Cinema 4D Tutorial: Globale Illumination - Beleuchtung und Einstellungen

Nikolaus Netzer

Cinema 4D liefert für fotorealistische Licht- und Schatteneffekte ein ausgefeiltes Bildberechnungssystem. Wir werfen einen Blick auf die unterschiedlichen Bildberechnungstechniken für 3D-Verfahren.

Licht bewegt sich als Welle wie auch als Teilchen durch den Raum und wird durch verschiedene Objektoberflächen reflektiert oder geschluckt. Bildgebende Verfahren können die realen Bedingungen des Lichts nicht exakt nachbilden, vielmehr findet eine mathematische Näherung statt. Software-Hersteller täuschen also mit verschiedenen Tricks eine reale Lichtsituation vor.

Es gibt lokale und globale Illumina­tion. Bei der lokalen Illumination wird eine Oberfläche nur durch ihre Eigenschaften und die der Lichtquelle schattiert. Die Umgebung fließt nicht in die Berechnung der Oberflächeneigenschaften ein. Die globale Illumination berücksichtigt bei der Darstellung der Oberflächenschattierung auch alles Licht, das von anderen Szene-Objekten zurück­geworfen wird. Diese Beleuchtung bezeichnet man auch als indirektes Licht. Ein solcher Rechenvorgang lässt sich mit verschiedenen Techniken durchführen.

Die besten Ergebnisse entstehen, wenn man versucht, die Interaktion der Objektoberflächen und der von den Lichtquellen ausgesendeten Photonen zu berechnen. Zur Berechnung der Photonenanzahl gibt es verschiedene Näherungsverfahren.

Lichtsituationen können mit verschiedenen Techniken simuliert werden: So gibt es Ray Tracing oder Ray Casting, Ra⁠diosity, Monte Carlo oder Quasi Mon⁠te Carlo, Kombinationen aus Radiosity und Ray Tracing sowie Mischungen aus den Monte-Carlo-Varianten mit dem Ray-Tracing-Verfahren.

Cinema 4D: Darstellungstechniken

Ray Tracing folgt den Lichtstrahlen in ei⁠ner 3D-Szene. Die einzelnen Strahlen werden von der Kamera der Szene aus in die 3D-Szene hinein verfolgt. Trifft der Strahl dabei auf einen Gegenstand, wertet die Software Oberflächeneigenschaften wie Farbe, Glanz oder Spiegelung aus

. Lediglich die direkten Lichtstrahlen werden berechnet, es wird nur zwischen Hell und Dunkel unterschieden, indirekter Lichteinfall bleibt unberücksichtigt. Dieses Verfahren verwendet Cinema 4D. Indirektes Licht simuliert der 3D-Ge­stalter durch geschicktes Platzieren von un⁠sichtbaren Hilfs-Lichtquellen.

Bei der globalen Illumination hin­g⁠e⁠gen wird indirektes Licht in die Bildberechnung mit einbezogen. Ein bekanntes Verfahren hierzu ist Radiosity, das Ci⁠nema jedoch nicht nutzt. Radiosity wurde aus der „Finite Elemente“-Methode entwickelt, um die Wärmeabstrahlung von Objekten zu simulieren. Um den Rechenaufwand niedriger zu halten, wird die Lichtverteilung geschätzt: Die Körper in einer Szene werden mit einem groben Polygonnetz über⁠zogen, das in kritischen B

ildbereichen wie Schattengrenzen eine feinere Auflösung zeigt. Anschließend gilt jedes Polygon als Flächenlicht, dessen Auswirkung in die Beleuchtungssituation der Gesamtszene mit einbezogen wird.

Durch wiederholte Berechnungen lassen sich die Bereiche, an denen indirekte Interaktionen des Lichts festgestellt werden, immer genauer darstellen. Mit zunehmender Polygonanzahl und Komplexität der Szene verlangsamt sich die Berechnungszeit deutlich. Eine Qua­li⁠tätsverbesserung ist jedoch ab einer ge⁠wissen Anzahl von Wiederholungen praktisch nicht mehr wahrnehmbar.

Ein weiteres Verfahren zum Simu­lieren von Bildeffekten wie Glättung, Tiefenunschärfe, indirekte Beleuchtung, Bereichslichter, Glanz, Transluzenz und Bewegungsunschärfe ist die im neuen Cinema 4D eingesetzte Monte-Carlo-Abtastung (MC). Zur Berechnung werden Zufallszahlen verwendet, die bei jeder Berechnung unterschiedliches Bild⁠rauschen erzeugen.

Eine Variante nennt sich Det

erministischer Monte Carlo (DMC). Hier wird auf die Verwendung von Zufallszahlen verzichtet. Deterministischer Monte Carlo nutzt einen Satz vordefinierter und optimierter Muster für die Abtastung, die bei der Neuberechnung immer identische Ergebnisse erzeugen. Eine Untergruppe des Deterministischen Monte Carlo ist das Quasi Monte Carlo (QMC), bei dem die Abtastung aus Zahlenreihen mit besonderen Eigenschaften generiert wird.

Cinema-Einstellungen

Cinemas Release 11 präsentiert einen komplett überarbeiteten Renderer zum Visualisieren indirekter Beleuchtungsphänomene. Zum Einsatz kommen wahlweise Irradiance- oder die Quasi-Monte-Carlo-Berechnung. Alternativ kann auch eine Kombination aus beiden Darstellungstechniken eingestellt werden. Die Irradiance-Einstellung wertet die Bestrahlungsstärke durch umge­bende Texturen aus und beleuchtet d

ie Szene indirekt. Dazu muss keine Lichtquelle platziert werden. Die Einstellungen für die globale Illu⁠mination sind über Rendern * Rendervor⁠einstellungen zu finden. Per Klick auf den Effekte-Knopf klappt ein Menü mit den verfügbaren Rendereffeken auf; hier lässt sich Globale Illumination auswählen. Erst dann präsentieren sich die neuen Einstelloptionen.

Im Bereich Allgemein werden der Mo⁠⁠dus sowie die Intensität und Gam­ma eingestellt. Als Modus stehen vier Varian­ten zur Auswahl, die für unterschied­liche Einsatzzwecke geeignet sind. Wer Innen⁠räume darstellen möchte, wählt IC (Ir⁠ra⁠diance Cache). Für Außenaufnahmen passt am besten eine Mischung aus IC und QMC (Quasi Monte Carlo). Für die Beleuchtung von 3D-Szenen mit dem Cinema-Modul Sky greift man zur Einstellung Himmelssampler. Die langsamste, aber genaueste Einstellung ist der reine QMC, der mitunter zu körnigen Bildergebnissen neigt.
Die angebotenen Varianten Kamerafahrt und Komplettanimation kommen nur bei Bewegtbildern zum Einsatz. Dabei unterscheidet sich die Einstellung Komplettanimation dadurch, dass neben der Kamera auch andere Gegenstände oder Lichtquellen in der Szene in Bewegung gesetzt werden.

Nikolaus Netzer/sck

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