Lighting & Rendering

Die nun erstmals in deutscher Übersetzung vorliegende dritte Ausgabe des Standardwerks zur Beleuchtung, Oberflächengestaltung und dem Rendering von 3D-Grafiken und Animationen wurde umfangreich überarbeitet und ergänzt.
Alle Beschreibungen und Beispiele des Buchs sind in einer leicht verständlichen Sprache verfasst, die auch Anfängern, Schülern und Studenten, die erstmals mit dem Thema 3D-Grafik in Kontakt kommen, einen leichten Zugang möglichen. Fortgeschrittene Leser werden schnell den umfassenden Überblick über alle aktuellen Methoden der 3D-Visualisierung sowie die zahllosen Tipps&Tricks zur Verbesserung der eigenen Ergebnisse schätzen lernen. Dazu tragen auch tiefe Einblicke in die Arbeitsprozesse bei großen Filmproduktionen und Animationsfirmen bei, die der Autor als ehemaliger Lighting Technical Director bei den Pixar Animation Studios kompetent und aus erster Hand geben kann.
Das Buch gliedert sich in zwölf Kapitel mit den folgenden Themenschwerpunkten:

- Grundlegende Beleuchtungstechniken
Beleuchtungstechniken wurde bereits Jahrzehnte vor dem Siegeszug der Computergrafik angewendet, u. a. am Theater, in der Fotografie, beim Film, aber auch in der klassischen Malerei. Wir als 3D-Künstler können unglaublich viel von diesen traditionellen Beleuchtungsmethoden lernen. Dieses Kapitel stellt daher die wichtigsten Beleuchtungstechniken und Begriffe vor und gibt einen Ausblick auf wichtige Fragen und mögliche Schwierigkeiten, die dabei zu meistern sind.

- Grundlagen der Beleuchtung und Übungen dazu
Es gibt kaum zufällig gute Ergebnisse bei 3D-Grafiken. Um professionelle Arbeiten abzuliefern, müssen Sie die volle Kontrolle über jeden Schritt der Beleuchtung übernehmen, angefangen bei der ersten Planung, bis hin zur möglichen Überarbeitungen des Ergebnisses. Sie müssen für jeden Zweck die richtige Art von Licht wählen, Testberechnungen für jedes Licht durchführen, die Optionen und Einstellungen des Lichts anpassen und verschiedene Versionen zur Vorlage erstellen, bis der Kunde oder die künstlerische Projektleitung zufrieden sind.

- Schatten und Verdeckungen
Die Einstellungen für die Schattenwürfe verlangen ebenso viel Sorgfalt und Zeit, wie die übrigen Lichteinstellungen. Sie können sich die Beleuchtung durch ein Licht als die eine Hälfte des Lichtdesigns vorstellen und die Schattenkonfiguration als die andere, gleichwertige Hälfte. Schatten können die Helligkeitsverläufe und Farbschattierungen aufwerten, die räumlichen Beziehungen zwischen den Objekten verdeutlichen und generell die Bildkomposition verbessern.
Eng mit dem Thema der Schatten verwandt ist die Verdeckung, auch Occlusion genannt. Dieser Effekt kann wie ein weicher Schatten aussehen und mit normalen Schatten kombiniert werden, um gezielt Bereiche des Bilds abzudunkeln.

- Umgebungen und Architektur beleuchten
Um natürliche Umgebungen und Architektur zu beleuchten, müssen Sie sich über die Umgebung um sich herum bewusst werden. Direktes Sonnenlicht, weiches Himmelslicht und das gestreute Licht vermischen sich sehr subtil in den Farbwerten und Helligkeiten. Dieses Kapitel bespricht, wie Sie diese drei Elemente so simulieren können, dass eine natürliche Beleuchtung im Außen- und im Innenbereich erzielt wird, am Tag wie auch bei Nacht. Auch künstliches Licht, angefangen bei Taschenlampen bis hin zu Tisch- und Straßenlampen, erfordert ähnlich viel Sorgfalt, um realistisch zu wirken. Sie können eine Atmosphäre verwenden, wie z. B. Nebel, Staubpartikel in der Luft oder noch dichtere Medien bei Unterwasser-Szenen, um die Ausbreitung von Licht im Raum noch glaubhafter zu machen. Schließlich lässt sich mit globaler Illumination auch das zwischen den Oberflächen ausgetauschte Licht simulieren, das unsere Szene mit diffus gestreutem Licht füllt. Dieses Kapitel erforscht nicht nur die Beleuchtung mit natürlichen und künstlichen Lichtquellen, sondern auch wie indirektes Licht mit und ohne globale Illumination erzeugt werden kann.

- Kreaturen, Figuren und Animationen beleuchten
Eine gute Beleuchtung kann eine Animation ebenso unterstützen, wie unterlegte Musik oder Soundeffekte. Wenn die ersten Keyframes für eine Figur gesetzt werden, fehlen in diesen Animationstest sowohl die Lichter als auch die Töne. Wenn der Soundtrack abgemischt ist, unterstützen Soundeffekte jede Bewegung, z. B. mit einem Pfeifen in der Luft oder einem dumpfen Auftrittsgeräusch, das synchron zur Animation zu hören ist. Genau so kann eine gute Figurbeleuchtung den Character glaubhafter machen. Schatten und Occlusion erzeugen ein Gefühl für festen Kontakt, wenn der Fuß auf den Boden aufsetzt. Die Modellierung mit Licht macht die Formen der Figur erst sichtbar und integriert die Figur in die Umgebung, damit diese tatsächlich so wirkt, also würde sie mit dem Raum der Szene interagieren.

- Kameras und Belichtung
Warum sollte ein 3D-Künslter etwas über Kameras und Belichtung wissen? Sie müssen verstehen, wie echte Fotografie funktioniert, damit Sie diese innerhalb der Computergrafik nachbilden oder simulieren können. Wenn Sie visuelle Effekte berechnen, die mit Realbildern kombiniert werden sollen oder eine 3D-Szene schlicht echter und filmischer wirken lassen wollen, hilft es zu verstehen, wie die Belichtung einer echten Kamera funktioniert. Zudem hilft es Ihnen, wenn Sie mit Begriffen, wie Objektivbrennweite, Blende und Verschlusswinkel etwas anfangen können, die auch in den Bemerkungen eines Kameraprotokolls auftauchen. Das Verständnis einer echten Kamera hilft auch bei der Erstellung eigener Belichtungsserien, aus denen High Dynamic Range-Bilder (HDRIs) entstehen können, durch die sich die Lichtsituation eines Drehorts präzise einfangen und auf eine 3D-Szene übertragen lässt.

- Komposition und Bildgestaltung
Einige der wichtigsten Entscheidungen, die ein Regisseur oder Kameramann treffen müssen, beziehen sich auf die Komposition und die Bildgestaltung. Mit Komposition ist die Anordnung aller Objekte in der Szene gemeint. Die Bildgestaltung betrifft nur die Darstellung der Objekte und Figuren in dem fertigen Bild. Eine gute Komposition und Bildgestaltung sind maßgeblich für jedes ansprechende und professionelle Bild. Dabei können diese Elemente vom Regisseurs genutzt werden, um das Auge des Betrachters durch das Motiv zu führen. Für die Komposition und die Bildgestaltung existieren gewissen künstlerische Regeln und Gesetzmäßigkeiten, die wir auch auf 3D-Grafiken bezüglich der Kamera, der Lichter, der Objektplatzierung und der Animation anwenden können.

- Farben in Wissenschaft und Kunst
Um Emotionen zu wecken, gibt es nur wenige Werkzeuge, die mächtiger als der bewusste Einsatz von Farben sind. Dieses Kapitel wird daher die Wirkkraft von Farben in der 3D-Kunst erforschen. Die Wahl der richtigen Farbgruppe kann eine Stimmung erzeugen oder verstärken und sogar die Aussage eines Bilds verändern. Die Verwendung von Farben hat zudem noch eine technische Komponente. Dieses Kapitel beschäftigt sich daher auch mit der digitalen Farbwiedergabe und der Wahl realistischer Farben für verschiedene Lichtquellen. Wir beginnen mit einer der wichtigsten Aufgaben, die ein 3D-Künstler meistern muss, um überzeugende Beleuchtung, Renderings und Bildkompositionen erstellen zu können: Sie müssen den linearen Workflow verstehen und anwenden können. Dieses Thema macht eine technische Einführung nötig, die künstlerische und wissenschaftliche Komponenten beinhaltet. Sie müssen den linearen Workflow verinnerlichen, bevor Sie sich mit anderen Dingen beschäftigen, wie z. B. der Auswahl einer Farbfamilie, denn die Anwendung eines linearen Workflows kann auch die Auswahl und Zuordnung von Farben beeinflussen.

- Shader und Render-Algorithmen
In diesem Kapitel schauen wir etwas unter die Motorhaube Ihrer 3D-Software. Sie werden dabei lernen, was beim Rendern Ihrer Szene intern abläuft und wie Sie dabei die beste Bildqualität in möglichst kurzer Zeit erzielen können. Das Rendern beginnt mit der Schattierung (Engl.: Shading), die verdeutlicht, wie Ihre Objektoberflächen auf Licht reagieren. Wir werden dabei verschiedene Schattierungsverfahren und –Einstellungen erforschen. Wir werden uns ebenfalls die Anti-Aliasing-Funktion näher ansehen, welche die Art der Abtastung Ihrer Szene festlegt und wie daraus durch Filterung weiche und qualitativ hochwertige Renderings entstehen. Ebenfalls in diesem Kapitel werden wir uns verschiedene Render-Algorithmen ansehen, mit deren Hilfe Ihre Software die Renderings erstellt. Dazu zählen Raytracing, Reyes-Algorithmen sowie verschiedene Verfahren für die Berechnung globaler Illumination (GI).

- Texturen erstellen und zuweisen
Texture-Mapping nennt sich der Betätigungsbereich, der sich mit dem Hinzufügung von Variationen und Details auf 3D-Oberflächen beschäftigt, die über den Detailgrad der modellierten 3D-Geometrie hinausgehen. Dieses Kapitel befasst sich mit den verschiedenen Arten von Texturen, die erzeugt werden können, mit der Anpassung der Texturen auf Ihre Modelle und mit verschiedenen Optionen bei der Erstellung von Texturen.

- Ebenen und Passes rendern für das Compositing
Bei professionellen Produktionen wird in der Regel nicht nur ein Bild gerendert. Stattdessen werden Szenen in separaten Elementen, den sogenannten Ebenen oder Passes, gerendert, die beim Kombinieren in einer Compositing-Software dann wieder das vollständige Bild ergeben. Wenn Sie visuelle Effekte für Film oder Fernsehen erzeugen, müssen diese in 3D erstellten und beleuchteten Elemente oft nahtlos in reale Filme und Umgebungen integriert werden. Derartige Kompositionen sind jedoch nicht nur für solche Spezialeffekte hilfreich. Selbst Unternehmen, die ausschließlich über 3D realisierte Animationen produzieren, geben ihre Renderings in Ebenen und Passes aus, die mit separaten Renderings einzelner Szenenbestandteile gefüllt werden. Die Kombination dieser Ebenen ergibt während der Bildkomposition dann jeweils wieder das vollständige Bild.

- Produktionsabläufe und professionelles Vorgehen
Der Beginn einer Kariere im Bereich 3D-Beleuchtung und Rendering beinhaltet viele Entscheidungen. Welche Fähigkeiten können Sie in Produktionsabläufe einbringen? Möchten Sie sich auf das Thema Beleuchtung spezialisieren oder auch andere Bereiche beherrschen? Welche anderen Fähigkeiten könnten den Bereich der 3D-Beleuchtung ergänzen? Wie unterscheidet sich die Arbeit in einem großen Studio von der in einer kleinen Firma? Dieses Kapitel beschäftigt sich mit einigen der Eigenheiten und Herausforderungen, die Ihnen in der Arbeitswelt begegnen können, einschließlich der Notwendigkeit, mit anderen Beleuchtungsdesignern in größeren Gruppen zusammenarbeiten zu müssen und sich selbst in ggf. komplexe Arbeitsstrukturen und Produktionsabläufe größerer Filmstudios zu integrieren.