SOBRE EL FOTOREALISMO EN 3D ©20102013 Diego Emanuel Viegas Todos los derechos reservados. Este documento introductorio está destinado a todos aquellos que deseen comprender un poco más sobre los renders fotorrealistas.
¿Que es un render? La palabra “Render” es utilizada para nombrar a más de un tipo de representación audiovisual. Se utiliza en ilustración o pintura digital en donde la pintura final es llamada render. En video también se llama render al resultado luego de editar un video en donde el video es pegado y encodeado a un video final. En 3D es la imagen o vídeo resultante de los cálculos que permiten obtener el aspecto final de la iluminación y de cómo la luz y los materiales interactúan entre si. En el primero de los casos no hay un cálculo por PC al cual debamos esperar, el render lo genera la mano del artista. Es la misma pintura, pero en los casos de video y 3D. El render es un proceso que ocupa tiempo del procesador. El cual deja nuestro equipo fuera de servicio durante el tiempo de render. Actualmente el foto realismo es uno de los tipos de renders de mayor importancia en el resultado final para una realización 3D. A veces podemos estar hablando de representar un objeto y otras veces de un escenario completo con cientos o miles de objetos, o en un caso aún más complejo la integración de un objeto generado por computadora a una fotografía o vídeo real. No siempre el render en 3D que se genera es fotorealista. Hay excepciones que dependen a veces de presupuesto, tiempo o finalidad de la representación, en éste caso los renders son denominados NPR, (Non Photorealistic Render). A pesar de los avances tecnológicos lograr el fotorealismo en 3D sigue siendo una tarea compleja a nivel de producción profesional. Algunas tecnologías actuales de render permiten importar un modelo y aplicar materiales desde una librería y sin previa configuración se calcula un render fotorrealista casi en tiempo real gracias a la utilización de cálculo por GPU, o GPU + CPU como lo es el caso de Keyshot o Marmoset Toolbag. Un motor de render con características similares es el IRay Renderer del 3DStudio max 2012 cuyas pocas opciones son la configuración del tiempo que nuestro equipo le dedique al render, El novedoso IRay utiliza un modelo físico real de iluminación proporcionando así un resultado incluso válido para estudio científico, este mismo además del tiempo dedicado al render puede configurarse limitando la cantidad de veces que se calcula el rebote de la luz. Estas nuevas tecnologías tienen un pro enorme que es la “fácil utilización”. Sin embargo, para el resultado final al buscar el foto realismo se deben tener en cuenta parámetros que van más allá del motor de render en sí, parámetros que provienen más del arte tradicional que del tecnicismo de la producción dentro de 3D y se logran mediante la postproducción de la imagen. ESCAPE A LA LEY DE BLINN
La gran contra que afrontan estas tecnologías nuevas son el costo en hardware/tiempo en cálculo de render, como dice la ley de Blinn: “A mayor potencia de cálculo el tiempo dedicado al render por fotograma se mantiene igual y la única diferencia obtenida es mayor calidad y proceso de escenas más complejas pero en el mismo tiempo de render”. O sea que si hace 5 años el tiempo aceptable por fotograma de un estudio cinematográfico para lograr una imagen generada por computadora era de 8Hs en la actualidad seguirá siendo de 8 horas pero obteniendo mayor calidad y pudiendo procesar escenarios más complejos o alca. El tiempo al igual que para el resto de las cuestiones en la vida del ser humano es una cuestión clave en el render. Estimo que el escape a la ley de Blinn sólo se ganará cuando la calidad de render obtenida ya no se pueda superar. ¿Cómo medimos este punto? El punto sería el momento en que los ojos más entrenados de los mismos creadores de imágenes por computadora no puedan distinguir entre una imagen generada por computadora y una real. No estamos tan lejos de este punto ya que un gran escalón ha sido lograr que algunos directores de cine comenzaran a reconocer cuán realista están comenzando a verse las CGI. Como es el caso de jon Favreau quien lo afirmó al momento de dirigir Iron Man y decidió descartar los trajes reales con los cuales habían comenzado a filmar al darse cuenta que estaba empezando a dejar de distinguir que era real y que era CG en el cine. Pero como se pregunta alguna vez la mayoría de los que rodean la profesión y no se adentran en ella ¿Por que se tarda tanto tiempo en hacer el render? Antes de llegar a esta respuesta hay que hacer un pequeño análisis del render 3D no fotorealista. Y como premisa les advierto que el tiempo de render es inevitable. Si creen que esperar 40 minutos por un render de un interior arquitectual es demasiado piensen que el tiempo de render de la película de DreamWorks “Puss in Boots” fué de mas de 64 millones de horas y se realizó en un render farm de 25.000 núcleos. Render no fotorrealista: Lo primero a considerar es que en un render no fotorrealista es común que sólo se calcule la iluminación directa. Este fenómeno sólo se da en condiciones particulares como por ejemplo en el espacio exterior, aunque de cualquier modo una nave por ejemplo con superficies que se enfrentan con un ángulo menor o igual a 90º van a producir algo de iluminación indirecta y si están muy cerca de un planeta o un satélite también habrá algún rebote de luz. En el caso de 3D no importa en qué condiciones de superficie trabajemos si sólo se calcula la luz directa no se obtiene rebote de fotones. Partamos de la base en que una fuente de luz, ya sea natural o artificial en el mundo real emite fotones y estos fotones rebotan sobre todas las superficies presentes en el espacio que son emitidos. En la física los fotones son una partícula elemental perteneciente a las manifestaciones cuánticas del espectro electromagnético, un fotón es justamente la unidad básica de la luz. Los fotones fueron teorizados por Albert Einstein como son reconocidos en la actualidad y la teorización de los mismos permitió desarrollar el láser, comprender mejor el universo y además... programar motores de render. El fundamento común de los motores de render está determinado también por la descripción sobre la luz que nos dejó como legado James Clerk Maxwell. A principios del 2012 investigadores de la universidad MIT desarrollaron
una cámara capaz de filmar un trillón de fotogramas por segundo permitiendo observar el recorrido de la luz en cámara lenta, este avance tecnológico sin lugar a duda tendrá una incidencia en el modo en el cual evolucionan los motores de render. Entonces hagamos una reducción de todo esto a que, “los fotones son partículas emitidas por una fuente emisora de luz, que a su vez pueden ser interpretadas en ondas de distintas longitudes”. Cada fuente de luz real emite cientos de miles de millones de fotones por segundo, por ejemplo en una lámpara fluorescente de 40 watts y 1.20mts podemos hacer un cálculo en el cual teniendo en cuenta elementos matemáticos tan complejos como la constante de Planck llegamos a un resultado aproximado de 2.55 X 1019 ( Dos punto cincuenta y cinco por diez a la décimo novena potencia) fotones por segundo . En un sistema informático esos números se reducen a sólo unos cientos de miles de fotones y después se “suaviza” el resultado con métodos de interpolación. Además de reducirse a sólo unos miles de fotones, estos se procesan por fotograma en lugar de por segundo, y en algunos casos en donde no haya objetos moviéndose en el escenario o cambios en la luz el disparo de fotones se realiza una única vez y se reutiliza el resultado del cálculo de trayectoria de la luz para el resto de los fotogramas. Como en la realidad estamos lidiando con una partícula del orden cuántico dentro de un sistema informático deben tenerse en cuenta algoritmos probabilísticos para representar algunos de los fenómenos que se ven en la física real de la luz que permiten calcular la trayectoria de los fotones, la cantidad de veces que rebotan sobre cada superficie y en qué dirección dependiendo de las propiedades de superficies van a viajar en cada rebote. Si se produce el fenómeno de reflexión o refracción hacer el cálculo de recorrido de los fotones de acuerdo al índice de refracción y dispersión y llevar la información de color, por ende la imagen que se va a reflejar y/o refractar, si la escena tiene alguna característica de densidad, si las luces son puntuales o de área, la forma y tamaño del área de emisión y todo esto sólo a nivel de cálculo. Para mencionar otros aspectos del fotorealismo en 3D, no basta conocer cómo funciona el motor de render. Hay que ser un gran observador de la realidad de igual modo que para la pintura, escultura y dibujo, hay que ser un buen compositor de imágenes para lograr texturas que determinen la superficie de los materiales, conocer las propiedades físicas elementales de cada tipo de material real a recrear para poder interpretarlo luego en un shader mediante sus propiedades y mapas, poder determinar cuando un material puede ser totalmente procedural o estar basado en mapas de bits y como si todo esto fuera poco hay que saber fotografía, y no me refiero a fotografía hogareña, hay que conocer el manejo de una cámara reflex en profundidad y las propiedades tanto en el resultado sobre film como en digital y también los componentes que se utilizan para iluminación en un estudio fotográfico, todo para considerar en renders fijos “Still 3D Imagery”, y si nos adentramos en la animación y en la producción de imágenes generadas por computadora para inclusión a video o animación también debemos conocer de cinematografía técnica y algo que aún no se enseña en casi ninguna parte del mundo, dirección para efectos visuales, si hemos de incluir CGI (Computer Generated Images) los requerimientos de filmación en determinados casos deben ser
específicos según los efectos visuales que se necesite agregar luego. Al igual que muchas otras áreas de CGI y 3D, hay partes de la industria que no están relacionadas con 3D directamente sino más bien con la solución de problemas. Mientras tengamos la capacidad lógica y el conocimiento de las herramientas informáticas para resolver el problema siempre estaremos preparados. Las herramientas de desarrollo 3D tienen varias áreas y cada software tiene varios cientos y algunos miles de comandos pero en cuanto a render todos funcionan sobre la misma base, la luz, la interpretación de las superficies reales volcadas en shaders y fotografía. Y para no dejar fuera otra parte importante del asunto tengo que mencionar que el detalle en el modelado a veces posible de alcanzar únicamente mediante la escultura digital y el correcto mapeado de objetos 3D también influye en el resultado final así como la post producción de la imagen para generar imperfecciones que los sistemas informáticos de render no consideran como por ejemplo la aberración cromática producida por la refracción de la luz en el sistema óptico de una cámara. La optimización también es un factor importante al momento de producción y en muchos casos la post producción genera un gran factor de optimización. Mental Ray (Mental Images) 3DStudio Max, IRay, Keyshot, Marmorset Toolbag, IronMan y DreamWorks son marcas y nombres registrados pertenecientes a sus respectivos dueños.