens foto-realistas, graças principalmente a este efeito.
Figura 3 - Cena com GI mostrando a radiosidade do piso na parede


O sistema de RayTracing continua sendo usado para traçar a luz direta, porque é um sistema rápido e preciso, depois, outros sistemas foram adicionados para calcular a ilumiunação indireta, que é essa criada pelo ricochete da luz.
Existem vários sistemas para fazer isso, a Autodesk desenvolveu um ótimo render para obter estes efeitos realistas de iluminação, ainda no século passado, e logo se tornou muito famoso, o lendário LightScape, que foi descontinuado e se transformou no sistema Radiosity que está disponível no 3ds max desde a versão 5, inclusive, as luzes Photometrics também eram do LightScape.
Radiosity é um dos sistemas que permitem calcular o ricochete da luz pelo ambiente, ele usa justamente o nome do efeito (radiosidade).
Mas a maioria dos renderizadores usa o nome Global Illumination (GI), portanto, Radiosity e GI são nomes diferentes para descrever o mesmo efeito de iluminação, a diferença está na forma como este efeito é calculado.
No sistema de GI ainda existem diversos métodos para fazer esse cálculo e cada renderizador usa os que achar melhor, por exemplo, o Mental Ray trabalha com Photon Map e Final Gather, o V-Ray trabalha com Irradiance Map, Light Cache e Photon Map, o Brazil Render trabalha com Photon Map, o Final Render trabalha com Hyper GI. Normalmente todos usam Photon Map, mesmo quando tem outros sistemas em conjunto, porque só o traçamento de Photons permite criar certos efeitos de iluminação, como Caustics, por exemplo.

Imagem da Viewport do 3ds max 5 com a cena original
Imagem da Viewport do Max 5 com a mesma cena depois do cálculo de Radiosity

Devido a essa variedade de sistemas e métodos para criar este efeito, cada renderizador trabalha de uma forma e oferece configurações diferentes para ajustar o comportamente da iluminação.
Alguns destes sistemas são muito novos e ainda estão em desenvolvimento, então, podem apresentar mais problemas do que os sistemas mais antigos, principalmente em animação, como aconteceu seriamente com o Final Render e como acontecia nas primeiras versões do V-Ray. No Final Render foi tão grave que a Cebas teve que mudar todo o sistema na versão S1, mesmo assim, até hoje não resolveu completamente o problema.
O sistema de Photon Map é mais antigo e mais confiável, apesar de ser mais lento que os sistemas recentes.
O sistema de Radiosity é o mais demorado e precisa subdividir a malha para guardar o efeito, o que torna o projeto muito mais pesado e demorado para renderizar, mas também é o sistema mais preciso, ele é indicado para projetos de iluminação fisicamente corretos.

Antigamente só o sistema de Radiosity aceitava luzes Photometrics, que reproduzem fielmente o comportamento de uma luz real, mas na época do LightScape o cálculo de radiosidade poderia levar dias, era completamente inviável para animação. Com a evolução dos computadores e dos algorítimos de render, o Radiosity do 3ds max, que é o sucessor do LightScape, é muito mais rápido e manteve a mesma qualidade. Por outro lado, a evolução do sistema de GI permitiu o uso de luzes Photometrics em praticamente todos os renderizadores que adotaram este método, apesar de apresentar alguns problemas e limitações em vários deles.
Cena com GI no Final Render mostrando os Samples

Alguns sistemas de Photon Map aceitam subterfúgios que permitem reduzir drasticamente o tempo de render, sem perder qualidade no efeito de radiosidade da cena. Um ótimo exemplo é o Photon Map do V-Ray, que guarda num mesmo mapa o cálculo de toda a cena, não apenas do que está na vista da câmera, dessa forma, você pode renderizar a animação da câmera sem ter que calcular o Photon Map a cada quadro. O Mental Ray também permite isso, mas normalmente o Photon Map não trabalha sozinho, precisa de um \"suavizador\". O V-Ray usa o Light Cache ou o Irradiance Map, que também não precisam ser recalculados a cada frame se apenas a câmera tem movimento, mas o Mental Ray precisa recalcular o Final Gather. Isso é bom para a área de arquitetura, onde normalmente só precisa fazer um paseio com a câmera pelo projeto.
Obviamente não funciona em animação de verdade, onde tudo se move, porque quando um objeto muda de posição, ele interfere na iluminação de tudo que está ao redor e o Photon Map tem que ser calculado novamente, assim como o outro sistema usado para suavizar, caso contrário, aparecerá defeitos na imagem.

Cada renderizador tem uma forma diferente de configurar e ajustar o efeito de GI na cena, normalmente são vários parâmetros que precisam ser modificados para conseguir o resultado desejado com o menor tempo possível de render. No render padrão você encontra os recursos do Radiosity e do Light Tracer na ficha Advanced Lighting da janela Render Scene (F10). O Light Tracer é usado para cenas externas e o Radiosity é usado para cenas internas. Os recursos de GI do Mental Ray se encontram na ficha Indirect Illumination da janela Render Scene (F10), quando ele estiver habilitado como renderizador, isso é feito no menu Assign Render da nesna janela. No Final Render os recursos de GI estão na janela FG Globals, que ficam dentro dos Materiais FR e no Quad Menu. No Brazil Render e no V-Ray estão na ficha Renderer da janela Render Scene (F10), quando eles estiverem habilitados como render, isso também é feito no menu Assign Render da mesma janela.
No início é normal gastar muito tempo de render para obter um bom resultado, com com a prática é possível diminuir muito esse tempo sem perder qualidade, depois de aproximadamente um ano usado o mesmo renderizador, você já estará obtendo imagens realistas com um sexto do tempo de render que conseguia no início.
Imagem renderizada com o Mental Ray

Se tratanto puramente dessa questão de radiosidade, podemos comparar o Radiosity do 3ds max com os demais renderizadores de terceiros, mas é importante lembrar que o Radiosity só reproduz este efeito de iluminação, existem muitos outros efeitos de iluminação e materiais usados em 3D que o Radiosity não reproduz, como Caustics, Sub-Surface Scattering, Blurry (Glossy) Reflection/Refraction, Dispersion (Difraction), entre outros. Todos os outros renderizadores citados neste artigo permitem reproduzir a maioria destes efeitos.
A partir do 3ds max 6, o Mental Ray vem integrado ao corpo do programa e está disponível para qualquer usuário, permitindo criar todos os efeitos de iluminação e materiais disponíveis até hoje.

Eu não comentei sobreo Maxwell da NextLimit neste artigo, porque o sistema dele é completamente diferente de todos os outros, é muito novo ainda, tem vários anos pela frente para se desenvolver e se tornar confiável, além de ser disparadamente o mais demorado de todos, leva no mínimo o triplo do tempo de qualquer outro renderizador para obter o mesmo resultado, mas isso aconteceu com todos os renderizadores, com o tempo a própria empresa vai aperfeiçoando o código e deixando o render mais rápido, o problema é que todos os outros já estão neste estágio mais avançado e o Maxwell está começando, este processo leva anos. A vantagem do Maxwell está na simplicidade de uso, por isso vem sendo adotado por iniciantes na área de arquitetura que desejam fazer maquetes realistas sem ter conhecimento nenhum de render, mesmo disperdiçando tanto tempo. O Maxwell promete muito para o futuro, mas nunca será um render usado em cinema como o Mental Ray, porque em vídeo e cinema é necessário ter controle de tudo e no Maxwell você não tem controle de nada, é tudo automatizado.

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