Aula 04 - Iluminação e Técnicas de Luz e Sombra

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Aula 4: Iluminação e Técnicas de Luz e Sombra
Apresentação
O foco desta aula será entendermos os conceitos de luz e sombra, analisando como eles são replicados e simulados
dentro dos softwares 3D e como a luz se dispersa no mundo real.
Objetivo
Examinar como a luz se dissipa e dispersa no mundo real;
Analisar a simulação de uma iluminação dentro dos softwares 3D;
Identi�car técnicas importantes para retratar luzes e trabalhar suas hierarquias.
Luz e sombra
Antes de iniciarmos nosso primeiro contato com a luz e sombra, é de suma importância que possamos entender como elas
se comportam e como o software de computação grá�ca trabalha para simular esses parâmetros de forma que possamos
alcançar uma proximidade cada vez maior da realidade.
Saiba mais
Um ponto importante nesta introdução é entendermos primeiramente quais os tipos de luzes que existem; para isso,
destrincharemos na sequência cada tipo e como elas se comportam.
Existem ao menos seis tipos de luzes muito comuns nos softwares de computação grá�ca, a point light ou omni, a directional
light ou luz direcional, a spot light, area light, volume light e ambient light.
Clique nos botões para ver as informações.
A point light ou Omni consiste em uma luz que gera raios em todas as direções através de uma pequena fonte no
ambiente 3D. Não tem um tamanho especí�co ou sequer algum formato, e são comuns como luzes acessórias, como,
por exemplo, a luz de uma vela ou de uma árvore de natal, entre outras.
Point light ou omni 
A Directional Light ou Luz Direcional funciona de forma oposta à Omni. Ela representa um ponto de luz bem distante,
como a luz da lua ou do sol, com raios direcionados que vão em paralelo em uma única direção; costuma ser uma luz
utilizada com uma intensidade mais alta.
Directional light ou luz direcional 
A Area Light emite seus raios através de um formato especí�co, retangular ou circular, com tamanho também
especí�co. Este tipo de luz é comumente usado no ramo de visualizações para arquitetura ou exibição de produtos. As
Area Lights produzem uma sombra suave, fazendo com que a renderização pareça mais realista. Ao contrário da
Direcional Light, os raios de luz emitidos vão em todas as direções e não emitem raios paralelos.
Area light 
A Volume Light é muito similar à Omni, emitindo seus raios em todas as direções a partir de um ponto especí�co. Porém,
tem um formato de�nido, geralmente, por uma geometria, e possui também tamanho de�nido. Elas costumam iluminar
somente as superfícies em que seu volume está de�nido, provocando o efeito de fumaça, ou neblina.
Volume light 
Por último, na lista de luzes mais comuns, temos a Ambient Light, ou Luz Ambiente. Esta luz não é similar a nenhum dos
outros tipos relacionados acima. Ela emite seus raios de forma suave em todas as direções, sem uma direção
especí�ca, e não emite sombra no chão, sendo bem similar a um entardecer ou crepúsculo, logo após o pôr do sol.
Além disso, é usada em complemento à fonte principal de luz, dando cor à cena dentro do software 3D.
Ambient light 
Um pouco mais sobre Volume light
É muito comum vermos as volume lights também
representando os “God Rays” (ou Raios de Deus, em
tradução livre), que são aqueles raios emitidos quando o
sol está atrás das nuvens e só há uma pequena fresta com
a luz passando por dentre dela.
É muito comum também vermos este tipo de iluminação
quando temos um ambiente extremamente escuro e com
poeira, o que gera uma atmosfera propícia para a
propagação da Volume Light.
 God Rays / Fonte: Medium.
Nos games, a Volume Light costuma ser simulada pela utilização de planos luminosos com canal alpha, às vezes até
animados, de forma que eles �quem semi transparentes, pois este efeito é bastante custoso em questão de recursos para ser
computado.
Nos tipos de luzes citados, há uma técnica muito comum quando falamos de iluminação de interiores, e que vemos
principalmente nas cenas de arquitetura feitas em computação grá�ca: O per�l IES.
O IES (Illuminating Engineering Society) nada mais é do que um formato de
arquivo que contém dados que descrevem o formato de distribuição e
emissão de uma luz. Geralmente, é utilizado em luzes Spot, que são luzes
direcionais.
A maioria dos softwares já possui um parâmetro integrado para vincularmos estes arquivos. Através dele, poderemos de�nir
o formato de nossa luz, que varia de acordo com o tipo de lâmpada, como na vida real.
 IES Lights. Fonte: ArnoldRenderer.
 Global Illumination
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Antes de passarmos por mais algumas técnicas, precisamos abordar o que chamamos de Global Illumination. O
Global Illumination, ou GI como é popularmente conhecido, é uma técnica muito utilizada nos softwares de
computação grá�ca para simular as luzes indiretas do ambiente, adicionando maior realismo à cena.
Uma das características do GI é que ele gera fótons de luz a partir da fonte de emissão, que rebatem em todo
ambiente, fazendo com que os objetos em cena possam absorver esta luz e a cor dos demais objetos à sua volta.
No ponto de vista cientí�co, um fóton nada mais é do que uma pequena partícula que contém uma certa quantidade
de energia, e que ao ser simulado junto a outras dezenas de milhares de fótons gera a luz do ambiente. Quando um
fóton é emitido e entra em contato com a superfície, ele revela o valor da sua cor e sua energia.
Uma vez que ele toque, ele rebate da primeira superfície de contato para as demais e o valor de sua energia decai, de
forma que ele repete esse processo até ser totalmente absorvido, criando um efeito de luz indireta e levando a cor e a
propriedade de outros materiais para as demais áreas da cena, imitando o efeito que vemos acontecer com a luz no
mundo real.
Porém, o GI não necessariamente deve ser utilizado em todas as situações, pois ele não é a única solução para
atingirmos o fotorrealismo. Por exemplo, talvez você esteja fazendo um estilo de render ou game mais cartoon, sem
querer especi�camente utilizar a luz indireta.
Contudo, ele é uma poderosa ferramenta para criar renderizações de arquitetura, interiores, cenas que utilizam a luz
do sol de forma única e direta e renderizações realistas.
 Photons from G.I. Fonte: PluralSight.
Simplesmente, no mundo real, ao olharmos ao redor, vemos a luz interagindo com as cores mais vibrantes e transmitindo-a
para objetos no mesmo cômodo, ou em coisas mais simples, como a luz passando por baixo de uma porta e iluminando por
mínimo que seja o ambiente interno devido ao seu rebatimento. Estes são exemplos que não aconteceriam em uma
simulação 3D caso o GI também não fosse simulado.
Dica
Um dos fatos mais importantes de se trabalhar na iluminação, se não o mais importante, é utilizar sempre as referências de
fonte luminosas como na vida real. O fato de colocarmos luzes “auxiliares” na cena, na verdade, mais atrapalha do que ajuda
quando a questão é o realismo.
Isso é um fato super importante de se ter em mente quando estamos trabalhando qualquer tipo de iluminação, pois o uso de
luzes “fake” passará a percepção para o nosso cérebro, mesmo que subconscientemente, de que aquilo é falso, já que na vida
real seria pouco provável ter uma fonte de luz difusa vindo, por exemplo, de um ângulo de 45 graus com o chão.
Hierarquia das luzes
Outro passo extremamente relevante e não menos importante quando falamos de realismo é a “Hierarquia das Luzes”. Na
natureza, temos uma escala de intensidade e de luminosidade, sendo a luz da natureza, como o sol, por exemplo, a luz
soberana frente a todas as outras luzes.
Comentário
Este é um fato extremamente importante de se atentar pois vemos muitas cenas 3D em que as luzes arti�ciais estão sendo
reproduzidas praticamente na mesma intensidade que a luz natural, enquanto no mundo real, ao se ter uma luz natural forte
diretamente entrando por uma janela, por exemplo, ela praticamente torna a intensidade das demais quase que inexistente.
Isso é um princípio muito importante a ser observado até na fotogra�a,pois, quando tentamos deixar o ambiente interno
com a exposição correta para bater uma foto, a luz do lado de fora �ca extremamente forte e estourada, causando um
fenômeno que na computação grá�ca chamamos de “Bloom”.
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
A hierarquia deve ser sempre de�nida e calibrada na ordem
em que a luz natural é a mais forte de todas, e as demais
luzes em cena vão decaindo para acompanhar a
intensidade desta luz, seguindo em primeiro a luz natural,
em segundo as luzes arti�ciais principais da cena, e por
último as luzes menores, como telas de TV e
computadores, abajures, lanternas, entre outros.
 Hierarquia de Luzes. Fonte: André Scudiere.
O Bloom é um efeito que gera algo similar a um borrão de luz ou leve “neblina luminosa”, em que quanto mais forte for a fonte
de luz, maior será o efeito gerado se o ambiente em que estivermos for mais escuro. Este efeito ocorre quando olhamos
diretamente para uma fonte luminosa muito forte, e geralmente está acompanhado de outro efeito muito comum chamado
de Glare .
Como não conseguimos focar com precisão uma câmera ou nossos olhos frente a essas fontes luminosas, acabamos tendo
este efeito de que a luz está borrada e se dispersando.
1
 Lens Effects. Fonte: ChaosGroup.
Quando falamos de câmera, temos também a Aberração Cromática, ou Chromatic Aberration, em inglês. A aberração
cromática é um efeito que ocorre quando a lente não consegue focar todos os canais de cores no mesmo ponto, gerando
assim uma distorção e criando um borrão colorido na borda da fotogra�a.
Apesar de ser um efeito não visível a olho nu, ele se tornou
um estilo adorado pelos amantes de games e fotogra�a,
que resolvem, às vezes, utilizá-lo de forma proposital. Em
muitos softwares 3D, até mesmo em games, o efeito de
aberração cromática existe, podendo ser ativado pelo
usuário.
 Chromactic Aberration. Fonte: DPReview.
Uma das técnicas comuns utilizadas na iluminação é o three point lighting, ou, em tradução livre, três pontos de luz. É uma
técnica de utilização muito comum em estúdios de fotogra�a, vídeos e �lmes, utilizada principalmente em ambientes
fechados.
https://estacio.webaula.com.br/cursos/go0699/aula4.html
Ele é formado pela key light, que atinge o objeto diretamente na parte que
irá �car exposta para a câmera e sua força, cor ou ângulo determina o
design de luz da cena. Ela é acompanhada da �ll light, que também é posta
atingindo o objeto diretamente em lateral oposta à key light, melhorando o
balanço entre as luzes e eliminando um pouco das sombras geradas pela
luz principal.
A �ll light também é utilizada em intensidade mais branda do que a luz principal e sua ausência pode gerar contrastes muito
fortes, devido às sombras, perdendo um pouco da naturalidade.
Por último, temos a backlight ou rim light, que �ca angulada na parte traseira do objeto em foco, frente a frente com a key
light. A backlight não contribui somente como uma luz complementar, ela cria um contorno ao atingir o objeto em sua lateral,
aumentando seu destaque.
Saiba mais
Há também algumas adaptações com quatro luzes, em que é adicionada a luz de background, agindo de maneira especí�ca
para iluminar o fundo do cenário de forma natural e discreta.
 Three Point Lighting. Fonte: BlendSpaces.
Além da técnica do Three Point light, é comum utilizarmos apenas uma luz direcional quando falamos de ambientes externos
simulando a luz da natureza ou até mesmo complementar esta luz direcional com outras luzes arti�ciais, dependendo da
intensidade desta luz natural.
Exemplo
Podemos tomar como exemplo o caso de uma cena noturna, em que você poderá ter uma luz direcional imitando a luz da lua e
ainda assim ter as luzes arti�ciais dos postes na rua para complementar a fonte de luz principal.
Em algumas cenas virtuais, a ausência de uma luz direcional, ou luz focada, pode amenizar alguns efeitos como o normal
map dos objetos, o que faria com que estes objetos perdessem alguns detalhes e �cassem com a impressão de que são
apenas pintados, sem nenhuma imperfeição.
Este fato ocorre pois o cálculo do normal map é feito
baseado na posição em que a luz direcional atinge o objeto,
e que eventualmente poderá não ser calculado pela
ausência desta fonte luminosa.
 Normal/Bump map Bricks. Fonte: Desconhecida.
 Lightmap
 Clique no botão acima.
Nos games, temos muitos desa�os na utilização de iluminação dinâmica; devido a esta di�culdade, é comum as
luzes dinâmicas serem utilizadas somente para os personagens. Dependendo da plataforma, às vezes não há
nenhuma luz dinâmica sequer na cena.
Para isso, há uma técnica chamada Lightmap ou Bake de Luz; de uma forma bem simplista, a game engine “pinta” a
luz que foi construída na cena e suas respectivas sombras em cima de cada objeto, gerando um mapa chamado
lightmap. A partir deste ponto, ele passa a desconsiderar da cena todas as luzes que foram pintadas neste mapa de
Ligthmap, fazendo com que elas sejam estáticas.
Ou seja, se o personagem chegar próximo ou passar por baixo destas luzes, ele não será afetado por elas. Por isso,
em alguns jogos feitos para plataformas menos limitadas, como consoles e computadores, há a possibilidade de se
utilizar algumas luzes dinâmicas pontuais para os personagens, que só afetam eles; desta maneira, pode-se projetar
sua sombra em tempo real no cenário.
É importante ressaltar que estes LightMaps funcionam como qualquer outra textura dentro do game. Quanto melhor
for a sua resolução como textura, melhor será a qualidade da luz e sombra, e mais nítida. Comprimir
demasiadamente a textura de um LightMap para ganho de performance poderá gerar uma perda signi�cativa da
qualidade da luz e da sombra de seu game.
LightProbe
Nas plataformas mais limitadas, como o mobile, e para as demais, existe uma outra técnica comumente utilizada para que o
personagem possa receber a iluminação inerente a estas luzes estáticas chamada de LightProbe. O LightProbe são esferas
colocadas ao longo do cenário, nos locais em que o personagem passa, e elas criam algo similar a uma malha, ou rede.
Após gerar o cálculo das luzes referentes aos LightProbes, a game engine consegue entender os pontos de luz da cena e
consegue reproduzir estas luzes nos personagens; porém, é importante ressaltar que isso é apenas um efeito que não faz
com que as luzes virem dinâmicas, e tampouco geram sombra a partir destes LightProbes.
Comentário
Em uma abordagem mais técnica, os LightProbes armazenam a informação sobre as luzes da cena de uma forma diferente
dos Lightmaps. Enquanto os LightMaps armazenam as informações sobre onde as luzes atingem os objetos postos em cena,
os LightProbes, por sua vez, armazenam a informação das luzes que passam por dentro dos espaços vazios da cena.
Desta forma, os LightProbes são utilizados para melhorar a
qualidade de luz da cena, incluindo a luz indireta, nos
objetos que se movem durante a execução do game.
Eles também têm a função de providenciar informações
sobre as luzes em cenas estáticas, quando estas cenas
estão utilizando o sistema de LOD.
 LightProbes Mesh. Fonte: Unity.
Ray Tracing
Outro ponto muito limitante nos games é o re�exo, que vem avançando ao longo do tempo com o surgimento de novas
tecnologias, como o Ray Tracing. Até o lançamento recente do Ray Tracing não era possível simular re�exos em tempo real
nos games. Ainda que hoje isso seja possível, é um recurso que ainda deve ser muito aprimorado para que seja acessível a
todos, pois seu consumo de recursos é muito custoso.
Portanto, os games utilizam, para a criação de re�exos falsos, o que chamamos de Cubemap. O Cubemap é um mapa de
textura muito similar ao HDRI (“High Dynamic Range”), que são fotos 360º. A diferença substancial do HDRI para o Cubemap
é:
Cubemap
Pode ser gerado diretamente pegando o
entorno da cena. 
HDRI
É uma foto de algum local retirado com
uma câmera.
Exemplo
Podemos supor que exista um carro dentro do seu game, e que este carro �ca estacionado em uma rua; você construiu a rua, osentornos, colocou as casas e os postes; a partir deste ponto, é possível gerar um Cubemap para este carro utilizando-o como
referência de posicionamento na cena.
Desta forma, o Cubemap é construído captando todos os detalhes ao redor, o que faz com que seu re�exo pareça verdadeiro.
O material que contém o suporte para o Cubemap permitirá que você aumente ou diminua a in�uência dele sobre o material
principal, o que permite criar re�exos bem calibrados similares à realidade.
Contudo, assim como a técnica de Lightmap, e
diferentemente do Ray Tracing, estes re�exos serão
estáticos, e de nenhuma forma irão captar qualquer
interação dinâmica que ocorra com este objeto, como por
exemplo, re�etir o personagem.
 Cubemaps. Fonte: Unity.
Principais tipos de técnicas de sombra
Abordando um pouco a técnica de sombras, temos dois tipos principais: O primeiro seria o “Blob Shadow” e, o segundo, o
“Dynamic Shadow Projector”.
O Blob Shadow consiste em um mapa de textura que imita uma sombra circular, sem nenhum formato especí�co, apenas
para dar volume de contato entre o objeto e o cenário principal. Este mapa pode �car vinculado ao personagem, por exemplo,
acompanhando seu posicionamento, para que esta sensação de contato com o solo e volume não se perca.
O Dynamic Shadow Projector, por sua vez, visa implementar um sistema de sombras dinâmicas que utilizarão como
referência a luz direcional da cena para serem geradas; estas sombras são muito mais similares às reais, pois interagiram de
forma ativa com a direção da luz e com os objetos.
 Blob Shadow vs. Dynamic Shadow Projector. Fonte: Unity.
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
Atividade
1. Na aula de hoje, estudamos diversas técnicas de luz e sombra, principalmente as que são utilizadas em games. Neste
sentido, a técnica de iluminação mais comum utilizada nos games é:
a) Lightmap.
b) LightProbes.
c) Global Ilumination.
d) Dynamic Light.
e) Cubemap.
2. Sobre o bloom e glare, podemos a�rmar que:
a) São efeitos que ocorrem em luzes muito intensas.
b) São efeitos que só ocorrem nas lentes das câmeras.
c) São efeitos comuns em qualquer fonte luminosa, independentemente de sua intensidade.
d) São efeitos que distorcem os canais da imagem ou vídeo.
e) São efeitos que não são vistos a olho nu.
3. Sobre a aberração cromática, escolha a opção correta:
a) Juntam-se os canais de cores, gerando um efeito de borda.
b) Pode ser feita na pós produção, muito comum em fotos e games.
c) É o desvio do canal de cores que vemos a olho nu.
d) É feito de forma proposital pelo fotógrafo através da câmera.
e) É um efeito presente em todos os games atuais.
Notas
Glare1
O Glare nada mais é do que os pequenos raios emitidos da fonte luminosa, geralmente num formato de uma estrela de seis
pontas e gerado devido à falta de adaptação do nosso olho, ou da câmera, a certa fonte luminosa devido a sua intensidade.
Referências
MOREAU-MATHIS, J. God Rays? What’s that? Disponível em: https://medium.com/community-play-3d/god-rays-whats-that-
5a67f26aeac2. Acesso em 01 dez. 2020.
PLURALSIGHT. Understanding Global Illumination. Disponível em: https://www.pluralsight.com/blog/�lm-
games/understanding-global-illumination. Acesso em 01 dez. 2020.
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UNITY. Light Probes. Disponível em: https://docs.unity3d.com/Manual/LightProbes.html. Acesso em 01 dez. 2020.
UNITY. Projector. Disponível em: https://docs.unity3d.com/Manual/class-Projector.html. Acesso em 01 dez. 2020.
Próxima aula
Processos de modelagem de cenários;
Técnicas de blocagem.
Explore mais
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Acesse o site e leia o texto Global Illumination
Acesse o site e leia o texto Cubemaps
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