Una
escena de animación se ilumina mediante unas propiedades globales (Luz
ambiente) así como por diferentes puntos de luz (Luz puntual)
que emulan otros tantos tipos de “lámparas”. Los cálculos matemáticos
que se realizan con estos parámetros, aplicados a la geometría que
define la escena, se asocian con el concepto de “Modelos de
iluminación“.
Phong, Lambert, Fressnell, Minnaert, Toon, Oren-Nayar, Toon etc son
algunos de los nombres con los que normalmente se referencian algunos de
los principales modelos de iluminación.
No es necesario entender los modelos en profundidad para su uso
artístico en las herramientas de creación de imagen sintética, pero es
recomendable un conocimiento básico que permita entender cómo se forman
las imágenes para poder anticipar resultados en su aplicación.
El modelo de Phon es sencillo matemáticamente y permite obtener imágenes muy correctas. Los modelos basados en trazados de rayos
permiten imágenes más brillantes y realistas en determinados campos de
aplicación. Otros conceptos como la energía radiante de los cuerpos
permiten abordar el problema bajo ópticas muy diferentes que aportan
nuevas características a las imágenes.
La exploración de algunos conceptos
básicos puede darnos una visión diferente de la acción que producen las
fuentes de luz sobre un objeto de la escena. La idea de qué es un brillo
o por qué se produce una sombra permiten ir introduciendo el modelo
matemático básico sin esfuerzo. Iremos profundizando en cada uno de
estos artículos siempre desde las ideas más simples, nuestro objetivo es
entender o hacernos una idea aproximada de cómo se determina cada
cálculo en los modelos más elementales.
Puntos de Luz
Cada punto de luz (L) se define con diferentes parámetros:
- modelo de atenuación de la intensidad
- parámetros de las sombras arrojadas y recibidas
- direccionalidad del haz de rayos …
Esta variedad de parámetros permite que
se adapte al comportamiento que se pretende emular en cada tipo de
lámpara incorporado en el software de creación de imágenes de síntesis.
Un plano por ejemplo tiene en todos los puntos de su superficie la misma
“dirección normal”, son paralelas, mientras que en el caso de una
esfera todas las perpendiculares pasan por su centro, y abarcan a todas
las posibles direcciones del espacio.
Ya tenemos las tres letras básicas de nuestro alfabeto básico para
empezar a relacionar los objetos y luces con la imagen que obtenddremos
al “renderizar” la escena, es decir, cuando el programa convierte los
objetos y datos en una simple imagen o una completa animación.
Intensidad de iluminación
La intensidad de la luz en cada punto
depende de diferentes factores. Por supuesto el primer factor será la
intensidad que tenga la lámpara (potencia de la bombilla), pero hay
otros factores que lo condicionan.
Cuanto mayor sea la distancia entre el punto de luz y el objeto menor será la aportación de ese punto de luz a dicho objeto.
Otro factor que influirá notablemente será la dirección en la que se reciba la luz.
Aparece un ángulo importante en este modelo, el que forma el rayo de luz (L) con la normal (N) a la superficie (ángulo alfa).
Si nos imaginamos un haz de luz como un
cilindro que parte del punto de iluminación podemos entender la
dependencia entre el ángulo alfa y la intensidad de luz que llega a un
punto.
El cilindro tiene un espesor y en
consecuencia cubre un área (dA) que al incidir en la superficie se
convierte en el área iluminada. Su tamaño depende del ángulo alfa.
Podemos comprobar el efecto descrito en casa: si inclinamos una
linterna, su luz sobre el suelo cambia de forma y su intensidad decrece
con la distancia.
El nuevo área iluminada es la del cilindro dividida por una función, el coseno de alfa.
Esta sencilla ecuación nos muestra cómo se distribuye una energía
radiante (lumínica) sobre una superficie dependiendo de su inclinación. A
mayor superficie iluminada, menor intensidad, luego al aumentar alfa
disminuye la “cantidad de luz” que llega a cada punto.
Lo importante es que el área iluminada
cambia con una expresión matemática que nos relaciona el ángulo con la
intensidad que se recibe en la superficie, variando por tanto en función
de dónde situemos estos puntos en la escena. ¿Cerca o lejos? ¿Más
arriba o más abajo? ¿Con mayor o menor intensidad (potencia) cada punto
de luz?
