Olá, estudante! Avançamos para mais uma lição de nossos conteúdos sobre a imensidão do mundo da computação gráfica. Porém, antes de adentrarmos a esse novo tema, vamos relembrar o que estudamos na lição passada? Abordamos sobre o tratamento de imagens digitais, lição que teve grande relação com a anterior, que abordava sobre a criação de imagens digitais, tanto pelas ferramentas que se utilizam quanto pelas práticas que nos lembram a criação, a edição e o tratamento.

Agora, avançando nossos estudos, estamos na décima terceira lição, na qual abordaremos sobre as Técnicas de Iluminação, em que meu principal objetivo é capacitar você para que, além de compreender, consiga aplicar os conceitos principais que trabalharemos sobre a iluminação em ambientes e cenários virtuais. Ao terminarmos essa lição, espero que você tenha conseguido obter boa compreensão a respeito das teorias e das técnicas de iluminação e seja capaz de aplicá-las, de maneira eficiente, em seu futuro trabalho ou projetos.

Pensando no aspecto da relevância desses conhecimentos, já adianto que eles impactam diretamente a sua futura prática profissional, em que o domínio da manipulação da iluminação em cenários virtuais é fundamental em diversos setores, em especial as animações, o design de jogos e a realidade virtual e aumentada. Essa última, por sua vez, também, influencia, de forma indireta, em áreas, como simulações.

De tal forma, espera-se que um bom profissional do segmento gráfico domine habilidades suficientes para dar vida a experiências visuais realistas e imersivas, atendendo, assim, às expectativas do público que as consomem. Além disso, compreender as técnicas de iluminação é essencial para aprimorar a estética visual de projetos gráficos, uma vez que a iluminação adequada não apenas adiciona realismo, mas também influencia a narrativa visual, enfatizando aspectos específicos da cena e direcionando a atenção do espectador. Assim, ao estudar esse conteúdo, você estará preparado para enfrentar desafios práticos, contribuindo significativamente para a qualidade e o impacto de seus trabalhos.

Realizando boa absorção de tais conhecimentos, além de expandindo a sua capacidade técnica, você estará adquirindo uma visão mais criteriosa sobre a importância da iluminação no contexto da nossa disciplina e nos campos de atuação da computação gráfica, o que contribui tanto para o desenvolvimento de seus projetos gráficos quanto para o seu posicionamento mais competitivo no mercado de trabalho.

Ao passo que avançamos na imensidão das técnicas de iluminação na computação gráfica, você se deparará com desafios multifacetados que vão desde a simples manipulação de pixels até os materiais, as texturas e os sombreamentos.  E como veremos, a iluminação não se trata apenas da estética, mas de um elemento que está em conjunto à narrativa visual do projeto, de modo que seu impacto está diretamente relacionado à percepção e à experiência do público-alvo.

Ao abordarmos esses desafios, é essencial começar com uma compreensão clara dos conceitos fundamentais. Por exemplo, como as variáveis físicas influenciam na criação de ambientes virtuais realistas? Ou então, como as técnicas de iluminação afetam a percepção visual do público? Pensar sobre esses questionamentos, que, de início, podem parecer abstratos, é fundamental para uma aprendizagem consolidada!

Além disso, é importante considerar o aspecto social. Conforme avançamos nos estudos da disciplina, percebemos sua interconexão com aspectos sociais e econômicos, especialmente nas indústrias de entretenimento, em que a qualidade gráfica é uma expectativa crescente do público. Já pensou como a escolha inadequada de técnicas de iluminação pode afetar a aceitação de um produto? Ou qual seria o impacto econômico e social disso?

A aplicação eficiente dessas técnicas em projetos reais já representa um desafio prático a você, futuro profissional. Contudo a configuração de sombras, a seleção adequada de fontes de luz e a reprodução de efeitos visuais realistas exigem mais do que os conhecimentos teóricos, exigem, também, habilidades práticas de implementação eficiente. Pensar sobre e dominar maneiras de garantir uma iluminação eficaz de modo que não sobrecarregue os recursos computacionais, por exemplo, é um grande desafio, não acha? Pois bem, por esse e outros motivos, convido você a se preparar para esse universo de possibilidades!

Chegou o nosso momento de colocar a criatividade em foco e praticar muito com nossa imaginação. Acompanhe-me! 

Neste case, convido você a imaginar o desenvolvimento de um jogo de corrida de Fórmula 1 que promete ser inovador. Nesse jogo, cada detalhe visual é pensado para contribuir com uma sensação de imersão do jogador. Nesse cenário, as técnicas de iluminação desempenham papel crucial na criação de uma experiência realista e envolvente.

No ambiente virtual no qual o jogo se passa, a luz do sol resulta em sombras dinâmicas sobre a pista, os veículos, o cenário à volta, enquanto os faróis dos carros emitem as luzes que iluminam a pista à sua frente. Dessa forma, você já pode perceber que é importante que a aplicação das técnicas de iluminação sejam precisas para que simulem, com excelência, os efeitos da luz nesse cenário virtual e contribuam com que a cena virtual seja o mais fiel possível à realidade.

Como nem tudo são flores, porém, os desenvolvedores desse jogo estão passando por apuros ao simular as sombras realistas dos elementos, uma vez que existem alguns pontos delicados a ser considerados, como a posição do sol, que, nesse contexto de realidade, é variável durante o dia, e esse traço de realismo deve ser transmitido ao jogo durante a corrida e a interação dinâmica das sombras dos veículos com o ambiente.

Um desafio e tanto, não acha? Para tal, a equipe de desenvolvimento pode simular todo o realismo das sombras, inclusive as projetadas pelo elemento variável, que, nesse caso, é o sol, e manter a realidade desejada por meio da combinação de algumas das técnicas de iluminação que são favoráveis a bom uso de recursos computacionais conhecidas no ramo atualmente. Por exemplo o Ray tracing permite simular a trajetória da luz que projeta do elemento sol em tempo real, dando vida às sombras precisas e que se adaptam dinamicamente à posição do sol e, também, interagem com os demais elementos do ambiente. O mapeamento de sombras, por sua vez, possibilitará a adoção de texturas que já foram renderizadas anteriormente para contribuir com que as sombras realistas demandem menor poder computacional.

Outras técnicas poderiam ser adotadas, desde que atendam à necessidade, os profissionais devem usar seu conhecimento e sua criatividade para resolver situações como essas, comuns na rotina de trabalho. Como você deve ter percebido, em algumas situações, os profissionais são desafiados a inovar ou usar a criatividade para solucionar os desafios dos projetos; então, ter uma sólida base sobre a temática contribuirá com soluções mais práticas e eficazes em seus projetos.

Fico contente em saber que você está avançando seus estudos e já chegou à parte de contextualização nessa nossa temática das técnicas de iluminação. Como você já sabe, nesse ponto, aprofundaremos nossos estudos sobre o tema, de modo que as técnicas de iluminação se tornem algo palpável e de fácil compreensão para você.

Começamos nos aprofundando sobre os fundamentos teóricos que sustentam as técnicas de iluminação no seguimento da computação gráfica.  Desse modo, inicio trazendo a fala do autor Bierut (2017), em que ele descreve que a iluminação é um dos elementos mais importantes do design, principalmente pelo fato de poder ser utilizada para criar diversos efeitos e sensações do ambiente, destacando elementos específicos e criando senso de volume e espaço. Dessa forma, temos a clareza de que a iluminação, em ambientes virtuais, é quem busca simular, por meio dos aspectos computacionais, os efeitos visuais que resultam da interação da luz com elementos. Para que consigamos compreender com clareza, falaremos a seguir sobre um dos modelos de iluminação mais relevantes, o modelo Phong.

O Modelo de Iluminação de Phong, ou modelo Phong, como também é conhecido, refere-se a um dos pilares essenciais da computação gráfica quando falamos de simulação de efeitos de luz em superfícies. Esse modelo foi desenvolvido por Bui Tuong Phong e permite uma abordagem versátil, sem abrir mão de ser eficaz, quanto à representação da iluminação em cenários virtuais. Sua ampla utilização se deve, em especial, à sua capacidade de promover resultados que são visualmente muito próximos à realidade dos efeitos da luz, o que contribui, e muito, para os resultados visualmente realistas e atraentes ao público. O modelo é composto por alguns componentes, como a luz ambiente, a luz difusa e a especular. Continue comigo nesta leitura e veremos sobre cada uma delas!

A luz ambiente se refere à luz que se espalha, de maneira uniforme, pela cena, indiferentemente de qual seja a direção da fonte da luz. Essa contribuição é constante e uniforme, de tal forma que contribui para que se evite sombras escuras em excesso. Já a luz difusa diz respeito à luz que será refletida, também uniformemente, em todas as direções, mas por superfícies não especulares. Ela é determinada pelo grau de inclinação da superfície em relação à direção da fonte de emissão da luz. Por fim, mas não menos importante, temos a luz especular, sendo aquela que dá os moldes aos reflexos da luz em superfícies especulares, o que gera brilho e realces que simulam a realidade visual. O quão intenso será esse elemento dependerá da posição em que se encontra o observador, ou seja, a câmera ou a visão projetada, de onde é a fonte emissora da luz e qual a orientação da superfície.

O modelo de iluminação de Phong parte do pressuposto de reflexões especulares ideais, o que nem sempre reflete fielmente a complexidade dos materiais encontrados na realidade. Como sabemos, na prática, as coisas raramente são perfeitas ou ideais. Isso pode resultar em representações que não capturam totalmente a intricada natureza dos materiais em algumas situações, especialmente quando os detalhes não são observados minuciosamente.

Contrastando-se à anterior, a reflexão especular é a responsável por simular os destaques e os brilhos em superfícies polidas e mais suaves. Para essas, os materiais que exibem reflexão especular intensa são os vidros e metais, por exemplo. O modelo de iluminação Phong é comumente adotado para representar características, resultando em reflexos mais brilhantes e fortes em partes específicas da superfície trabalhada.

Com relação às texturas, a sua aplicação em superfícies é fundamental para adicionar os detalhes visuais. As texturas podem representar padrões, como colorações ou mesmo características específicas de um material. Não nos esquecendo dos mapas normais, sendo eles muito utilizados para simular a microgeometria de uma superfície, o que influencia diretamente como a luz interagirá com as mais pequenas variações na orientação da superfície.

Já a rugosidade de uma superfície é algo que afeta a dispersão da luz. Logo, superfícies mais ásperas tendem a espalhar a luz de maneira mais difusa ou uniforme, enquanto o contrário ocorre nas superfícies mais lisas, pois essas concentram a luz em reflexões mais especulares. A combinação desses dois elementos possibilita aos profissionais do cenário digital, sejam eles designers, sejam desenvolvedores voltados à interface e à parte front-end, a ajustar a aparência de um material com maior precisão.

Os modelos de materiais, porém, não se limitam a esses, e há uma gama maior de possibilidades, embora utilizadas em menor escala e em trabalhos específicos dado maior consumo de poder computacional. Os modelos de materiais avançados são, geralmente, utilizados quando abordamos os ambientes virtuais mais complexos, que se justifica a utilização dos modelos de materiais mais complexos. Um bom exemplo desses modelos mais complexos é o modelo chamado BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function). O modelo BRDF leva em consideração toda a distribuição da luz incidente e refletida em relação à orientação da superfície que a recebe. 

Esses modelos mais complexos são ainda mais elaborados e possibilitam simular materiais com maior nível de realidade, ou seja, materiais com maior proximidade aos vistos na realidade. Os exemplos da aplicação desse modelo englobam a aplicação nas texturas complexas, como metais polidos e refletivos e tecidos ricos em diversos detalhes, e a simulação, com fidelidade em detalhes, da pele humana. A compreensão clara da interação da luz com as diferentes superfícies e materiais possibilita a você, estudante, manipular, de forma eficiente, esses conceitos na criação de cenários virtuais. 

Outro tema relevante para abordarmos quando falamos sobre as técnicas de iluminação é o sombreamento, em especial, por desempenhar papel fundamental na representação visual de objetos de três dimensões (3D) em cenários computacionais. E por falar em 3D, espero que você se lembre, conforme falamos em lições anteriores, que esses são os elementos de três dimensões. 

Começemos pelo sombreamento Gouraud. Ele se trata da técnica que busca proporcionar transições de colorações suaves nas superfícies de objetos, por meio de cálculos da intensidade da luz em vértices da malha tridimensional, resultando em uma representação suave e menos pixelizada. Enquanto isso, os diferenciais do sombreamento de Phong se resumem na sua abordagem mais avançada, que possibilita simular reflexões de luz ainda mais precisas nas superfícies dos elementos. Ao invés de interpolar as intensidades da luz nos vértices, o sombreamento de Phong realiza cálculos relacionados à iluminação em cada um dos pixels de forma individual e levando a superfície em consideração, o que resulta em possibilitar o destaque especular ainda mais preciso mesmo em superfícies curvas.

Já o sombreamento celular, ou Cel Shading, refere-se à técnica que visa criar uma estética visual mais estilizada, algo próximo das histórias em quadrinhos ou mesmo os desenhos animados. Essa técnica define as áreas de cores planas, o que resulta em uma aparência mais voltada aos desenhos de cartuns. Não podemos encerrar nossos conteúdos sem abordar o mapeamento de sombras e o mapeamento de texturas ambientes, não é mesmo? Então venha comigo!

O mapeamento de sombras é uma técnica especialmente importante para quando se pretende simular projeções realistas de sombras no cenário. É um processo um tanto complexo que envolve alguns fatores, como a forma como as fontes de luz influenciam na formação das sombras, considerando a posição relativa dos elementos no cenário. 

O Mapeamento de Texturas de Ambiente (Ambient Texture Mapping) se refere a uma das técnicas avançadas em computação gráfica que busca simular a reflexão do ambiente nas superfícies dos elementos, contribuindo para proporcionar um nível extra de realismo ao aspecto visual. Diferentemente do mapeamento de texturas tradicional, que se concentra na aplicação das texturas para definir detalhes, como padrões e cores nos elementos, o mapeamento de texturas de ambiente vai adiante, ele captura as características do ambiente e as incorpora na iluminação.

Ao compreender esses conceitos e essas técnicas, você poderá escolher e implementar a abordagem que melhor se adeque ao contexto e projeto proposto, sempre buscando um equilíbrio entre qualidade e estética visual desejada e consumo de recursos. Ter clareza com relação à essa compreensão e à utilização adequada desses princípios contribui significativamente para a qualidade estética e a fidelidade visual das representações gráficas em aplicações, como jogos, animações e simulações, resultando em experiências visuais atrativas e impactantes em cenários virtuais.

Chegou o tão esperado momento onde praticamos um pouco de nossos aprendizados junto a esse universo da computação gráfica. E, para essa prática, incentivo que você comece a praticar a aplicação das técnicas de iluminação! Para tal façanha, trago uma abordagem hands-on, a nossa famosa “mão na massa”, com uma ferramenta on-line e gratuita, a Clara.Io! Lá você poderá analisar, experimentar e aprimorar suas habilidades do campo da iluminação e até outras técnicas vistas em lições anteriores. Clique aqui para acessar a ferramenta.

Primeiramente, contextualizo você de que a Clara.io é uma ferramenta on-line para modelagem e animação em três dimensões (3D). O desafio de hoje é que você crie um cenário, mesmo que simplista, que contenha diversos elementos, como árvores, sol, pista de corrida, cercas e similares, onde haverá um veículo de sua escolha como elemento principal e a iluminação que vem do sol, que reflete nele e nos demais elementos do cenário. O intuito aqui é que você consiga trazer os aspectos de sombra, reflexo e texturas o mais perto da realidade que conseguir e que continue praticando para melhorar e ficar cada vez mais aguçado nessas práticas.

Para o desafio, acesse a ferramenta por meio do link informado anteriormente e, caso ainda não tenha conta, realize o cadastro gratuito. A ferramenta, embora on-line e com algumas limitações, possibilita diversas práticas no campo da iluminação, em que você pode começar criando cenas simples e experimentando as diferentes configurações de iluminação. E quando se sentir mais confiante, poderá ajustar a intensidade, a posição e as cores das luzes, observando e compreendendo a forma como essas mudanças influenciam na aparência geral do cenário virtual. Desejo uma prática com muito aprendizado e que seja divertida. Vemo-nos na próxima lição!