Introducción

Las cáusticas corresponden al patrón que genera la luz al ser refractada o reflejada por un objeto transparente o semi-transparente, sea agua, vidrio, etc., las que se hacen evidentes al momento en que la luz choca con algún objeto opaco (por ejemplo: los brillos de la luz cuando pasa a través de un vaso de agua, o los reflejos en el fondo de una piscina o del mar, cuando la luz ingresa desde la superficie).
Esto varía según el índice de refracción (IOR – index of refraction) del material de cada objeto, que determina la dirección que toma la luz al pasar a través de él.

Simular cáusticas simples

La mayoría de los motores de render existentes actualmente soportan el cálculo de cáusticas, sin embargo, al ser un proceso extremadamente complejo, utiliza demasiado tiempo y recursos del procesador. Como alternativa, muchas veces es posible simularlas, para conseguir un ahorro en el tiempo de procesamiento.

Usos y funcionalidad

En casos donde no se requiere mucho nivel de detalle (por ejemplo una toma media o lejana de un bar, donde hay muchas botellas y vasos), es posible simular el efecto de las cáusticas, para reducir considerablemente el tiempo de render, sin tener que calcularlas.
También se puede utilizar para ambientar una escena bajo el agua, donde se verían reflejados los rayos de luz refractados en el agua al chocar contra el fondo (FIG. 25.2).

Simular cáusticas simples

Para simular las cáusticas es necesario, primero, analizar el comportamiento de la luz en algún objeto similar al objeto 3D, e imitar la luz que refracta mediante mapas (ya sean procedurales o mapas de bits), o dependiendo de las características de la refracción, gradientes.
Este proceso se aplica a cáusticas en objetos simples. En objetos mucho más complejos, puede ser necesario dejar que sea el procesador quien realice los cálculos, o combinar varias simulaciones, manualmente, para generar un efecto más realista.

Análisis

Para realizar la simulación de cáusticas, tomaremos dos situaciones: un primer caso, donde la luz pasa a través de un objeto sólido, y un segundo caso, donde la luz pasa a través del agua, generando proyecciones de rayos.
En el primer caso, partiendo de la base de un objeto simple (una esfera, un cilindro, etc.), y con un solo emisor de luz, al analizar la refracción en el objeto, es posible ver que las cáusticas corresponden a una gradiente, donde el contorno está dado por la silueta del objeto, y se va aclarando hacia el centro. El punto central de la gradiente posee el máximo nivel de concentración de luz y el color del objeto (FIG. 25.3).Se puede asumir, por lo tanto, que la luz al pasar a través del objeto genera una especie de “sombra iluminada”, la cual puede ser imitada a través de un mapa de gradientes, donde se puede reventar la luz en la parte central.

Simular cáusticas simples

El segundo caso, corresponde a los reflejos bajo el agua. Si bien, en términos de refracción, el acontecimiento es el mismo que el de la luz al pasar a través de un objeto, su implementación es diferente, pues se trata de rayos que llegan de manera pareja, y en constante movimiento.
Al no tener que calzar, necesariamente, el comportamiento de la superficie del agua con la luz que llega al fondo, es posible simular los reflejos de luz a través de un mapa de gradientes – aunque mucho más complejo que el del primer caso -, pero que puede ser generado a modo de mosaico para repetirlo infinitamente (FIG. 25.4).
La luz, dependiendo de la profundidad del agua, puede llegar al fondo con diferentes grados de intensidad y nitidez. Es muy difícil realizar un cálculo realista de este evento, sin embargo se pueden hacer pruebas para encontrar un efecto que sea convincente, según el resultado que se espera.

Simular cáusticas simples

Proceso de implementación

En ambos casos, el requisito básico es utilizar una luz que genere sombras, a la cual se le aplica un mapa para reemplazar sus propiedades (FIG 25.5).

Simular cáusticas simples

En el caso de las cáusticas refractadas a través de un objeto, el mapa de sombras debe ser aplicado como “mapa de sombras” de la luz, lo que corresponde a una imagen o patrón, que fusionado con la luz, reemplaza a la sombra normal. La luz escogida debe ser una luz direccional (spotlight), que proyecte sombras sólidas (sin semi-transparencias). Esto es necesario, porque si la sombra proyectada no es sólida, no se conseguiría el efecto de simulación, ya que el gradiente se superpondría con la transparencia de la sombra. Además, este tipo de sombras, al ser las más simples (comúnmente llamadas “shadow map”), son las sombras más rápidas de calcular.
En el caso de refracciones bajo el agua, el mapa debe ser aplicado como proyector, para que la luz que emita corresponda a los supuestos rayos que logran atravesar la superficie y llegar al fondo. Para este caso se puede elegir cualquier tipo de sombra. Según el tipo de cáustica, será necesario utilizar un mapa de gradiente (FIG. 25.3), o un mapa de patrones (FIG. 25.4), que pueden ser perfectamente generados de manera procedural, o por mapas de bits.

INFORMACIÓN ADICIONAL

Simular cáusticas simples

En el caso de cáusticas bajo el agua, el efecto se puede complementar con luces volumétricas, las cuales simulan los rayos de luz al atravesarla. Este factor determinará la densidad y suciedad del agua.
La neblina (fog), también puede ser de gran utilidad, para dar una sensación de mayor densidad y suciedad, como en el caso del mar. El color que se le aplique a la neblina, también influirá en como se verá la imagen final. Es posible realizar esto en el mismo software 3D o en algúno de post-producción, exportando las imágenes con información de canales de profundidad.
Existen aplicaciones que ayudan a la creación de mapas y animaciones de cáusticas, como el “Caustics Generator”, creado por Dual Heights Software® (http://www.dualheights.se/caustics/), en los cuales es posible crear y exportar patrones de cáusticas para simular el movimiento del agua.

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