LICHTTUTORIAL

Dieses Tutorial soll anhand einer kleinen Beispielszene einige Tips zur Lichtsetzung in 3dStudio Max geben. Die Szene besteht aus einem Boden, zwei Wänden, einer Kugel und dem berühmten Teapot. Noch sind keine Lichter gesetzt, d.h. Max verwendet die Standardbeleuchtung, bestehend aus zwei Lichtern, die gegenübergestellt sind. Sobald aber ein selbst gesetztes Licht zum Einsatz kommt, werden diese Standardlichter deaktiviert. Zunächst ein wenig Theorie:

Es gibt drei Grundarten von Lichtern in Max: Punktlichter, Spots und Richtungslichter. Diese drei Arten unterscheiden sich in der Art, auf die sie ihr Licht ausstrahlen:

Punktlichter kann man am besten mit einer Kerzenflamme vergleichen. Sie strahlt in alle Richtungen gleichmäßig ihr Licht ab.

Spotlichter ähneln, wie der Name vermuten läßt, einem Spot. Hier wird das Licht von einem Punkt aus kegelförmig in eine bestimmte Richtung abgestrahlt. Dabei kann man die weite des Kegels beeinflussen, somit enggebündelte oder weit ausladende Spots erstellen.

Richtungslichter lassen sich am besten dem Sonnenlicht oder einem Laser zuordnen. Hier verlaufen alle Lichtstrahlen parallel zueinander. Lichtkegel wie beim Spot gibt es nicht, vielmehr einen Lichtzylinder. Dementsprechend werden auch die Schatten parallel zueinander abgebildet, und nicht wie bei einem Punkt- oder Spotlicht verzerrt.

Betrachtet zum besseren Vergleich das Blid links. Anhand des Schattenwurfs kann man schön erkennen um welche Lichter es sich handelt.
Punktlicht und Spotlicht unterscheiden sich eigentlich nur dadurch, das letzteres durch den Lichtkegel eingegrenzt wird.
Beim dem Richtungslicht erkennt man deutlich den parallelen Lichtcharakter. Die Schatten werden nicht verzerrt.

Neben den drei bereits genannten Lichtern, gibt es noch zwei Variationen: das Zielspotlicht und das Zielrichtungslicht. Diese beiden Lichter funktionieren genauso wie ihre großen Brüder, mit der Ausnahme das man bei der Erstellung neben dem Licht auch noch ein Zielobjekt erhält. Verschiebt man dieses Zielobjekt, verfolgt der Spot das Ziel. Man tut sich bei der Ausrichtung der Lichter wesentlich leichter. In der Verwendung gibt es einen einfachen Unterschied. Für einen Autoscheinwerfer z.B. ist ein normales Spotlicht geeignet, für einen Theaterscheinwerfer wäre das Zielspotlicht die richtige Wahl. Es kommt einfach darauf an, ob der Spot feststehend ist (und lediglcih verdreht werden kann, wie beim Theaterscheinwerfer), oder ob es ein starres Licht ist, daß sich mit einem anderen Objekt mitbewegen muß (Auto). Natürlich wäre auch eine Kombination denkbar, z.B. ein Suchscheinwerfer eines Hubschraubers.

Es gibt auch noch andere Lichtarten, meist unter dem Namen "Area-Lights" zusammengefasst. Area-Lights haben den entscheidenden Unterschied, daß sie nicht von einem Punkt ausgehen (so wie daß Punkt oder Spotlicht), sondern von einer Fläche oder einem Objekt. Eine Neonröhre wäre ein gutes Beispiel für ein Area Light. Die Neonröhre strahlt auf ihrer gesamten Länge, und rund um sich herum. Ein glühender Zylinder sozuagen.
In der Max-Standard-Version gibt es keine Arealights. Ein (Free-)Plugin der Blurstudios (RayFX-Shadows) ermöglicht aber den Einsatz solcher Lichtquellen. Oder Lumaobjekts von Cebas bieten ebenfalls eine Simulation solcher Lichtquellen.

Nun aber zum Einsatz von Lichtquellen in Max:

Im Bild nebenan seht ihr die Erstellungspalette . Klickt auf das Lämpchen, und ihr könnt zwischen den verschiedenen Lichttypen auswählen. Im folgenden möchte ich nur auf das Zielspotlicht eingehen. Dabei kommt man mit fast allen Lichteinstellmöglichkeiten in Kontakt.

Wenn ihr euch zunächst einwenig mit dem Plazieren der Lichtquelle vertraut machen wollt, nehmt einfach ein Licht eurer Wahl, und setzt es in die Beispielszene "Licht01". Dort sind noch keine Lichter gesetzt. Rendert ein Bild, verschiebt die Lichtquelle und rendert wieder. Ihr könnt dabei beobachten, wie die Objekte anders beleuchtet werden, jenachdem woher das Licht eben kommt. Der Glanzpunkt verschiebt sich dementsprechend, und genauso auch die unbeleuchteten Seiten der Objekte. Beachtet jedoch dabei, daß Euer Licht noch keine Schatten wirft. Außerdem könnt Ihr beobachten, daß Flächen die nicht direkt beleuchtet werden komplett schwarz sind. Ist ja eigentlich auch logisch, wo kein Licht hinfällt ist es eben dunkel. Aber auch nur bei Computeranimationen. In der Realität ist es etwas anderes. Lest dazu den kleinen Link "Radiosity-Renderer", falls ihr mit diesem Begriff nichts anfangen könnt.

Wenn ihr euch ausgetobt habt, öffnet die Szene Licht02. Dort habe ich ein Ziel-Spotlicht auf die Szene gerichtet. Das Licht ist noch total jungfräulich, d.h. ich hab noch nichts an den Werten herumgeschraubt, alles sind Standard-Max-Einstellungen. Ein weiteres Punktlich hellt die Szene von hinten auf. Macht ein kurzes Rendering von der Kameraansicht, und ihr seht den Teapot mit der Kugel, erleuchtet von einem Ziel-Spotlicht und dem Punktlicht.


Selektiert das Spotlicht, wechselt in die Änderungspalette und öffnet dort das Rollout allgemeine Parameter. Im folgenden werde ich nun die wichtigsten Parameter ansprechen, die man zur Lichtsetzung in 3dsMax benötigt:

Ein: Schaltet das Licht ein und aus (das Licht wird dabei nicht gelöscht, sondern nur vorübergehend deaktiviert).

Ausschließen (oder auch Einschließen): Hier könnt ihr Objekte von verschiedenen Wirkungsweisen der Lichtquelle ausschließen (Schattenwurf, Illumination oder beidem). Ist z.B. nützlich wenn es um Fensterscheiben geht. Hier kann man dann die Fenster-Objekte vom Schattenwurf ausschließen (schließlich ist Glas ja lichtdurchlässig).

RGB HSV: Die Farbe, Helligkeit, Sättigung wird über diese Parameter geregelt. Oder ihr benutzt gleich das Farbfeld.

Schatten werfen: Lichter werfen nicht immer Schatten (z.B. wenn sie nur als Aufheller für dunkle Ecken verwendet werden). Nur wenn diese Box aktiviert wird, wirft das Licht auch Schatten. Dazu später noch mehr (unter Schattenparameter).

Multiplikator: Oft reicht es nicht ein Licht auf einen RGB-Wert von 255,255,255 einzustellen. Das Licht kann immer noch zu dunkel sein (z.B. wenn es sich um Sonnenlicht handeln soll). In einem solchen Fall ist der Multiplikator die richtige Wahl. 1 ist der Standardwert. Ist der Multiplikator höher als 1 wird die Intensität des Lichtes erhöht (Werte über 6-7 sind jedoch schon meist übertrieben). Bei Werten zwischen 1 und 0 wird die Intensität des Lichtes abgeschwächt (bei 0 ist die Intensität =0).
Man kann auch negative Multipliktorwerte verwenden. Das Licht dunkelt den betreffenden Bereich dann ab (natürlich nur nützlich wenn noch ein anderes Licht vorhanden, von dem Lichtintensität abgezogen werden kann).
Den Mulitplikator kann man auch animieren. So ist es möglich flakernde Lichtquellen zu erstellen, Lichter auf- und abblenden zu lassen oder Blinklichter zu erstellen. Zum animieren einfach den Anim.-Button drücken, zu einem anderen Frame wechseln und den Multiplikator verändern.

Nun zu der Beispielszene. Spielt anhand des Spotlichts etwas mit den eben erklärten Werten herum. Schaltet auch ruhig mal den Schattenwurf ein. Schließt den Teapot aus. Dreht am Multiplikator herum, oder verändert die Farbwerte. Wenn Ihr Euch ausgetobt habt, öffnet wieder die Szene Licht03. Hier habe ich folgende Einstellungen vorgenommen:
- den Multiplikator des Punktlichtes auf 0,4 (ist ja nur ein Aufheller) gesetzt.
- den Multiplikator des Spotlichter auf 2, die Farbe leicht gelblich-rötlich gewählt.
- den Schattenwurf des Spotlichtes aktiviert.

Das Rollout Spotlichtparameter:

Dieses Rollout ist nur für Spot- und Richtungslichter relevant.

Hotspot und Falloff: Mit diesen beiden Einstellungen könnt ihr die Ausmaße des Lichtkegels festlegen. Im Hotspot (dem inneren, hellblauen Bereich des Kegels) bleibt die Lichtstärke immer gleich. Dann nimmt die Intensität nach außen hin ab, bis das Spotlich schließlich kein Licht mehr abgibt. Dieser Bereich nennt sich Falloff (durch den dunkelblauen Kegel angezeigt). Außerdem könnt ihr wählen ob der Lichtkegel nun rund (Kreis) oder rechteckig ist.

Overshoot: Diese Funktion hebt die Wirkung von Hotspot und Falloff auf. Der Spot besitzt keinen Kegel mehr, das Licht breitet sich ohne Falloffbeschränkungen aus. Gut einzusetzen wenn es um Sonnenlicht gehen soll, oder ein Raum gleichmäßig erleuchtet werden soll
. Der Overshoot wirkt sich jedoch nur auf die Illumination aus. Der Schattenwurf findet weiterhin nur im Falloffbereich statt. Ihr könnt das testen, indem ihr Overshoot aktiviert, und einen kleinen Falloff verwendet (z.B.25 Grad). Die Szene wird dann gleichmäßig beleuchtet, aber der Schattenwurf wird durch den Falloff weiterhin begrenzt.

Seitenverhätnis: damit könnt ihr das Längen-Breiten-Verhältnis eines rechteckigen Spot beeinflussen. Das Feld "Bitmap-Passung" wird relevant wenn ihr ein Projektormap, verwendet habt.

Projektor-Map: Dieses Feld macht aus eurem Licht eine Art (Dia-)Projektor. Wenn ihr in den Map-Kanal ein Bitmap hineinlegt (genauso wie beim Materialeditor), verwendet euer Spotlicht die Bildinformationen für Farbe und Helligkeit. Das ganze funktioniert das tatsächlich wie ein Projektor, d.h. fällt euer Lichtkegel dann auf eine einigermaßen weiße Fläche, wird dort das Bitmap abgebildet. Falls ihr später nicht mehr an euer Bitmap herankommen solltet (um es z.B. zu spiegeln), öffnet einfach den Materialeditor , und zieht das Projektormap per Drag&Drop in einen freien Kanal des Materialeditors. Wählt ihr im erscheinenden Fenster "Instanz", so werden zukünftig alle Änderungen die ihr an diesem Map im Materialeditor vornehmt, auf das Projektormap übertragen.

Nun zurück zur Szene (stellt sicher daß ihr die Szene03 gerade eben geladet habt!). Macht nochmals ein Rendering aus der Kameraansicht. Der Henkel des Teapots wird nicht mehr vom Spot erleuchtet. Aktiviert also wieder das Spotlicht und erhöht den Falloff auf 55 Grad. Nun wird der Rand des Lichtflecks größer und weicher, der Henkel wird ebenfalls erleuchtet.
Verkleinert nun den Hotspot auf 20. Der Lichtfleck wird nicht großer, aber nach innen hinein dunkler und weicher.

Die drei Bilder nebenan zeigen folgendes:

1. Der Lichtfleck mit den originalen Hotspot- Falloff- Einstellungen.

2. Die veränderten Falloffeinstellungen (Hotspot 20/Falloff 55). Der Henkel des Teapots bekommt noch ein wenig Licht ab!

3. Overshoot an. Der gesamte Raum wird gleichmäßig erleuchtet. Den Falloff hab ich in diesem Bild absichtlich auf 25 runtergedreht, um zu zeigen, was passieren kann, wenn er zu klein gewählt wird. Die Teekanne wirft gar keinen Schatten (sie liegt außerhalb des Falloffs), der Schatten der Kugel wird abgeschnitten (gut zu sehen wenn man durch den Henkel der Kanne durchguckt!).

Das Rollout Lichtabnahmeparameter:

In diesem Rollout könnt ihr die Abnahme der Lichtintensität in Bezug zur Entfernung zur Lichtquelle bestimmen. Das ganze nicht mit dem obenbesprochenen Falloff verwechseln! Hier geht es um den tatsächlichen Abstand von Lichtquelle und beleuchtetem Objekt. Beginnen wir mit der Lichtabnahme fern, da ihre Verwendung einfacher zu erklären ist.

Klickt zunächst mal auf die Box "verwenden", standardmäßig arbeitet Max ohne Lichtabnahme (d.h. euer Spot strahlt unendlich weit). Sobald ihr die Box aktiviert habt, könnt ihr in den Ansichtsfenstern zwei neue Bereiche in eurem Lichtkegel erkennen. Der gelbe zeigt den Beginn, der "Lichtabnahme fern", der braune das Ende der Lichtabnahme. Spielt zunächst an den beiden Werten herum, und beobachtet wie sich die Bereiche auch in den Anischtsfenstern verändern. Stellt dann den Beginn auf 450 und das Ende auf 650.

Rendert wieder ein Bild (am besten von dem oberen Anischtsfenster. Da wird der Effekt besonders deutlich!). Während der vordere Bereich der Szene noch erleuchtet wird (hier hat die Lichtabnahme noch nicht begonnen) , werden ab einer Entfernung von 650 Einheiten vom Spot aus die Objekte nicht mehr beleuchtet (hier ist die Lichtabnahme vollendet). Das man dennoch die Raumecke hinten erkennen kann, liegt an dem Punktlicht, das sich noch in der Szene befindet.

Wenn Ihr nun noch was über den Verwendungszweck der "Lichtabnahme nah" wissen möchtet, schaut Euch das Scheinwerfer-Tutorial an.

Deaktiviert die "Lichtabnahme fern" wieder. In dieser Beispielszene wird sie nicht benötigt.

Das Rollout Schattenparameter:

Hier könnt ihr nochmals den Schattenwurf ein- bzw. ausschalten. Außerdem könnt Ihr die Art des Schattens bestimmen. Es gibt zwei unterschiedliche Arten: Schattenmap und Raytrace-Schatten. Den Unterschied zwischen beiden könnt Ihr hier nachlesen.

Schattenfarbe: Dieses Feld gibts erst seit Max R3. Damit könnt Ihr Eure Schatten einfärben (normalerweise sind sie ja schwarz). Angenommen ihr habt ein Glas modelliert und ihm dunkelblaues Plexiglas als Textur verpasst. Der Schatten muß also eine Blau-Färbung erhalten.

Dichte: Mit der Dichte habt ihr die Möglichkeit Schatten "transparent" zu machen, auszufaden sozusagen. Setzt ihr die Dichte auf 0,5 so versumpfen im Schatten liegende Objekte nicht im totalen Schwarz, sondern erhalten noch 50% des Lichtes. Das bringt einem der Theorie Radiosity-Effekte zu faken ein Stückchen näher. Man kann damit die 100% dunklen Stellen vermeiden.

 

Zurück zur Szene: Stellt die Schatten-Dichte eures Spotlichtes auf 0,8. Der Ausguß der Teekanne wird nun nicht mehr zu 100% im Schatten der Kugel versinken, sondern nun dennoch leicht aufgehellt (wie alle übrigen Schatten auch).

Seht euch die zwei Bilder rechts an. Das obere zeigt die Szene mit einer Schattendichte von 1.0, das untere mit 0,8. Nachteil ist, daß der Ausguß auch seinen Glanzpunkt wiedererhält. Das dürfte, wenn man nach den Radiosity-Regeln geht, nicht so sein (da hier der Glanzpunkt aufgrund des Spotlichtes entsteht. Radiositymäßig gesehen würde der Ausguß von dem reflektierendem Diffuslicht der Kugel und Umgebung erhellt werden, und das reicht für einen eindeutigen Glanzpunkt kaum aus) Es ist eben alles nur ein Fake....

 

 

Das Rollout Schatten-Map-Parameter

Dieses Rollout ist für ein Licht nur interessant wenn es sich um bei der Generierung der Schatten um Schattenmaps handelt. Verwendet Ihr Raytraceschatten, hat dieses Rollout keine Bedeutung.

Die Neigung: Die Map-Neigung vergrößert (bzw. verkleinert) den Abstand zwischen Schatten und Objekt welches den Schatten wirft. Ist es euch schon mal passiert, daß Objekte über ihrem Schatten zu schweben scheinen? Oder das Objekte übele Moireeffekte erhalten, soblad ihr die Schatten aktiviert? Über diesen Wert kann solche Effekte regeln.
Standardmäßig ist die Mapneigung auf einem Wert von 1. Verringert ihr den Wert gegen Null, rücken die Schatten näher an ihr Objekt, der Schwebeeffekt nimmt ab. Dafür vergrößert sich die Chance einer Moiré-Bildung. Normalerweise kommt man mit der Standardeinstellung von 1 gut zurecht. Erfahrungsgemäß schwanken die Werte aber von 0,002 bis 5.

Die Schattenmap Größe: Gibt die Größe des Schattenmaps an.
Kleine Schattenmaps (128, 256, 512) haben meist eine schlechte Qualität, die Schatten fransen oft aus. Dafür wird beim Rendern der Speicher nicht so schnell zugemüllt, das "Lichter werden vorbereitet" geht wesentlich schneller von der Hand (vorallem wenn man eine Szene hat die 32 schattenwerfende Punktlicher hat).

Normale Schattenmaps (Größe 1024) erreichen meist eine ausreichende Qualität.

Große Schattenmap (2048, 4096) sind vorallem bei großen Szenen notwendig. Z.B. ihr habt den Eifelturm nachmodelliert und viel Landschaft darumherum gebaut. Um zu erreichen, daß trotz der großen Szenendimensionen jede einzelne Eisenstrebe immer noch einen sauberen Schatten wirft, müßt Ihr solch große Maps verwenden. Noch größere Einstellungen sind unnütz, da der Speicherverbrauch explodiert. In solchen Fällen dann lieber auf Raytraceschatten umsteigen.
Auch wenn eure Szene in einer hohen Auflösung gerechnet werden soll (z.B. 2000x3000 Pixel) empfiehlt es sich die Schattenmaps etwas größer zu gestallten.

Aber Vorsicht: der Speicherverbrauch nimmt exponentiell mit der Map-Größe zu. Eine Größe von 4096 führt zu 64Mb Speicherverbrauch. Eine Mapgröße von 512 dagegen benötigt nur 1Mb...

Um Euren Rechner nicht unötig zu belasten, solltet ihr außerdem immer in den eben gennannten Schritten arbeiten: 128, 256, 512, 1024, usw. Der Prozessor muß sich dann nicht mit der Berechnung von Kommastellen herumschlagen. Es ist nicht viel, aber ein paar Prozent Renderzeit sind allemal drin.

Der Samplebereich ist so eine Art Weichzeichner für die Schattenränder. Standardmäßig liegt dieser Wert bei 4, und sollte im Normalfall auch im Bereich zwischen 2 und 12 bleiben. Maximal kann man den Samplebereich auf 50 einstellen, was aber einen total unscharfen Schattenwurf zur Folge hat. Bei Werten kleiner als 2 (bis 0) kann es sein, das Schatten so scharf werden, daß schließlich Aliaseffekte auftreten.

Zurück zur Szene:

Öffnet die Szene04 und rendert einen Frame aus der Perspektivansicht. Betrachtet vorallem den unteren Rand des Teapots. Der Schattenwurf schimmert unter der Kanne hervor. Erhöht die Mapneigung auf 1.5 und der Schatten rutscht noch ein Stückchen unter die Kanne hinein.
Das Bild links zeigt die zwei verschiedenen Mapneigungen nochmals im Vergleich (oben die niedrige Einstellung, unten die korrigierte mit einer Neigung von 1.5).

Gebt auch ruhig mal extrem hohe und niedrige Werte ein. So erkennt ihr die Wirkungsweise der Mapneigung deutlicher.

Werft nun einen Blick auf die Wand hinter dem Henkel der Teekanne. Der Schatten dort ist sehr ausgefranst. Das liegt an der niedrigen Map-Größe von 512. Erhöht diesen Wert mal auf 1024. Die zwei Bildchen links zeigen den Unterschied. Das obere Bild ist mit einer Mapgröße von 512 gerechnet, das darunter mit einer Größe von 1024.

Der Schatten-Rand ist nun nicht mehr so ausgefranst, jedoch ist er auch um einiges härter geworden. Also solltet ihr zum Schluß noch etwas mit dem Samplebereich herumspielen. Erhöht ihn mal auf 10. Der Schatten wird weicher, und nun sind auch die ausgefransten Kanten verschwunden. Die letzten zwei Bilder zeigen den Teapot nochmal vor und nach den Korrekturen an den Schattenmap-Parametern.


Viel Spaß beim Ausleuchten!

Noch ein kleines Zuckerl: wer mehr über Licht und Ausleuchtungstechniken erfahren möchte sollte sich diesen (englischen) Link mal anschauen (vorsicht hat nen kleinen Newtek-Touch ;-)....

© 2000 Andreas Skrzypnik / lightrays.de

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