Rendering: OpenGl (OGL) and Adobe Ray Tracer (ART) Introducción Este libro es el primer volumen de su clase en publicarse que abarca todo lo relacionado con los gráficos 3D en Photoshop CS5 Extended. Sus autores pertenecen al mismísimo equipo 3D de Adobe Photoshop, o bien son profesionales respetados en el mundo de Photoshop. El libro se marca dos objetivos principales: constituirse en la guía de referencia definitiva para cualquier profesional creativo recién llegado al mundo de las 3D y, por otra parte, ser fuente de tutoriales creativos e inspiradores que sirvan para aprender en profundidad las capacidades 3D de Photoshop CS5 Extended. En la Parte I se cubren los conceptos 3D más generales, pero que resultan de importancia para luego experimentar con el diseño 3D. La Parte II cubre el funcionamiento de las herramientas 3D en Photoshop CS5 Extended. La Parte III está constituida por una serie de magníficos talleres sobre distintos aspectos de la creación 3D, realizados todos ellos por reconocidos profesionales de Photoshop. Por último, la Parte IV facilita información de importancia acerca de los formatos de archivo y la interoperabilidad. Es nuestra esperanza que este libro sirva para que diseñadores de todos los niveles se atrevan a explorar todo lo que el mundo del diseño 3D puede aportar a su trabajo. Y lo que es igual de importante: que puedan disfrutar mientras aprenden cosas nuevas. xv
PARTE I Introducción a los conceptos 3D Capítulo 1 La escena... 3 Capítulo 2 Técnicas de renderizado OpenGL (OGL) y Adobe Ray Tracer (ART)... 19 En esta parte Este libro es acerca de Photoshop y las maneras de integrar los flujos de trabajo en el diseño en 3D, sin embargo hemos querido dar un paso atrás y empezar con una introducción a los conceptos básicos de las 3D. En esta parte, se explican los conceptos 3D de una manera que cualquier persona nueva que entra en el mundo de las 3D puede entender, de modo que tengan un marco sólido para empezar a explorar las posibilidades que ofrecen las 3D. Además, aquellos de ustedes que ya estén familiarizados con las 3D pueden aprender sobre las diferentes técnicas que utilizamos y cómo se pueden añadir y optimizar sus flujos de trabajo. 1
CHAPTER Capítulo 1 La escena 1.1 La escena 3D En una escena 3D típica podemos encontrar diversos elementos que, en conjunto, generan una escena. Crear una escena 3D es, en gran medida, como disponer un set en un estudio para realizar fotografías (véase la imagen superior). Primeramente, debemos contar con algo de lo que tomar fotografías (en nuestro caso, las mallas poligonales). En segundo lugar, estas mallas tendrán que incorporar diversos materiales, como madera, algodón o metal, en su superficie. El tercer lugar lo ocupa la iluminación de la escena, que realizaremos con una o varias luces. Y, por último, necesitaremos una cámara con la que adquirir las imágenes (rendering). El término rendering (renderizado) define el acto de tomar una fotografía de la escena a través de nuestra cámara virtual, usando para ello la iluminación, los materiales y las mallas que hayamos definido previamente. 1.2 Mallas y vértices 1.2.1 3D frente 2D En qué consiste exactamente un gráfico en 3D? A muchos les sonará de las clases de álgebra en el instituto. Se tenían dos valores, x e y, se buscaban sus posiciones a lo largo de los ejes de coordenadas y, partiendo de ellas, se marcaba un punto en el gráfico. Si dibujábamos tres de dichos puntos y los uníamos sobre el plano, 3
3D en Photoshop obteníamos un triángulo. Y si añadíamos un tercer eje de coordenadas, Z, podíamos definir puntos en cualquier lugar del espacio tridimensional para crear formas en 3 dimensiones (figura 1.1). Figura 1.1 Un triángulo consta de tres puntos en dos dimensiones (X e Y). Extendiendo esto a un tercer eje (eje Z), resulta en un triángulo en 3D. Todos los objetos que aparecen en una escena 3D son en realidad colecciones de puntos en el espacio tridimensional, que reciben el nombre de vértices. Éstos se agrupan de tres en tres para formar triángulos que, a su vez, se agrupan formando mallas. Sin embargo, ya antes de que dichos triángulos se dibujen, es posible definir mallas de diferentes maneras. La ecuación de una esfera, por ejemplo, representa un objeto 3D. No obstante, si se debe convertir en imagen, es preciso dividirlo primero en una malla de triángulos que se aproxime cuanto sea posible a su forma (figura 1.2). Figura 1.2 Una esfera representada con triángulos, usados para definir la malla de la superficie. 4
La escena 1.3 Cámaras Photoshop soporta dos tipos de cámaras: ortográfica y de perspectiva. En ambas es preciso definir su ubicación, es decir, el lugar que ocupan en el espacio 3D, y la dirección en la que apuntan. 1.3.1 Cámara de perspectiva Una cámara de perspectiva es aquella que se comporta como una cámara del mundo real. Estas cámaras incorporan lentes con función de zoom que se puede representar como el campo de visión en grados o como una distancia focal en milímetros. Esta clase de lente tendrá su correspondiente distorsión de la perspectiva a medida que aumentemos o disminuyamos su campo de visión. 1.3.2 Cámara ortográfica Las cámaras ortográficas se emplean mayoritariamente en ingeniería y arquitectura, así como en el proceso de modelado 3D. Estas cámaras no introducen distorsión de la perspectiva. Esto quiere decir que, cuando se mueven, no modifican la forma ni el tamaño del objeto enfocado; lo que puede resultar muy útil cuando se trata de alinear objetos en un espacio 3D. Las cámaras ortográficas cuentan con una escala que representa el tamaño de la porción de espacio 3D que captan. Es preciso tener en cuenta, en este punto, que tanto acercar un objeto a una cámara ortográfica como alejarlo de ella, o bien mover la propia cámara, no introduce cambio alguno en el renderizado del mismo. Mientras que si se tratase de una cámara de perspectiva, el aspecto del objeto cambiaría notablemente (figura 1.3). Figura 1.3 La fila superior muestra una cámara de perspectiva. El coche situado en el medio está cerca de la cámara y se ve más grande que el coche de la derecha, que está más lejos. La fila inferior muestra una cámara ortográfica. Ambos coches se ven del mismo tamaño con independencia de la distancia que los separe de la cámara. 5
3D en Photoshop 1.3.3 Profundidad de campo Además de la posición y la dirección de la cámara, Photoshop CS5 es capaz de simular la abertura del objetivo mediante ajustes en la profundidad de campo. Gracias a ellos, podemos especificar la parte de nuestra escena que vamos a enfocar y aquélla que aparecerá desenfocada. En esencia, es muy parecido a enfocar modificando la abertura del objetivo de una cámara al tomar una foto (figura 1.4a). Figura 1.4a La profundidad de campo hace que la parte frontal esté enfocada, es decir, en el plano de enfoque, y el resto, desenfocado. En Photoshop CS5, las cámaras disponen de dos nuevos parámetros que otorgan al artista mayor control sobre la profundidad de campo. El control Distance determina el plano de enfoque de la escena, mientras que el control Blur configura el grado de desenfoque de las zonas que estén por detrás y por delante del plano de enfoque (figura 1.4b). Figura 1.4b Con la herramienta Camera Zoom seleccionada, podemos fijar tanto la distancia del plano de enfoque como la cantidad de desenfoque. 6
La escena 1.4 Iluminación La percepción visual es nuestra percepción de cómo la luz interactúa con la materia. Así, la iluminación es un componente clave de toda escena 3D, en las que tiene la misma importancia que en la propia fotografía. La interacción de la luz con la superficie de un objeto es un proceso muy complicado. El objetivo básico del renderizado 3D es reproducir la interacción de la luz con los distintos materiales lo más fielmente posible. Ello es, no obstante, endiabladamente difícil, así que se han desarrollado técnicas necesariaas de simplificación y aproximación de los cálculos. Una medida interesante en ese sentido consiste en limitar los tipos de luces disponibles. Photoshop CS5 admite sólo cuatro tipos de luces. Las tres primeras son estándar y se pueden encontrar en la práctica totalidad de aplicaciones de renderizado 3D: omnidireccional, infinita o direccional y focal. 1.4.1 Luz omnidireccional Conocidas como luces omnidireccionales o puntos de luz, son fuentes que emiten luz por igual en todas las direcciones del espacio. Podemos visualizarlas como una bombilla encendida. En este tipo de luces podemos configurar la posición, pero carecen de dirección (figura 1.5). Figura 1.5 Imagen de un punto de luz omnidireccional. 7
3D en Photoshop 1.4.2 Luz infinita o direccional Una fuente de luz infinita o direccional es aquélla que emite luz en paralelo a una dirección dada. Resultan muy útiles para simular la luz que llega de fuentes muy lejanas, como por ejemplo la luz del Sol. En este tipo de luces podemos configurar la dirección, pero carecen de posición definida (figura 1.6). Figura 1.6 Una fuente de luz infinita, representada por el elemento de color amarillo, con su dirección indicada por la flecha. 1.4.3 Luz focal Las luces focales son similares a las de los reflectores en fotografía o a los faros de un coche. Se puede configurar su posición, dirección y la anchura del haz de luz (figura 1.7). 8
La escena Figura 1.7 Una luz focal representada por el elemento amarillo, que apunta en la dirección de la luz. 1.4.4 Luz ambiental En Photoshop CS5, este tipo de luces basadas en imagen proporcionan una atmósfera de luz, en la que la fuente no es un punto ni un rayo, sino un mapa de textura aplicado sobre una hipotética esfera que rodease la escena (panorama esférico). Una forma de visualizar este tipo de luces consiste en imaginar un conjunto de diminutos puntos de luz instalados en la superficie de una esfera que rodease nuestra escena. Cada uno de ellos se correspondería con uno de los píxeles del mapa de textura aplicado en la esfera. En situaciones reales, es muy raro que los objetos reciban luz de una sola fuente. Por ejemplo, pensemos en un objeto en el interior de una habitación vacía con una única lámpara en el techo. Sin duda, la lámpara iluminará la estancia y al objeto de forma directa, pero parte de la luz será reflejada por las paredes y llegará en último término a la superficie del objeto de forma indirecta. De forma similar, un objeto en una escena al aire libre no sólo recibe la luz del Sol, sino también desde el cielo y el suelo. Por lo tanto, una luz basada en imagen facilita enormemente la creación de entornos con una iluminación realista. Así, nuestro enfoque no será iluminar la escena con múltiples fuentes básicas de luz, sino emplear una única luz basada en imagen mediante un mapa de texturas aplicado a la superficie (interna) del panorama esférico (figura 1.8). 1.5 Materiales Los materiales definen la apariencia del objeto. Sus parámetros incluyen: difusión (color principal), especular (brillos), transparencia, reflexividad, etc. El enfoque conceptual de todo esto es que si configuramos todas las propiedades de una determinada manera, podemos crear la impresión de que el objeto renderizado 9
3D en Photoshop está hecho de alguna sustancia reconocible a simple vista, como plástico, metal o cristal. Asimismo, los materiales suelen incorporar texturas (figura 1.9). Figura 1.8 Mapa de luz basado en imagen empleada para iluminar la esfera. Esta fuente de luz aparece representada por la pequeña esfera de la derecha que tiene aplicado el mapa de luz y que muestra los controles que nos permitirían rotar el mapa y cambiar la posición de la luz. Figura 1.9 Materiales de ejemplo que podemos encontrar en las muestras de la biblioteca Materials de Photoshop CS5. 10
La escena 1.5.1 Propiedades de los materiales soportadas por Photoshop La mayoría de las propiedades de los materiales en Photoshop tienen un valor base, que puede ser un color o un valor simple, y un mapa. Si no se especifica dicho mapa, el valor base se emplea para toda la superficie del material. Si, por el contrario, definimos un mapa, los valores de éste invalidan el valor base. El canal alfa se emplea sobre el mapa para fusionar (multiplicar) el valor de cada uno de sus píxeles contra el valor base. Difusión (diffuse) El color de difusión es aquél que un objeto muestra cuando refleja la luz que lo alcanza de forma directa (buena luz), ya sea luz natural o artificial, y que nos permite verlo con facilidad (figura 1.10). Este color se ve igual desde cualquier dirección, como una pintura mate (tanto los brillos como los reflejos dependen del lugar desde el que miremos la superficie). Figura 1.10 La imagen de la izquierda es un mapa de luz difusa con el patrón de un tablero de ajedrez. A la derecha, lo vemos aplicado sobre una esfera 3D. Cada píxel de la imagen izquierda se corresponde con una posición en la superficie de la esfera. 11
3D en Photoshop Figura 1.11 Modelo 3D de una lata de refresco con la imagen de fondo configurada como un mapa de entorno. Asimismo, los reflejos están habilitados (valor para reflejos > 0). Mapas de entorno (environment) Similar a la iluminación basada en imagen que mencionamos antes, un mapa de entorno especifica colores en una esfera que envuelve nuestra escena. En un mapa de entorno, dichos colores se emplean para los reflejos (figura 1.11). Notas: Si no especificamos un mapa de entorno para un material, y sí una iluminación basada en imagen, el color de ésta última servirá por defecto para calcular los reflejos. Si fijamos el valor de los reflejos en 0, no se observará el efecto de un mapa de entorno porque no tendrá nada, ni objeto ni superficie, desde lo que rebotar. Mapas de texturas rugosas (bump maps) La técnica conocida como bump mapping logra que un objeto parezca tener una superficie irregular o rugosa (figura 1.12). Cuando renderizamos un objeto con un material de este tipo, las zonas más claras del mapa de textura parecen elevarse, mientras que las más oscuras aparentan estar hundidas en la superficie del objeto. Mapas de opacidad (opacity maps) Podemos seleccionar una imagen de forma que un objeto sea parcialmente transparente. Los valores más altos (claros) se representarán como más opacos, mientras que las áreas oscuras aparecerán más transparentes. Funciona igual que la herramienta Opacity del panel Layers en Photoshop (figura 1.13). Mapas de brillo y resplandor (shininess/glossiness maps) Los mapas de brillo y resplandor controlan los reflejos especulares del objeto. Por shininess entendemos la intensidad o brillo de los reflejos; mientras que, glossiness define el tamaño o amplitud de los mismos. Así, para que el brillo tenga sentido como efecto se debe aplicar sobre un resplandor; mientras que éste último efecto tiene sentido por sí mismo (figura 1.14). El uso de un mapa de resplandor cambiará de sitio los reflejos de la superficie del modelo. Por su parte, un mapa de brillo modificará la intensidad de dichos reflejos. 12
La escena Figura 1.12 La parte izquierda de la esfera es una textura plana, mientras que la parte derecha muestra esa misma textura con bump mapping. El mapa de rugosidad (bump) aplicado es la imagen en escala de grises de la derecha. Figura 1.13 La esfera derecha muestra una textura de un tablero de ajedrez aplicada como mapa de opacidad. Los valores de color del mapa de texturas de la esquina superior izquierda determinan el grado de transparencia de cada parte del objeto (el negro se corresponde con una transparencia total). Figura 1.14 Distintos efectos de brillos y resplandores. 13
3D en Photoshop Figura 1.15 La iluminación automática proporciona efectos como el neón de la figura o la incandescencia de la lava volcánica. Mapas de iluminación automática (self maps) La iluminación automática se añade al color resultante de computar los parámetros diffuse, highlight y reflection. Lo podemos visualizar como un pintura luminiscente que se añade al color del objeto y es independiente de la iluminación (figura 1.15). Otro modo, muy sugerente, de pensar en este efecto consiste en visualizar la lava de un volcán y cómo su incandescencia emite luz rojiza. Podemos utilizar materiales iluminados automáticamente para simular objetos como los faros de un coche. El color blanco proporciona la máxima iluminación, y el negro la bloquea por completo. A menudo, resulta buena idea diseñar un mapa de iluminación automática que haga juego con el mapa diffuse. Éste, por ejemplo, podría incluir pequeños rectángulos amarillos para representar ventanas, mientras que el mapa de iluminación automática estaría formado por rectángulos blancos equivalentes, contra un fondo negro, para iluminar las ventanas amarillas. Mapas de normales (normal maps) Los mapas de normales son texturas empleadas para simular la iluminación de las irregularidades de la superficie de un objeto 3D. Permiten al programa hacer más detallado el modelo 3D sin añadirle polígonos, lo que aumentaría el tamaño del modelo y archivo. Estos mapas resultan particularmente útiles en la generación de 3D en tiempo real, como en los motores de videojuegos, pero se pueden emplear también en escenas y animaciones renderizadas. En Photoshop, los mapas de normales son espaciales y se definen sobre la superficie del objeto, de forma que los valores RGB de la textura se interpretan como direcciones del espacio (X, Y, Z, respectivamente). A menudo, los mapas de normales se utilizan para mejorar la calidad de renderizado de un modelo creado con pocos polígonos (figura 1.16). Un diseñador de juegos, por ejemplo, podría generar una versión con un menor número de polígonos de un modelo ya creado. Luego, utilizaría el modelo original para generar un mapa de normales que, por último, aplicaría al modelo con menos polígonos. 14