Работа со светом в 3D: настройка направления и размера источников освещения

В 2019 году Эндрю Прайс, создатель онлайн-ресурсов Blender Guru и Poliigon, подготовил для начинающих 3D-художников видеокурс по работе со светом. В лекциях Эндрю рассказывает о пяти правилах освещения персонажей и окружения. Теория подкреплена наглядными примерами из визуализаций, фотографий, живописи и фильмов. В этой статье делимся основными тезисами — читайте о том, как настроить направление и размер источников света.

В первой части вы узнаете:

• о чём умалчивают книги и курсы по работе со светом;
• как работает направление света в сценах с персонажами и окружением;
• как выбрать правильный размер источника освещения;
• почему золотой час — лучший вариант для ландшафта и какие бывают исключения.

Предисловие

Наверняка каждый 3D-художник во время работы сталкивался с ситуацией, когда рендер персонажа визуально становился лучше только из-за перемещения источника света. Этот же трюк работает и с ландшафтом: стоит направить солнечный свет в другую сторону — и рендер заиграет новыми красками. Бывают скучные изображения, а бывают такие, от которых невозможно отвести глаз. Зачастую это зависит не только от наполнения сцены или привлекательности персонажа — освещение тоже играет важную роль. Всегда можно изменить цвет тени или подсветить определённые участки, придав им глубину, — именно так художники прошлых эпох подчёркивали детали на своих полотнах, выражая своё видение.

Существует огромное количество книг и курсов, посвящённых работе со светом, и все они по-своему хороши. Но, изучая эти материалы, Эндрю заметил, что у них есть один недостаток: как правило, в пособиях даны специфические приёмы — например, расстановка трёх источников освещения для одного персонажа. Проблема в том, что художник не знает, как поступить, если ситуация отличается от представленных примеров. Что, если в сцене не один персонаж, а два, при этом первый находится на переднем плане, а второй — на заднем? А если они находятся в 3D-окружении, например в городе? В руководствах не разбирают, как работать со светом в подобных ситуациях.

Существует пять составляющих, на основе которых можно выстроить эффектное освещение в любой композиции. Это направление, размер, цвет, считываемость и акцент. Понимая принцип работы с ними, 3D-художник будет знать, что нужно сделать для достижения конкретного результата. В своих уроках Эндрю Прайс собрал ответы на распространённые вопросы: что станет с композицией, если изменить тот или иной элемент освещения; почему в определённой ситуации перемещать источник света нежелательно; как использовать большие и малые источники света; какие варианты освещения подходят для персонажей и окружения.

Направление

Все мы хоть раз видели, как меняется лицо, если посветить на него фонариком снизу или сбоку, — направление света влияет на восприятие. Например, глядя на изображение ниже, без какого-либо описания можно смело сказать, что это круг.

Но если станет известно, что это объёмная фигура, то мы не сможем определить её без подсказки, так как без освещения форма объекта неизвестна. Конечно, можно предположить, что это сфера. Но это может оказаться и конус. Или диск. Или цилиндр. Судить о фигуре можно лишь по тени, которая создаётся направлением света.

Поэтому первое, что должен знать новичок, — не нужно избегать теней. Тени — друзья 3D-художника, они не менее важны, чем освещение. Без них невозможно понять форму, а значит, и общую композицию.

Освещение персонажа

Представим, что вы потратили много времени на создание мускулистого персонажа и на рендере поместили свет впереди объекта. Это ошибка. Передний свет — самый простой способ сделать любую форму плоской. Кубики на животе, которые вы старательно моделировали столько времени, зритель просто не увидит. Но если переместить свет в верхний левый угол, то появится тень, которая визуально выделит неровную поверхность модели.

Теперь зрителю видны все детали: пресс, грудные мышцы, вены на руках и другие рельефные части мускулатуры; всё это благодаря направлению источника света.

Но есть и прямо противоположный пример. Прежде чем выйти из дома, человек может посмотреть на своё отражение в зеркале и подумать, что выглядит прекрасно. Но стоит зайти в лифт (с зеркалом), как он замечает у себя странные круги под глазами. Это иллюстрация того, как при верхнем освещении тени могут подчёркивать нежелательные формы.

Рассмотрим приёмы работы со светом на практике.

Начнём с освещения переднего плана. Если выставить свет в редакторе напротив лица прямо за камерой, оно станет выглядеть плоским. У зрителя не будет представления о форме носа и скул, расположении ушей и так далее. Такой свет часто вызывает эффект снимка со вспышкой, и в большинстве случаев он крайне нежелателен, так как «сплющивает» форму лица.

Тем не менее на практике встречаются случаи, когда требуется именно такое освещение. Например, если речь идёт о съёмках для каталога, где нужно продемонстрировать принт одежды, а не фактуру ткани, или о фотосессии татуированных людей, где в центре внимания не фигура человека, а татуировки.

Если переместить свет чуть выше и сдвинуть его назад, лицо кардинально преобразится.

Эта техника называется Paramount, или освещение в стиле «бабочка». Название Paramount произошло от одноимённой кинокомпании, где на съёмках выстраивали свет, подчёркивающий «гламурность» образа. При такой постановке света появляются небольшие тени, которые дают зрителю представление о форме носа, губ, подбородка, скул персонажа. Также характерна тень, которая скрывает шею и создаёт пространство между головой и телом. Главное преимущество освещения Paramount в том, что оно акцентирует внимание на глазах модели.

Фотографы используют этот приём на съёмках для глянцевых журналов и для фешен-индустрии. Стоит отметить, что Paramount свойственно использование крупных источников света с приглушённым освещением (мы поговорим о них чуть позже). Результат также зависит от поворота головы модели, но в любом случае источник света всегда находится над камерой.

Если установить источник света над объектом, на лице появятся тёмные круги и очертания приобретут угрожающий вид, а у зрителя возникнут ассоциации с черепом.

Несмотря на то что такой свет выделяет нежелательные формы, существуют примеры, когда требуется именно этот эффект, — особенно в хоррорах или при появлении антагониста в кадре. Например зловещий образ Палпатина в «Звёздных Войнах» подчёркнут не только характерным гримом, но и верхним освещением.

Существуют и другие случаи, при которых источник света падает сверху, но за счёт смягчения не «убирает» глаза полностью, а лишь вырисовывает под ними тёмные круги. Это так называемый эффект панды или енота. Ситуация та же: обычно такое освещение нежелательно для съёмок, но если в сцене заложен определённый контекст — например, нужно подчеркнуть усталость или подавленность героя, — оно может быть уместно.

При перемещении источника света за объект зритель увидит только силуэт модели. Это классический приём, который используется в кино, когда по задумке персонаж остаётся для зрителя инкогнито.

Эта техника хороша для создания мистических сцен: например, когда безликий убийца совершает преступление или на свет медленно выходит персонаж, ранее скрывавший свою личность. А вот для презентации модели такой приём не подойдёт, так как объект невозможно идентифицировать и рассмотреть.

Когда источник света перемещается в сторону, он освещает лишь половину объекта. Такой тип освещения называется боковым, или сплит-освещением.

Эта техника комбинирует два эффекта: показывает и одновременно скрывает объект. Боковой свет может использоваться в сценах без какого-либо контекста — например, когда по сценарию герой сидит напротив окна. Однако этот приём часто используется и как намёк на то, что персонажу есть что скрывать.

Модель, освещённая снизу, ассоциируется с рассказчиком страшных историй.

Почему этот тип освещения так часто используется в хоррорах и выглядит пугающе? Эндрю задавал этот вопрос в разделах, посвящённых психологии, на StackExchange и Reddit, но так и не получил научного обоснования. В Twitter художнику указывали на то, что силуэт от освещения ассоциируется с формой черепа, особенно в области носа. Кто-то предполагал, что пугающий эффект создаёт подсветка области бровей, которая формирует зловещий или безумный образ. Возможно, всё это в совокупности и заставляет зрителя чувствовать дискомфорт.

На подсознательном уровне такой тип освещения воспринимается неестественно. В природе источники света почти всегда находятся сверху и направлены вниз, а не наоборот. Естественные нижние источники всё же встречаются в реальной жизни, но гораздо реже. Таковы, например, отражающие поверхности вроде воды или снежного покрова. Но даже в случае с ними освещение, как правило, выражено не настолько ярко.

Последний тип освещения — нейтральный. При нём свет расположен в левом или правом верхнем углу под углом в 45°. Благодаря ему зритель видит не только лицо персонажа в целом, но и очертания его форм, а тени формируют характерный треугольник под глазом на дальней от источника стороне.

Этот приём также называют светом Рембрандта. Он используется во многих фильмах и считается универсальным, поскольку работает в любом окружении: от закрытого помещения с потолочными светильниками до природных видов при естественном освещении. В книге «Универсальные принципы дизайна» Уильяма Лидвелла есть упоминание о том, что на 75% картин Лувра освещение передано с верхнего левого угла. Однако Эндрю не считает, что эта техника — некий секрет мастеров, которого должен придерживаться любой современный художник. В конце концов, объяснение может оказаться и тривиальным — большинство портретистов того времени были правшами.

Все представленные выше типы освещения — своего рода каталог, и эти техники не стоит делить на правильные и неправильные. Всё зависит от контекста и композиции сцены, а также от целей художника. При создании хоррор-визуализации направляйте свет так, чтобы зрителю стало жутко. Если персонаж должен выглядеть привлекательно или как минимум интересно, подойдут более нейтральные варианты.

Освещение в окружении

Подход к освещению окружения отличается, однако и в этом случае формы играют важную роль.

Например, на изображении выше солнце намеренно размещено на заднем плане — падающий свет создаёт на правой скале резкие тени, подчёркивая рельеф утёса. Эндрю воспользовался этой техникой не случайно: рендер был сделан для урока по созданию скал, на которых и требовалось акцентировать внимание.

Также на освещение влияет время суток. В полдень солнце находится над землёй и даёт «плоский» свет, из-за которого сложно рассмотреть детали окружения в полном объёме. Но когда солнце опускается, появляется множество теней, которые расставляют интересные акценты. В рендерах окружения и архитектурных визуализациях задача освещения не столько в том, чтобы подчеркнуть формы, сколько в том, чтобы создать точки интереса и направить взгляд зрителя.

Этот тезис подтверждается и в дизайне интерьера.

В четырёх вариантах одного рендера показано, как расположение света влияет на восприятие изображения. Если первое изображение выглядит нейтральным, то в трёх других свет притягивает взгляд к конкретным элементам: коридору, стульям или столу. Это ещё раз подтверждает, что в сценах с окружением свет определяет композицию чаще, чем формы объектов, хотя иногда упор делается и на них.

Подведём итоги. Не обязательно заучивать все типы освещения — достаточно лишь запомнить, что направление света создаёт тень, а тень создаёт форму. Важно внимательно отнестись к выбору формы — она может подчеркнуть нежелательные детали или испортить композицию. Поэтому, прежде чем настраивать свет, художник должен определить, что именно он хочет донести до зрителя.

Размер

Определение правильного размера источника освещения так же важно, как и выбор его направления. Под размером источника подразумевают физический размер объекта, излучающего свет. В Blender это может быть объект с шейдером Излучение (Emission), который можно масштабировать, а в случае со стандартными источниками размер определяется радиусом. Для освещения можно использовать даже поверхность: например, если направить Прожектор (Spot) на стену — та превращается в большой рассеянный источник света.

Разница между малым и большим источниками света в том, что малый создаёт резкие тени. От крупного источника света тени получаются более плавными, так как тот охватывает большую площадь.

На левой иллюстрации видно, как лучи от большого источника обволакивают цилиндр и заполняют светом теневую сторону. Так достигается смягчающий эффект. Тёмная область — то место, куда свет не смог добраться. Её размер зависит от того, насколько далеко источник освещения находится от объекта. При приближении тень повторит очертания объекта, но при этом останется мягкой.

Очертания теней также зависят от расстояния. На иллюстрациях выше объект находится под большим источником света. Когда источник удалили на огромное расстояние, тень стала чёткой (для демонстрации яркость увеличили, иначе сцена выходила слишком тёмной).

Связь между нашей планетой и Солнцем — отличный пример того, как принцип работает на практике. Масса Солнца в 330 тысяч раз больше массы Земли, что делает его крайне большим источником света. Но из-за того, что оно находится далеко от нас, мы видим его маленьким светящимся шариком в небе и солнечные лучи создают чёткие контуры теней — особенно в полдень.

Получается, что на результат влияет одновременно размер источника освещения и его удалённость от объекта. Большой источник даёт рассеянную тень, малый — более чёткую. Если переместить большой источник на дальнее расстояние (что сделает его малым относительно объекта) — тень тоже станет чёткой.

Также стоит помнить, что при крупном источнике света лучше видна форма объекта, а малый акцентирует внимание зрителя на деталях. Это можно взять на заметку при создании визуализации.

На первом рендере перед камнем размещён большой источник света, который заполняет светом все шероховатости. Когда источник уменьшили до крошечной точки (изображение справа), на объекте образовалось множество новых теней, за счёт которых мелкие детали стали более выразительными.

Именно поэтому при освещении человека источник света должен быть крупным, так как малый подчеркнёт все недостатки кожи: расширенные поры, прыщи, морщины. Тем не менее крупные источники света могут создать излишний контраст или засвеченность, поэтому на портретных съемках фотографы всегда используют софтбоксы — специальные насадки, которые рассеивают свет. Софтбокс убирает резкие тени и контраст, что скрывает недостатки кожи. В естественных условиях аналогичный эффект получается при съёмках в пасмурную или облачную погоду.

При использовании крупных источников освещения стоит учитывать ещё один нюанс: текстура кожи становится менее заметной, а постобработка усиливает этот эффект.

Выше представлены две отретушированные фотографии. Слева крупный источник света убрал возможные несовершенства кожи, но после ретуши поры практически исчезли. В результате лицо выглядит настолько идеально, что зрителю начинает казаться, будто он видит куклу, а не реального человека. Тем, кто часто работает с ретушью в Photoshop, Эндрю рекомендует посмотреть видеоурок от Phlearn, хотя для работы в 3D эти знания не так полезны.

Искусство фотографии примечательно тем, что в работах присутствуют как резкие, так и мягкие тени. То же можно повторить в программах для 3D-моделирования. В качестве эксперимента Эндрю создал аналог софтбокса в Blender на основе плоскости.

Создаём Плоскость (Plane), переходим в раздел Shading и выстраиваем цепочку нодов следующим образом:

Теперь используем источник света на модели и сравним результаты:

Слева освещение создано с помощью обычной светящейся плоскости, а справа использована плоскость с градиентом. Второе изображение выглядит привлекательнее из-за того, что падающий свет охватывает не всё лицо. Если настроить плоскость по инструкции, то в центре будет находиться область, не затронутая градиентом; она формирует малый точечный источник света и придаёт теням более резкие очертания, а плавный градиент смягчает их. На изображении заметно, что текстура кожи модели стала более чёткой, а блик зрачка округлился благодаря форме новой «лампы». Эта техника отлично подходит для освещения персонажей: недостатки кожи становятся менее заметными, лицо выглядит моложе, а с молодостью ассоциируется и красота.

Но важно помнить, что не все модели нуждаются в мягком освещении. Если внешность героя не ассоциируется с красотой и художник хочет подчеркнуть фактуру, то жёсткий свет справится лучше.

Поэтому при создании существ с грубой кожей, чешуйками, выступающими венами и шероховатостями художники используют направленный источник освещения, имитирующий солнечный свет, который охватывает все мелкие детали.

Размер освещения в окружении

В одной из прошлых глав мы узнали, что дневной свет в полдень всегда делает окружение плоским. Закат — своего рода огромный природный софтбокс; когда солнце заходит за горизонт, появляется рассеянный свет. Источник света становится частью неба. В дополнение к этому меняется цвет освещения и появляются направленные тени. В фотоискусстве это явление называют золотым часом.

На первом снимке видно, что из-за полуденного света поверхность горы кажется плоской. На втором снимке, сделанном в золотой час, объект освещён под более острым углом и это выгодно подчёркивает его форму.

Снимки ландшафтов, сделанные во время золотого часа, считаются каноничными для таких изданий, как National Geographic. Фоторедакторы крупных журналов никогда не купят и даже не рассмотрят работы, снятые в другое время суток — рб этом писал Скотт Келби в своей книге «Цифровая фотография. Том 1». Но и в этом случае существуют исключения.

Выше представлена работа из коллекции The Rock Essentials для Blender Market. В сцене использован малый точечный источник света под углом. Он позволил выгодно подчеркнуть мельчайшие детали камней с помощью резких теней. Вряд ли этот ландшафт смотрелся бы так же эффектно в золотой час.

Подведём итоги. Размер источника света напрямую зависит от того, чего хочет добиться художник. Если нужно передать красоту и молодость — используйте крупный источник света, чтобы заполнить все мелкие недочёты и сохранить форму. Но если нужно подчеркнуть детали, то поможет малый источник света.

В следующей статье мы рассмотрим специфику цветного освещения, а также способы расставить акценты в композиции и сделать картинку более читаемой.