Rendering Foto Realístico

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1 Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Informática Ramo de Computadores e Sistemas Rendering Foto Realístico Marisa Raquel Ferreira Gonçalves Porto 2003/2004

2 Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Informática Porto 2004 Este relatório pode ser impresso em qualquer formato para futura utilização

3 Indice Indice... 1 Indice de Figuras... 7 Indice de Tabelas... 8 Agradecimentos... 9 Prefácio Estrutura do Projecto Capítulo I Introdução I.1. O que é o rendering foto-realístico? I.2. O que é uma imagem digital? I.3. O que é a Luz? I.4. O que é a iluminação global? I.5. Quais as grandezas subjacentes? I.5.1. Radiância I.5.2. Irradiância I.5.3. Radiosidade I.5.4. Intensidade I.6. Fotometria I.7. Interacção da Luz com as superfícies /85

4 I.7.1. Absorção I.7.2. Reflexão I Bidirectional Reflectance Distribution Function I.7.3. Transmissão I.8. Interacção da Luz com os volumes I.8.1. Emissão I.8.2. Absorção I.8.3. Dispersão I.9. Sumário Capítulo II Métodos Deterministicos e Estocásticos II.1. Sombreado de Gouraud II.2. Sombreado de Phong II.3. Método Anti Aliasing II.4. Métodos Deterministicos e Estocásticos II.4.1. Traçagem de Raios II Como funciona a traçagem de raios? II Vantagens e Desvantagens II Principais Aplicações II Galeria de Imagens II.4.2. Radiosidade II Como funciona o método de radiosidade? II Vantagens e Desvantagens II Principais Aplicações /85

5 II Galeria de Imagens II.4.3. Monte Carlo II Como funciona o método de Monte Carlo? II Vantagens e Desvantagens II Galeria de Imagens II.5. Métodos Mistos (Híbridos) II.5.1. Mapeamento de Fotões (Photon Mapping) II Como funciona o Photon Mapping? II Vantagens e Desvantagens II Principais Aplicações II Galeria de Imagens II.5.2. Outros Métodos II.6. Sumário Capítulo III Software III.1. Maya III.2. Photorealistic RenderMan (PRMan) III.2.1. RenderMan Interface III.2.2. Reyes Architecture III.3. Radiance III.3.1. Arquitectura do Radiance III.4. POV-Ray III.5. Mental Images III.5.1. Mental Ray /85

6 III.5.2. Mental Matter III.6. Sumário Capítulo IV Hardware IV.1. Silicon Graphics, Inc IV.2. nvidia IV.2.1. Quadro FX IV.3. ATI IV.3.1. Fire GL IV.4. ART VPS IV.4.1. PURE e RenderDrive IV.5. Sumário Capítulo V Casos Práticos V.1. Caso 1 - Modelação de um peixe foto-realista V.2. Caso 2 Final Fantasy: The Spirits Within V.2.1. Software V.2.2. Hardware V.2.3. Estatísticas de Rendering V.3. Caso 2 Shrek & Shrek V.3.1. Software V.3.2. Hardware V.3.3. Estatísticas de rendering (Shrek 2): V.4. Sumário /85

7 Capítulo VI Conclusão Referências Bibliográficas /85

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9 Indice de Figuras Figura 1 - Espectro Electromagnético [4] Figura 2 - Reflexão possível de uma fracção de luz [6] Figura 3 - Função de distribuição bidireccional de reflectância (BRDF) descreve a fracção de radiância reflectida L p, bem como da radiância incidente L i (irradiância) de direcção w i Figura 4 - BRDF descreve a irradiância L i quando esta é a fracção de radiância de outra superfícies que se encontra no ambiente envolvente Figura 5 - Possíveis interacções entre a luz e um meio participante Figura 6 - Imagem obtida pelo modelo de sombreado de Gouraud [13] Figura 7 - Imagem obtida pelo modelo de sombreado de Phong [13] Figura 8 - Tratamento Anti-Aliasing [11] Figura 9 - Traçagem de Raios [9] Figura 10 - Imagens obtidas pelo Método de Traçagem de Raios Figura 11 - Factor de Forma [8] Figura 12 - Imagens obtidas pelo Método de Radiosidade Figura 13 - Imagem gerada apenas com recurso ao método de Monte Carlo, em [19] Figura 14 - Do lado esquerdo temos uma imagem obtida através de traçagem de raios com iluminação directa, reflexão especular e transmissão, do lado direito temos a estrutura de fotões correspondente [17] Figura 15 - O resultado de segundo passo do mapeamento de fotões em que do lado esquerdo foram utilizados cerca de 100 fotões por radiância e do lado direito cerca de 500 fotões [17] Figura 16 - Photon Mapping, [7] e[17] Figura 17 - Lightwave 3D Figura 18 - Lightworks Figura 19 - Algumas das imagens de filmes que foram criadas com o Maya [33] Figura 20 - Interface do Maya 5.0 modelando uma imagem (esquerda) e Maya 6.0 efectuado um rendering com transparências (direita [32]) Figura 21 - Imagens geradas com o Maya [32]...48 Figura 22 - Pipeline da arquitectura Reyes [34] Figura 23 - Imagem gerada no modelador Maya e o motor de rendering PRMan Figura 24 - Imagem gerada no modelador Maya com o motor de rendering PRMan Figura 25 - Pipeline do Radiance [14] Figura 26 - Estudo de luz no Hotel Sinova por Martin Moeck, Siemens Lighting [14] Figura 27 - Imagens geradas pelo POV-Ray [26] Figura 28 Imagens da Production Renault Design Figura 29 Rendering realizado com o Mental Ray Figura 30 Imagens do Star Wars: Episode II "Attack of the Clones" /85

10 Figura 31 Onyx Figura 32 - Octane Figura 33 - Imagem obtidas com a nvidia Quadro FX Figura 34 - Placas gráficas aceleradoras de ATI Fire GL[23] Figura 35 - Imagens obtidas com a ATI Fire GL Figura 36 - Processador gráfico 3D da ART VPS, [22] Figura 37 - Hardware da ART VPS para rendering foto-realístico Figura 38 - Imagem gerada com o software 3ds Max e o hardware da ART VPS Figura 39 - Imagem gerada com o software Maya e o hardware da ART VPS Figura 40 - Imagem real de um peixe Figura 41 - Imagem em tons de cinzento Figura 42 - Vista de X Figura 43 Vista de Y Figura 44 Vista de Z Figura 45 - Modelo do peixe em malha de arame poligonal (final) Figura 46 - Modelo do peixe com sombreado simples Figura 47 - Mapa de transparências do modelo do peixe Figura 48 - Mapa de pontos especulares do modelo do peixe Figura 49 - Mapa de altos do modelo do peixe Figura 50 - Imagem de um peixe gerada por computador Figura 51 Imagens retiradas do filme Final Fantasy: The Spirits Within Figura 52 Imagens retiradas do filmes Shrek e Shrek Indice de Tabelas Tabela 1 Equivalência entre unidades radiométricas e fotométricas [3] /85

11 Agradecimentos Aos meus pais Fernando e Maria Luisa pelo esforço que fizeram durante estes meus anos de estudo, pela compreensão, estímulo e paciência. Ao Ricardo, pela compreensão, paciência e o incentivo ao longo de todo o trabalho e curso. Ao Instituto Superior de Engenharia do Porto - ISEP, aos professores do Curso de Engenharia Informática do Ramo de Computadores e Sistemas, pelo apoio, incentivo e colaboração durante a fase do curso. Ao professor orientador António C. Costa, Eng.º, pelo auxílio e orientação na execução deste trabalho. Obrigada 9/85

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13 Prefácio A criação de imagens difíceis de distinguir de fotografias fascina, desde há muito, vários artistas. Enquanto que os problemas da perspectiva foram resolvidos há várias décadas por Brunelleschi (Séc. XV) [1], a teoria para conseguir criar modelos relacionados com os efeitos de iluminação só recentemente é que foram alcançados. Por consequência, para conseguir uma imagem realista através da computação gráfica eram necessários truques e heurísticas que permitissem obter tais efeitos. Hoje em dia, torna-se cada vez mais difícil distinguir uma imagem real de uma imagem foto-realista gerada por computador. Tendo em vista o foto-realismo de uma imagem, é necessário levar em consideração toda a física que nos envolve, desde os efeitos de visualização bem como da iluminação que vai permitir realçar os aspectos físicos e realísticos para a obtenção de uma boa imagem, a fim de se obter as chamadas imagens foto-físico-realistas. As imagens foto-realistas são utilizadas nas mais diversas áreas tais como a educação, ciências, medicina, engenharia e principalmente na área do entretenimento (quem não gosta de filmes cheios de acção e de efeitos especiais, ou até de um bom desenho animado de modo a que tudo seja um pouco mais realista!). Todos os aspectos relacionados com os modelos teóricos de iluminação numa cena já foram estudados, desde as simulações dos processos físicos da transferência de luz (através de um processo global em que todas as superfícies emitem e reflectem alguma da luz da cena) até aos algoritmos que os permitem implementar. Hoje em dia os modelos teóricos estão cada vez mais complexos de modo a permitir melhores resultados na criação de imagens foto-realistas. 11/85

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15 Estrutura do Projecto O Capítulo I faz uma introdução ao conceito de rendering foto-realístico. Para tal, aborda um pouco o que está por trás deste conceito, desde o que é uma imagem digital, o que é a iluminação global, o que é a luz e todas as suas grandezas físicas mais relevantes, isto para que se possa compreender os capítulos seguintes. No Capítulo II efectua-se um estudo dos métodos utilizados no rendering fotorealístico. Este estudo vai ser focado essencialmente nos métodos determinísticos de traçagem de raios (ray tracing) e radiosidade (radiosity). Neste capítulo faz-se também uma pequena passagem pelos métodos estocásticos, método de Monte Carlo e método híbrido de mapeamento de fotões (photon mapping). Uma explicação exaustiva sobre cada um dos métodos está fora do âmbito deste trabalho, dado que o objectivo não é a análise detalhada da implementação de cada um, mas sim o de saber para que servem e de que modos são utilizados. No Capítulo III é mostrado algum do software utilizado nesta área, bem como algumas das imagens que se podem obter com cada um do software apresentado. O mesmo é realizado para o hardware no Capítulo IV. No Capítulo V são mostrados alguns casos práticos do uso das aplicações referidas nos capítulos anteriores. A ideia geral deste capítulo é dar a conhecer algumas das métricas encontradas aquando da utilização destas plataformas. Para finalizar, no Capítulo VI apresentam-se as conclusões retiradas deste trabalho, bem como se faz uma pequena previsão sobre o futuro do rendering foto-realístico. 13/85

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17 Capítulo I. Introdução O objectivo principal do rendering foto-realístico é descrever e armazenar num dispositivo digital uma imagem que aparente ser realista em termos de percepção humana. Para tal, o foto-realismo em imagens digitais é atingido através da modelação do transporte de luz numa cena [2]. Ao longo deste capítulo será esclarecido como é que se podem obter tais imagens e quais as principais características e grandezas que lhe estão subjacentes. I.1. O que é o rendering foto-realístico? O processo de criação de imagens realistas comporta basicamente duas fases [3]. A primeira fase é responsável pela computação da iluminação em toda a cena, sendo a priori independente da criação da imagem em si. A segunda fase descreve o processo de tornar uma iluminação virtual de uma cena numa imagem realística. Nesta fase inclui-se a descrição da captura e mapeamento da iluminação global numa imagem, dependendo assim da primeira fase. Todo este processo depende do objectivo que se pretende atingir e pode então ser chamado de realístico, foto-realístico, ou foto-físico-realístico. Contudo, o termo rendering por si só é utilizado para referir todo o processo de criação de imagens [3]. 15/85

18 I.2. O que é uma imagem digital? Uma imagem digital pode ser definida por uma função bidimensional, da intensidade de luz reflectida ou emitida por uma cena na forma I(x,y), onde os valores de I representam a intensidade de luz no ponto (x,y). A intensidade é representada por um valor finito, inteiro e não negativo. Para gerar uma imagem foto-realista de elevada qualidade, temos que, de certo modo, simular o sistema de visão humano, para que se consiga gerar tal imagem. Para se conseguir realizar tarefas relevantes, em termos do sistema de visão humana, é necessário compreender o mundo que nos rodeia. Uma das tarefas mais importantes no processo de criação de uma imagem é a iluminação que incide sobre um determinado objecto, pois é esta que faz com que aumente o realismo dessa imagem. Contudo, um estudo aprofundado sobre a iluminação daria por si só para outro trabalho. De qualquer modo, não deixa de ser importante referir algumas das grandezas que posteriormente serão necessárias para a compreensão do desenvolvimento de uma imagem foto-realista. Sendo a iluminação um dos pré-requisitos necessários para entender o que é o rendering foto-realístico, é então necessário ter conhecimentos sobre a física que está por trás destes fenómenos. É preciso saber o que é a luz e como é que se consegue manusear e descrever a distribuição desta numa cena. Outras perguntas que podem surgir são, por exemplo, como caracterizar a emissão da luz gerada por uma fonte de luz, como descrever a reflexão da luz de uma superfície, qual é a interacção da luz com o fumo ou o fogo ou qual a descrição matemática da luz que melhor se adapta a uma cena tendo apenas em consideração os aspectos que são mais importantes para efectuar o rendering [3]. 16/85

19 I.3. O que é a Luz? Do ponto de vista físico, a luz é simplesmente uma forma especial de radiação electromagnética, correspondendo a um intervalo desse espectro que se consegue detectar a olho nu. Os olhos apenas são sensíveis à radiação electromagnética de um espectro compreendido entre o ultravioleta e o infravermelho, logo para a computação gráfica pode geralmente esquecer-se o resto do espectro electromagnético. Figura 1 - Espectro Electromagnético [4] I.4. O que é a iluminação global? Quando a luz incide sobre uma cena, esta fica iluminada. Para se melhor compreender o conceito de iluminação global numa imagem, é necessário distinguir entre iluminação directa e indirecta [6]. Um objecto diz-se que possui iluminação directa quando uma fonte de luz ilumina o objecto sem que interaja com nenhum outro objecto que se encontre no meio envolvente (por exemplo, um objecto iluminado directamente por uma lanterna). Este tipo de iluminação é também chamado de iluminação local. Por iluminação indirecta designa-se toda a luz que antes de chegar a um objecto, interage com os outros objectos existentes no meio ambiente. 17/85

20 I.5. Quais as grandezas subjacentes? Tal como todos os fenómenos físicos existentes, a luz tem que ser medida de alguma forma. Assim sendo, estas medidas ou métricas não podem ser esquecidas aquando da elaboração de uma imagem foto-realista. Para se conseguir obter uma imagem realista são necessários muitos outros factores físicos, mas os mais importantes estão relacionados com as propriedades da luz quando esta interage com o meio ambiente, com as superfícies e com os volumes. I.5.1. Radiância A radiometria é a ciência que permite medir fisicamente a quantidade electromagnética da radiância [3]. Tem como objectivo medir a quantidade de luz em cada comprimento de onda e o fluxo de luz no ambiente. A quantidade fundamental da radiometria é a radiância (brilho). A radiância, cuja unidade é L [ w 2 ] sr.m, descreve a quantidade de energia luminosa com uma dada frequência ν que é enviada de um ponto y para uma direcção especifica r ω, por unidade de tempo. A radiância é dada por: L ( ω,ν ) y, r Dado que a quantidade de luz recebida pela retina do olho humano é proporcional á radiância emitida pela superfície visualizada, isto faz com que a radiância seja uma das grandezas mais importantes para a iluminação computacional num sistema de rendering [3]. 18/85

21 I.5.2. Irradiância Em vez de uma descrição completa da distribuição direccional da radiância que actua numa superfície, por vezes é necessário saber a energia total recebida por área de superfície. Esta quantidade de energia é chamada de irradiância, cuja unidade é E[ w m2 ] e descreve a radiância incidente L i sobre o hemisfério Ω no + ponto y, em que n r y é a normal á superfície no ponto y e é dada por: E r r r = n dω ( y) L ( y ω) Ω + i, y I.5.3. Radiosidade Dado que a irradiância é a energia que entra na superfície, por vezes é necessário também saber qual a quantidade de energia total que sai por área de superfície. Esta quantidade é chamada de Radiosidade, cuja unidade é [ w 2 ] radiância L que sai pelo ponto y, sendo da forma: B r r r = n dω ( y) L( y, ω) Ω + y B e é definida pela m I.5.4. Intensidade A radiância descreve a quantidade de energia que é enviada para o ponto y, sendo também necessário saber a quantidade de energia que sai do ponto y, e com isto temos a intensidade, de unidade [ w 2 ] I é definida por: m 19/85

22 I ( y, ω) r r dφ, = dω ( y ω) I.6. Fotometria A radiometria trata somente das quantidades que podem ser medidas em unidades do sistema internacional (SI). Por outro lado, a reacção do sistema de visão humano á radiação (luz) varia conforme o comprimento de onda. A fotometria é a ciência que trata da percepção psico-física da luz. Dado que o olho humano tem sensibilidades diferentes para radiações de diferentes frequências, torna-se necessário relacionar as quantidades anteriores com as quantidades fotométricas equivalentes. A tabela 1.1 sumariza a correspondência entre quantidades e unidades radiométricas e fotométricas. Quantidade Física Energia Fluxo (Potência) Densidade Angular do Fluxo Densidade de Fluxo Radiométrica Fotométrica Nome Unidades Nome Unidades joule Energia Radiante 2 2 Energia Luminosa Talbot [ J = Kg. m. s ] Watt Lumen Potência Radiante W = J. s 1 Potência Luminosa lm = talbot s [ ] [. ] Radiância [ W. m. ] sr 1 Luminância Nit [ lm. m ] 2. sr 2 2 Irradiância [ W. m ] Iluminância Lux[ lm. m ] 2 2 Radiosidade [ W. m ] Luminosidade Lux [ lm. m ] 1 1 Intensidade [ W. sr ] Candela[ lm. sr ] Intensidade Luminosa Tabela 1 Equivalência entre unidades radiométricas e fotométricas [3] I.7. Interacção da Luz com as superfícies A interacção da luz com as superfícies é bastante complexa. Assim sendo, apenas se farão referência aos principais efeitos macroscópicos. 20/85

23 Existem três efeitos básicos que podem acontecer quando a radiância viaja de um ponto x até ao ponto y, no qual atinge uma superfície: absorção, reflexão e transmissão. I.7.1. Absorção A absorção da luz pode ser simplesmente descrita pelo factor de absorção α ( ω, ν ) y, r, que descreve a radiância incidente com uma frequência ν no ponto y com a direcção r ω que é absorvida pela superfície. Para a maioria das superfícies, a energia de luz absorvida é transformada em calor, mas, por vezes, pode sair novamente, podendo ser reemitida noutro comprimento de onda, sendo necessário ter em consideração o espectro de infravermelhos que inclui a radiação de calor. Como estes efeitos são raramente importantes para o rendering foto-realístico e como são computacionalmente complicados, são geralmente ignorados. I.7.2. Reflexão A aparência visual da maioria das superfícies depende essencialmente das suas propriedades de reflexão. Isto acontece porque alguns materiais, quando iluminados, não emitem luz. O que se vê é a luz que foi reflectida dessa mesma superfície, podendo assim, a mesma superfície, parecer diferente conforme diferentes direcções de luz. Os detalhes do processo físico da reflexão da luz numa superfície podem ser complicados, pois a mesma superfície pode ser constituída por mais do que um material e a reflexão apenas ocorre num limite entre os dois materiais (geralmente com índices de refracção diferentes). A fracção de luz que é reflectida e que não entra no material depende do ângulo de incidência da luz, da sua frequência e das 21/85

24 propriedades do mesmo. Isto pode tornar-se ainda mais complicado se se considerar que a fracção de luz que entra no material pode ser novamente reflectida por outras superfícies e deixar este por outro ponto que não o ponto de entrada [6]. Figura 2 - Reflexão possível de uma fracção de luz [6] De modo a simplificar toda esta a descrição do processo de reflexão, assume-se que as propriedades de reflexão de uma superfície são descritas por uma única função f r BRDF. a função de distribuição bidireccional de reflectância, mais conhecida por Figura 3 - Função de distribuição bidireccional de reflectância (BRDF) descreve a fracção de radiância reflectida L p, bem como da radiância incidente L i (irradiância) de direcção w i. 22/85

25 Figura 4 - BRDF descreve a irradiância L i quando esta é a fracção de radiância de outra superfícies que se encontra no ambiente envolvente I Bidirectional Reflectance Distribution Function O BRDF descreve a relação entre a radiância reflectida L com direcção r ω e o diferencial de irradiância E que chega ao ponto y com a direcção r ωi [5]. Sendo assim o BRDF é dado por: BRDF = L E Considerando a Figura 3, a quantidade de luz que chega de r ω i é proporcional á quantidade de luz que chega a dω r i em que a irradiância é L i, logo o total de luz que chega dessa região dω r i é dada por Li cos θ i como o cosθ = r ωi * n r y, logo o BRDF é dado por: f r r r, = ( ω y, ω) i L i r L( y, ) r r ω r ( y, ωi ) n yd i ω 23/85

26 I.7.3. Transmissão A transmissão (ou refracção) é o processo pelo qual uma fracção de luz incidente numa superfície passa pelos seus materiais. A noção apresentada pelo BRDF pode ser extendida para a refracção de luz pelos mesmos motivos, mas neste caso temos a função de distribuição bidireccional de transmitância, mais conhecida por BTDF. Segundo alguns autores [3], [5] e [6], estas duas funções podem ser combinadas numa só, que tem como nome função de distribuição bidireccional de superfícies dispersantes (bidirectional surface-scattering distribution function), isto é BSSDF ou simplesmente BDF. O BDF pode ser expresso como sendo a relação entre a radiância L propagada no ponto y da superfície com a direcção r ω, com a irradiância L i no ponto y com direcção r ωi e o valor absoluto do coseno da equação de BRDF. f rt r ( ω y, ω) i r, = L i r L( y, ω) r r r ( y, ωi ) n yd i ω I.8. Interacção da Luz com os volumes A maior parte da luz que interage com o ar pode ser descartada, havendo porém alguns casos em que a sua interacção é significativa (é o caso do fumo, das chamas e até das nuvens estas situações têm o nome de meio participante (participating media) [3]). Existem três interacções possíveis que podem ocorrer quando a luz passa sobre um meio participante: emissão, absorção e dispersão. 24/85

27 Figura 5 - Possíveis interacções entre a luz e um meio participante I.8.1. Emissão As emissões de radiações sobre o material podem ser descritas como q ( ω,ν ) y, r, que é dado pela radiação emitida no ponto y com a direcção r ω. Na prática, muitos destes materiais são emissores isotrópicos, isto é, o resultado da emissão é independente da direcção de saída r ω. I.8.2. Absorção Na perda de radiação quando a luz passa dentro de um meio participante podem surgir dois efeitos: o de absorção ou o de saída - dispersa (out-scattering). Quando é absorvida, a energia da luz é transformada em calor, o que faz com que não seja mais considerada. A fracção de radiância absorvida é geralmente dada pela função de posicionamento, direcção de radiação e pela sua frequência. 25/85

28 A absorção é dada por k ( ω,ν ) y, r e descreve a fracção de radiância perdida pela distância percorrida até ao meio participante. Tal como na emissão, aqui também temos geralmente absorção isotrópica. I.8.3. Dispersão A dispersão descreve a radiação que se espalha para outras direcções, que não as consideradas anteriormente, reduzindo assim a quantidade de radiação que deveria incidir na direcção prevista. A dispersão, por sua vez, pode ser considerada como elástica ou não elástica. É elástica quando a frequência da radiância não se altera e não elástica quando parte da energia é absorvida pela matéria e a frequência da σ y, r ω, ν. mesma se altera. A dispersão é dada por ( ) I.9. Sumário Este capítulo serviu para se fazer uma introdução aos conceitos físicos inerentes á criação de imagens foto-realistas. Como se pode constatar os métodos de modelação da luz podem tornar-se bastante complexos e de difícil implementação em termos computacionais. Por não ser relevante para este trabalho um estudo aprofundado dos termos apresentados neste capítulo, as equações dadas são incluídas a titulo meramente informativo, não sendo abordados os factores matemáticos, o que levaria a aspectos complexos e desnecessários. Contudo, não se pode esquecer que o comprimento de onda vai ser discretizado em várias cores (por exemplo, RGB), o que significa que as equações devem ser determinadas separadamente para cada cor, o que torna os cálculos mais complexos. 26/85

29 Capítulo II. Métodos Deterministicos e Estocásticos A simulação dos processos físicos da transferência de luz numa cena é bastante árduo, dado que é um processo global em que todas as superfícies e volumes participam emitindo, dispersando, ou reflectindo alguma da luz de e para a cena. Visto isto, é necessário arranjar implementações computacionais das funções descritas no capítulo anterior que efectuem tais cálculos em tempo útil. Para tal foi necessário arranjar maneiras de se acelerar os processos de cálculo utilizados. II.1. Sombreado de Gouraud Tudo começou, quando Henry Gouraud desenvolveu um modelo cujo objectivo é encontrar o vector normal de cada vértice duma face e assim calcular a cor do pixel efectuando a interpolação linear dessa cor na respectiva face [13]. Este modelo ficou conhecido como modelo de Gouraud. O resultado é uma superfície regularmente sombreada, mas cujo cálculo consome uma grande quantidade de processamento e no ponto de interpolação aparece um artefacto de iluminação ( estrela ). Figura 6 - Imagem obtida pelo modelo de sombreado de Gouraud [13] 27/85

30 II.2. Sombreado de Phong Um pesquisador de nome Phong Bui-Tuong expandiu o conceito do modelo de sombreado de Gouraud. Em vez de usar a normal apenas nos vértices, o que o modelo de sombreado de Phong faz é calcular a normal em todos os pixeis, obtendo assim uma superfície sombreada mais suave, mas em contrapartida é mais lento. Figura 7 - Imagem obtida pelo modelo de sombreado de Phong [13] II.3. Método Anti Aliasing Tendo por objectivo suavizar as arestas de uma imagem, o anti-aliasing é um método que permite fazer com que uma imagem pareça mais realista [11], isto porque a tela de um monitor é constituída por pixeis que são quadrados, o que faz com que as linhas e as curvas possuam uma silhueta em escada. Na Figura 8, pode-se observar que, colocando uma rede em cima de um círculo, obtém-se o mesmo efeito que surge num monitor (efeito de aliasing). Este efeito é susceptível de ser minimizado. Para tal, o anti-aliasing usa os pontos (pixeis) das extremidades dos objectos, para os quais são enviados raios, cuja intensidade é comparada com os seus raios adjacentes, efectuando-se depois uma média para se encontrar a cor que seria a esperada na vizinhança desses pontos. 28/85

31 Figura 8 - Tratamento Anti-Aliasing [11] II.4. Métodos Deterministicos e Estocásticos Apesar dos resultados obtidos, estes modelos estão longe de conseguir representar imagens com base na iluminação global, pois é esta a responsável pela obtenção de verdadeiras imagens foto-realistas. Com isto relacionam-se os métodos deterministicos e estocásticos. Os métodos deterministicos são todos aqueles que, quando são executados, produzem sempre o mesmo resultado. Os mais importantes são a traçagem de raios (ray tracing) e a radiosidade (radiosity). Os métodos estocásticos são aqueles métodos que, para os mesmos dados de entrada, produzem resultados diferentes. Estes métodos podem também ser chamados de Monte Carlo, segundo [14]. II.4.1. Traçagem de Raios O primeiro método criado para resolver este problema foi a traçagem de raios, sendo inicialmente criado como um método para calcular a iluminação global [7]. A sua primeira implementação foi efectuada pela IBM em 1968, por Appel, o qual publicou o documento Some Techniques for Shading Machine Renderings of Solids, não existindo, na altura, computador capaz de o utilizar. Foi apenas em 1980 que Turner Whitted publicou o artigo An Improved Illumination Model for Shaded Display, que 29/85

32 descrevia o algoritmo de traçagem de raios como sendo um algoritmo capaz de efectuar sombras, reflexões e refracções. O método referido era bastante simples, podendo ser descrito com apenas três funções, sendo por esta razão a base de muitos pacotes de rendering comerciais. II Como funciona a traçagem de raios? A traçagem de raios funciona através da traçagem de um raio desde o olho até à cena, em que pode sair de cena ou atingir um objecto. Se o raio alcançar um objecto, são enviados outros raios a partir da superfície até estes alcançarem outra superfície ou atingirem uma fonte de luz. Se a superfície for transparente, um raio é transmitido por dentro desse objecto numa direcção que é determinada em termos de refracção. Apesar de todos os benefícios decorrentes, este não é um método perfeito. Figura 9 - Traçagem de Raios [9] II Vantagens e Desvantagens 30/85

33 Uma das particularidades da traçagem de raios é que tende a produzir imagens que parecem demasiado brilhantes e polidas. Em termos teóricos, o que acontece é que a traçagem de raios envolve a simulação da distribuição dos raios de luz de um único ponto de vista tridimensional (câmara pontual) para todos os pixeis do écran e depende da informação guardada no objecto de intersecção antes de efectuar o rendering. Contudo, o facto do rendering através da traçagem de raios de uma cena ser baseada na localização dos objectos faz com que seja um algoritmo dependente da visualização. Assim sendo, mudando a posição de visualização é necessário refazer todo o rendering da cena, sendo por isso um algoritmo de iluminação local ou directa [8]. Outro dos problemas associados à traçagem de raios é o efeito aliasing. II Principais Aplicações As imagens geradas pela traçagem de raios podem ser encontradas em estudos de simulação, na medicina em tratamentos radioactivos, na engenharia mecânica, mas encontram-se principalmente na industria publicitária e do entretenimento, como é o caso do Toy Story da Pixar, sendo este o primeiro filme (longa metragem) de animação a ser gerado integralmente com base num algoritmo de rendering [11]. II Galeria de Imagens As imagens que se seguem foram retiradas de [7], [8] e[9] : 31/85

34 Figura 10 - Imagens obtidas pelo Método de Traçagem de Raios II.4.2. Radiosidade Em 1984, a radiosidade foi introduzida na computação gráfica por um grupo de investigadores da Universidade de Cornell, quando escreveram um artigo que se intitulava Modeling de Interaction of Ligth Between Diffuse Surfaces. A radiosidade baseia-se nos princípios de transferência de radiação de calor, utilizados para calcular a troca de calor entre superfícies, isto é, preocupa-se com o cálculo da taxa de energia total que é libertada pelas superfícies, ou seja, a 32/85

35 quantidade de radiosidade baseada nas propriedades de emissão de energia e na reflexão da superfície. A radiosidade trata de uma cena dividindo-a geometricamente num conjunto de bocados (sub patches) [7]. Em cada um utilizam-se equações lineares de modo a calcular-se como a luz viaja entre cada par de bocados. Pelo facto da radiosidade necessitar de dividir a cena em pequenos pedaços, este método é muito pesado em termos de recursos de processamento. II Como funciona o método de radiosidade? Segundo os autores de [8], [15] e [16], o método de radiosidade calcula a quantidade de luz reflectida de uma superfície difusa, pois o método baseia-se no principio de que todas as superfícies são perfeitamente difusas, daí que a superfície reflectora deve ser afectada pela quantidade de luz incidente que chega a essa superfície vinda de outra existente no meio envolvente. B j = E j + ρ H j j Com isto temos que B é a radiosidade, E a energia emitida, ρ a superfície reflectora e H a energia de luz incidente que chega a essa superfície. Dado que a energia de luz incidente num bocado j é dependente da geometria de todos os outros bocados i que o rodeiam, a quantidade de energia que sai do bocado j e chega até ao bocado i chama-se factor de forma (form factor). 33/85

36 Figura 11 - Factor de Forma [8] O factor de forma é dependente da forma, tamanho, posição e orientação de uma superfície numa cena. Logo a equação anterior pode ter a seguinte forma: B j = E j + ρ N j i= 1 B F i ij Como esta equação vai existir para todos os bocados existentes numa cena, logo vamos ter n equações, o que resulta no seguinte sistema de equações: Com este sistema é possível calcular-se a radiosidade de todos os bocados. Como existem vários canais de cores nas imagens, resolve-se sistema de equações várias vezes, em que, em cada vez, é necessário saber os valores de reflexão e emissão para cada canal de cor (por exemplo, RGB). 34/85

37 Uma vez terminado, a cena pode ser visualizada a partir de qualquer ponto sem que seja necessário efectuar novamente todos os cálculos, como acontece com a traçagem de raios. II Vantagens e Desvantagens O método de radiosidade, apesar de poder visualizar uma cena de qualquer ponto sem que seja necessário refazer os cálculos, não permite efectuar dinamicamente alterações à geometria da cena. E tal como a Traçagem de Raios, apenas resolve parte dos problemas da iluminação global, pois não têm em consideração efeitos como a absorção, reflexões especulares e transmissão. Note-se que a traçagem de raios é bem sucedida nestas tarefas. II Principais Aplicações Uma das principais áreas de aplicação da radiosidade é a arquitectura e o design de interiores. Contudo, em alguns jogos, utiliza-se o método de radiosidade para fins gráficos [8]. II Galeria de Imagens As imagens que se seguem foram retiradas de [7], [8], [9] e [16]. 35/85

38 Figura 12 - Imagens obtidas pelo Método de Radiosidade II.4.3. Monte Carlo A maior parte dos métodos de iluminação global têm uma melhor performance quando se refere a iluminação directa, pois quando se trata de iluminação indirecta numa cena estes métodos necessitam de muitos mais recursos, não sendo por isso tão eficientes [18]. Para gerar uma imagem baseada na distribuição da energia radiante é necessário resolver um problema de integração, em que o integrando é normalmente uma função descontínua de elevada dimensão. Para o resolver, pode recorrer-se ao método de Monte Carlo, bastante utilizado em termos de integração numérica. 36/85

39 II Como funciona o método de Monte Carlo? Contudo, a ideia do método de Monte Carlo é de para resolver o integral da forma ( x) I = f dx este pode ter em consideração a aproximação de um grande número de pontos amostrais do integrando seguinte, [3]: I = f ( x) dx = lim 1 N N Ω i= 1 N f p ( ξi ) ( ξ ) i em que a amostra ξ i se baseia na distribuição da função densidade de probabilidade p (x), que nos diz que se p ( x) 0, p( x) = 1. Além disso, a função densidade de probabilidade não pode ser zero dentro do domínio de integração Ω em que f (x) é diferente de zero. Segundo a Lei dos Números Grandes, a probabilidade de que a aproximação seja igual ao valor exacto do integral converge para um para valores muito grandes de N. p 1 N N i= 1 f ( ξ ) i p( ξ ) i I < ε 1, para ε > 0, N II Vantagens e Desvantagens Os desempenhos obtidos pelo método de Monte Carlo são conhecidos por serem ineficientes e de elevado custo computacional, devido ao grande número de amostras necessárias [3]. 37/85

40 Contudo, o método de Monte Carlo é uma boa escolha para cenas extremamente grandes, complexas e com muita pouca coerência. Devido ao seu desempenho computacional, as imagens produzidas por este tendem a ter algum ruído visível. II Galeria de Imagens Figura 13 - Imagem gerada apenas com recurso ao método de Monte Carlo, em [19] II.5. Métodos Mistos (Híbridos) Contudo, existem alguns aspectos que os métodos determinísticos e estocástico não conseguem lidar, surgindo assim os métodos mistos, que tentam aproveitar o melhor de cada um e com a implementação de novos métodos conseguir assim efeitos realísticos que até então eram difíceis de ser obtidos. II.5.1. Mapeamento de Fotões (Photon Mapping) O método de mapeamento de fotões para a iluminação global foi desenvolvido entre 1993 e 1994 e o primeiro artigo a ser publicado sobre o método foi em 1995 [17]. É um método versátil, capaz de simular a iluminação global em objectos difusos e com meio participante numa cena complexa. Proporciona a mesma flexibilidade que o método de Monte Carlo, mas com um menor tempo de computação, sendo o mais recente método de rendering [7] em utilização generalizada. 38/85

41 II Como funciona o Photon Mapping? O mapeamento de fotões é um método que pode ser efectuado em dois fases [17]. A primeira fase é construir uma estrutura de fotões que permite a emissão de um fotão de uma fonte de luz numa cena e armazenando o resultado obtido nessa mesma estrutura quando este atingir uma objecto (ou superfície) não especular. A segunda fase é a chamada fase de rendering, que utiliza técnicas estatísticas sobre a estrutura de fotões para extrair a informação sobre o fluxo e a radiância reflectida em qualquer ponto da cena. Figura 14 - Do lado esquerdo temos uma imagem obtida através de traçagem de raios com iluminação directa, reflexão especular e transmissão, do lado direito temos a estrutura de fotões correspondente [17] Figura 15 - O resultado de segundo passo do mapeamento de fotões em que do lado esquerdo foram utilizados cerca de 100 fotões por radiância e do lado direito cerca de 500 fotões [17] 39/85

42 O sucesso deste método é que trata uma cena muito para além da sua representação geométrica, conseguindo assim simular a iluminação global em cenas complexas. II Vantagens e Desvantagens Com o mapeamento do fotões é possível obter reflexões e efeitos denominados de cáusticos 1 em superfícies difusas, sendo ambos de iluminação indirecta. Utilizando a traçagem de raios juntamente com o mapeamento de fotões, obtemos um método capaz de simular eficazmente todo o tipo de luz directa ou indirecta. Ainda para mais este método consegue tratar meios participantes sem grandes problemas. Comparando-o com o método de radiosidade, este é mais rápido que o de mapeamento de fotões para cenas simples, mas para cenas mais complexas, o mapeamento de fotões é mais eficaz e flexível, visto que também consegue lidar com superfícies não difusas. A vantagem principal do método de mapeamento de fotões é a sua eficiência, sendo na maior parte dos casos mais rápidos e produzindo melhores resultados que o método de Monte Carlo. II Principais Aplicações O mapeamento de fotões não está patenteado, o que faz com que esteja disponível na internet. É também possível encontrar extensões do mapeamento de fotões nos seguintes softwares: POV-RAY, Blue Moon Rendering Tools RenderMan. Algumas empresas, tais como a Integra e a SotfImage, utilizam-no nos seus sistemas [17]. 1 Efeitos cauticos são aqueles que são causados pela luz que foi reflectida, refraccionada ou focada através de outros materiais. O resultado é um ponto ou uma banda de luz na superfície que a recebe [20]. (ver Figura 16) 40/85

43 II Galeria de Imagens Figura 16 - Photon Mapping, [7] e[17] 41/85

44 II.5.2. Outros Métodos A sequência de imagens que se segue podem ser encontrados nos sites das respectivas empresas e foram obtidas através da implementação de outros métodos mistos, por vezes sobrepondo alguns dos métodos referidos neste capítulo. Figura 17 - Lightwave 3D Figura 18 - Lightworks 42/85

45 II.6. Sumário Todos os métodos aqui abordados são os principais métodos usados para efectuar o rendering de uma cena com vista a obter-se uma imagem foto-realista. Fazendo referência ao modo como surgiram e qual foi a sua primeira aplicação. Contudo, mais haveria para dizer sobre os métodos determinísticos, estocásticos e mistos, pois para cada um existem variadas implementações, principalmente no caso do método de traçagem de raios. Como sendo o primeiro, serve de base a muitos outros. Todos os métodos podem ser computacionalmente distribuídos. O método de Monte Carlo é aplicado nas mais diversas áreas visto ser um método probabilístico [10]. 43/85

46 44/85

47 Capítulo III. Software Para gerar uma imagem foto-realista é necessário descrever, em formatos predefinidos, toda a cena com o maior detalhe possível. Para isso são utilizadas aplicações denominadas modeladores. Após descrição da cena, usam-se motores de rendering para colori-la, de modo a que se obtenha uma imagem foto-realista. Apesar de serem dois tipos de aplicação bastante distintos, normalmente vêm juntos numa mesma plataforma. Neste capítulo existem implementações dos dois tipos. O Maya é uma plataforma na qual se podem encontrar as duas aplicações, enquanto que o Photorealistic RenderMan, Radiance, POV-Ray e Mental Ray são o que se considera de motores de rendering. III.1. Maya Há mais de 20 anos que a Alias é líder na inovação tecnológica de produção de gráficos 3D. Hoje em dia é possível encontrar soluções que utilizam o software da Alias em quase todos filmes, jogos de vídeo e muito mais. Sendo a sua principal ferramenta o Maya, possui ainda outras aplicações gráficas que incluem o estúdio de visualização de desenho StudioTools e também o Alias SketchBook Pro. O Maya é uma plataforma que, entre outras coisas, permite adicionar realismo a imagens e projectos 2D, criar páginas de internet com efeitos visuais e animados, realizar modelos de visualização em revistas, jornais, desenhos industriais, de arquitectura e adicionar-lhes efeitos 3D e animações. 45/85

48 Com o Maya é possível efectuar tratamentos 3D, animações e efeitos em trabalhos já existentes originários de outros programas, bem como criar animações e efeitos especiais, quer em filmes como em jogos. 46/85

49 Figura 19 - Algumas das imagens de filmes que foram criadas com o Maya [33] O Maya é o pacote de software mais completo para produzir gráficos 3D e 2D, pois é intuitivo, adaptável ao utilizador e as suas ferramentas fazem com que a interacção 3D seja de fácil aprendizagem e utilização. Figura 20 - Interface do Maya 5.0 modelando uma imagem (esquerda) e Maya 6.0 efectuado um rendering com transparências (direita [32]) Na última versão do Maya (Maya Unlimited) é possível obter efeitos especiais sofisticados e de alto nível, com os quais se podem criar as imagens que se seguem: 47/85

50 Figura 21 - Imagens geradas com o Maya [32]. III.2. Photorealistic RenderMan (PRMan) O PRMan é uma implementação do pipeline geométrico cuja arquitectura foi desenvolvida pela Lucasfilm (actual Pixar), a fim de obterem um rendering de maior qualidade em cenas complexas (arquitectura Reyes). O sistema foi desenvolvido por volta de 1980, com vista a que fosse possível diminuir o tempo de rendering de horas para minutos [34]. III.2.1. RenderMan Interface O interface RenderMan é uma norma criada pela Pixar para cada modelador que tem como motor de rendering o PRMan. Pode ser considerado como a descrição de uma cena em formato 3D, do mesmo modo que o PostScript é a descrição 2D do formato de uma página [35]. 48/85

51 Esta norma é independente do sistema operativo e do hardware. O RenderMan permite ao modelador especificar o que quer renderizar, mas não como o fazer. O programa de rendering que implementar a norma RenderMan pode escolher, entre outros, o método de traçagem de raios ou o de radiosidade. Estes detalhes de implementação não constituem barreiras para a interface. A primeira versão da norma do RenderMan descreve a interface procedimental, isto é, as chamadas às funções de cada biblioteca que podem ser invocadas pelo modelador. Quando esses procedimentos são invocados, a informação é passada para o motor de rendering. O RenderMan define ainda a RenderMan Interface Bytestream (RIB), que providencia uma interface ASCII para um motor de rendering que suporte o protocolo RIB. III.2.2. Reyes Architecture Figura 22 - Pipeline da arquitectura Reyes [34] 49/85

52 O algoritmo do Reyes permite carregar a cena descrita pelo modelador, normalmente através de um ficheiro RIB que deve passar pelo parser RIB, que então chama cada rotina RI que é necessária conforme cada linha extraída do ficheiro RIB. Senão, se o modelador estiver ligado ao motor de rendering, pode utilizar directamente a RI API, não necessitando de efectuar o parsing [34]. De seguida, quando as primitivas chegam à fase de bound (definição de limites) o motor de rendering determina que primitivas são visíveis. O RenderMan não processa qualquer primitiva que esteja fora dos limites de visualização da câmara. Primitivas muito grandes são dividas em objectos mais pequenos, os quais são mais tarde convertidos em micropolígonos, com área aproximadamente igual à de um pixel. Depois a grelha de micropolígonos passa para a fase de shade, na qual são avaliadas todas as luzes e texturas ligadas ao objecto, disponibilizadas pelo PRMan. Por fim a informação dos pixeis é enviada para um ficheiro que pode ser visualizado no ecrã ou armazenado num dispositivo de saída existente. Figura 23 - Imagem gerada no modelador Maya e o motor de rendering PRMan 50/85

53 O RenderMan Artist Tools da Pixar, designado por RAT, é um conjunto de ferramentas que permite a utilização do PRMan a qualquer utilizador habituado ao Maya. Figura 24 - Imagem gerada no modelador Maya com o motor de rendering PRMan III.3. Radiance O Radiance foi desenvolvido como uma ferramenta de pesquisa para prever realisticamente a distribuição de radiação visível num espaço iluminado. Tendo com base modelos 3D geométricos do ambiente físico, produz um mapa de valores de radiância que pode ser convertido numa imagem a cores. A principal vantagem do Radiance sobre simples cálculos de luz e ferramentas de rendering é que não existem limitações sobre a geometria ou sobre os materiais que podem ser simulados [14]. O Radiance é utilizado por arquitectos e engenheiros para prever a iluminação, a qualidade visual e a aparência de novos espaços, e por investigadores para avaliarem novas tecnologias relacionadas com luz artificial e natural. O Radiance é 51/85

54 um simulador de transporte de luz e um sistema de rendering que envolve desde trabalhos de pesquisa até sistemas não comerciais, sendo bastante utilizado. III.3.1. Arquitectura do Radiance Figura 25 - Pipeline do Radiance [14] O programa que se encontra ao centro o Rpict, da figura anterior, é o que produz a imagem sobre a cena descrita. O Rview é a variação do Rpict que produz e visualiza a imagem interactivamente. A scene description é um ficheiro constituído por uma lista de superfície e materiais que descrevem o ambiente específico. Os tipos de objectos mais comuns são esferas, polígonos, cones e cilindros, os quais podem ser constituídos por materiais tais como plástico, metal ou vidro. Através duma descrição da cena 3D e de uma visualização específica, o Rpict produz a imagem 2D. A picture é um ficheiro de representação dos pixeis da imagem. Esta imagem pode ser escalável em tamanho e brilho e pode ser efectuado um tratamento anti-aliasing. 52/85

55 O cabeçalho de cada ficheiro picture lista o programa(s) e os parâmetros que o produziu, pois estes dados permitem identificar a imagem sem que seja necessário visualiza-la. Esta informação pode ser lida através do programa getinfo. Auxiliary files são os ficheiros utilizados nas texturas e padrões, os quais são acedidos pelo programa durante a geração de imagem. Este software é baseado no método de traçagem de raios, mas é caracterizado como sendo um método híbrido de iluminação global e das técnicas de rendering que separam a iluminação directa da indirecta, e utiliza diferentes algoritmos para calcular cada um deles. A luz directa é calculada pelo método dos raios de sombra, mas no caso de ter muitas fontes de luz utiliza um algoritmo adaptativo que permite seleccionar as fontes mais importantes, enquanto que os efeitos das restantes fontes de luz são estimados. A irradiância, que geralmente varia conforme a superfície, é discretizada em alguns pontos do meio ambiente utilizando-se a integração via método de Monte Carlo sobre o hemisfério a iluminar. As amostras de iluminação são armazenadas em cache. A cache não está associada a superfícies, mas sim com uma estrutura espacial que subdivide o espaço da cena. Se o valor da irradiância é requerido num ponto, a cache procura um valor vizinho e este é interpolado. Se existirem poucos valores na cache, um novo valor para a irradiância é calculado nesse ponto e acrescentado à cache. Na Figura 25, estes cálculos são executados pelo oconv, um algoritmo eficiente que permite gerar resultados muito precisos que são posteriormente guardados num ficheiro octree (cache). O Radiance permite também o pré-processamento de fontes de luz secundárias. Para cada superfície, o mapa de distribuição direccional de transmissão e reflexão de luz é determinado numa fase de pré-processamento e armazenado juntamente com a superfície. Isto permite aumentar consideravelmente a eficiência e a qualidade da computação final. Outra das características relevantes do Radiance é a descrição hierárquica da cena, uma descrição procedimental dos atributos de rendering, mecanismos de processamento distribuído e suporte de animação. 53/85

56 O Radiance é uma arquitectura de rendering que resolve eficientemente muitos dos problemas de rendering e de simulação do transporte de luz [14]. É baseado em quantidades físicas e pode ser configurado para funcionar com qualquer exactidão requerida por uma aplicação. Figura 26 - Estudo de luz no Hotel Sinova por Martin Moeck, Siemens Lighting [14] Inicialmente, o Radiance era uma ferramenta para Unix e utilizava um formato de input textual, mas recentemente surgiu o Desktop Radiance, que proporciona o uso desta ferramenta através de uma plataforma gráfica que corre em Windows, sobre a aplicação AutoCAD, através de menus, não estando porem acessíveis todas as funcionalidades existentes no Radiance [27]. III.4. POV-Ray O Persistence of Vision Ray-Tracer TM (POV-Ray) foi desenvolvido a partir do DKBTracer 2.12 em 1991 por um grupo de pessoas (POV-Team TM ) nos seus tempos livres [26]. O pacote POV-Ray inclui já algumas cenas sobre as quais é possível criar imagens realistas, não sendo necessário efectuar alterações. É constituídos por uma 54/85

57 biblioteca de formas, cores predefinidas e materiais e é baseado no método de traçagem de raios. Algumas das suas características mais importantes são, entre outras, a utilização de vários tipos de câmaras; a utilização de fotões para obter os efeitos realísticos, cáusticos, de reflexão, refracção e meio participante; radiosidade para um maior realismo em ambientes difusos; efeitos atmosféricos (como, chuva, nuvens, fogo, etc.)... As formas podem facilmente ser combinadas para criarem formas mais complexas, utilizando-se para tal o método Constructive Solid Geometry (CSG). O POV-Ray é essencialmente um software de linha de comandos, existindo porém uma implementação para Windows e Macintosh. Figura 27 - Imagens geradas pelo POV-Ray [26] 55/85

58 III.5. Mental Images A Mental Images, desde 1986, baseada nas suas próprias pesquisas e em tecnologias patenteadas, tem vindo a desenvolver gerações sucessivas de motores de rendering e modeladores 3D [28]. III.5.1. Mental Ray O Mental Ray é um motor de rendering que permite gerar imagens de grande qualidade e realismo. Este software utiliza aceleradores avançados e técnicas recursivas para conseguir obter um rendering mais rápido. Adicionalmente, a performance do rendering é elevada devido ao suporte dinâmico dos processadores gráficos. É baseado no método da traçagem de raios, que é utilizado automaticamente quando é necessário tratar refracções, reflexões, traçagem de raios para sombras, etc. Suporta primitivas geométricas incluindo polígonos, superfícies com formas livres e subdivisões de superfícies hierárquicas. O Mental Ray é comercializado isoladamente ou como uma biblioteca que permite a integração directa noutros softwares. Permite ainda a simulação completa da iluminação global, baseada em métodos de rendering patenteados e em bases de dados distribuídas. É o primeiro software de rendering a combinar a simulação física correcta do comportamento da luz com a programabilidade necessária para a criação de qualquer fenómeno visual, real ou imaginário. III.5.2. Mental Matter O Mental Matter é o modelador da Mental Images, que suporta uma variedade de combinações de modelos e tesselagens. O Mental Matter é usado para desenvolver modelos baseados no Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) e no Hierarchical 56/85

59 Subdivision Surfaces (HSDS). Em contraste com muitos outros modeladores, este permite a criação arbitrária de objectos geométricos complexos que consistam apenas numa superfície. Figura 28 Imagens da Production Renault Design Figura 29 Rendering realizado com o Mental Ray Figura 30 Imagens do Star Wars: Episode II "Attack of the Clones" III.6. Sumário Do software descrito pretendeu-se dar uma ideia aproximada de como funcionam. Existem, no entanto, outros modeladores (casos do AutoCAD e do SolidWorks) e outros motores de rendering (Nuke) não abordados. 57/85

60 O Houdini é uma plataforma não abordada que inclui as duas aplicações e é bastante utilizada no cinema (tais como, Pearl Harbor, Senhor dos Anéis A Irmandade do Anel) e na publicidade (Coca-Cola, por exemplo). Existe ainda outra implementação semelhante ao PRMan, o Blue Moon Rendering Tools (BMRT), mas com a diferença principal do BRMT ser um código aberto (opensource) que respeita a norma RenderMan e que suporta traçagem de raios e radiosidade [34]. Tendo em consideração que existem mais motores de rendering que modeladores, é frequente a existência de parcerias, como é o caso da mais recente entre a Mental Ray, Alias (Maya 6),Discreet (3dsmax), nvidia (QUADRO FX 4000) e a Softimage [30]. 58/85

61 Capítulo IV. Hardware A qualidade e a velocidade do software 3D existente no mercado é um dos grandes problemas para a criação de imagens foto-realistas. Para combater esses problemas surgiram as unidades de processamento gráfico (GPU Graphic Processing Unit) [21]. A GPU é um microprocessador que foi desenhado especialmente para o processamento de gráficos 3D. O processador é construído por motores de rendering, de transformação, de iluminação e manuseamento de triângulos, integrados, capazes de executarem milhões de processos matemáticos intensivos por segundo. A GPU é considerada o coração das placas gráficas modernas, libertando o CPU (Central Processing Unit) da carga de processamento gráfico. A GPU permite que muitos dos produtos como os computadores pessoais, portáteis e consolas de jogos processem gráficos 3D em tempo real, o que até há pouco tempo só era possível em grandes estações de trabalho. A GPU é constituída por uma memória incorporada na placa, sendo esta um dos componentes mais importantes. As primeiras GPU s encontradas nos computadores pessoais tinha cerca de 16MB de RAM incorporada e a baixa velocidade com que esta era acedida mostrou ser um dos factores mais importantes. IV.1. Silicon Graphics, Inc. Silicon Graphics Inc, também conhecida por SGI, é líder mundial em computação de elevada performance, visualização e armazenamento. Fundada em 1982, está sediada na Mountain View, California, com instalações de produção em Chippewa, Wisconsin e representantes em todo o mundo [36]. 59/85

62 Dos produtos disponibilizados pela empresa, os mais interessantes são os SGI Onyx, família de servidores gráficos de elevada performance e as estações de trabalho Unix SGI Octane, desenhadas especificamente para aplicações de computação gráfica [37]. Figura 31 Onyx Figura 32 - Octane IV.2. nvidia A nvidia foi a primeira empresa a desenvolver GPU [21], com a Geforce 256 comercializada no fim de A Geforce 3 foi a primeira placa a ser desenvolvida pela nvidia como GPU programável, que permitiu um aumento da criatividade dos programadores para personalizar o mundo virtual dos jogos ou dos simuladores. Adicionalmente a Geforce 3 suporta sombreamentos personalizados que permitem um maior realismo às cenas. IV.2.1. Quadro FX A família Quadro FX é a mais recente solução da nvidia sendo a mais rápida aplicação ao nível de performance e a de mais alta qualidade gráfica para estações 60/85

63 de trabalho [24]. Sendo uma arquitectura programável é possível simular um número ilimitado de características físicas, tais como os efeitos das luzes (dispersão, reflexão, refracção e até o modelo BRDF), bem como propriedades físicas das superfícies (tais como, os efeitos cáusticos), entre muitas outras características. Figura 33 - Imagem obtidas com a nvidia Quadro FX IV.3. ATI A ATI tem vindo a produzir placas de vídeo desde 1990, e em 2000 comercializaram as placas da série Rage 128 GPU, para competirem com a Geforce da nvidia. Desde então a série Rage tem vindo a ser incorporada nos computadores pessoais e portáteis, principalmente os Macintosh. A nova série Radeon incorpora a ATI Charisma Engine, a arquitectura Pixel Tapestry e o gestor de largura de banda de memória Hyper Z. IV.3.1. Fire GL A Fire GL é a mais recente série de placas gráficas da ATI para estações de trabalho. A sua arquitectura foi desenhada para executar velocidades elevadas e obter imagens de qualidade para visualização em tempo real [23]. 61/85

64 Figura 34 - Placas gráficas aceleradoras de ATI Fire GL[23] Ambas as placas podem ser utilizadas directamente para trabalhos gráficos profissionais, tendo como base quer o Windows quer o Linux, conseguindo uma elevada performance. 62/85

65 Figura 35 - Imagens obtidas com a ATI Fire GL IV.4. ART VPS A ART VPS Ltd. desenvolveu um processador gráfico 3D que permite criar imagens realistas [22]. As placas de rendering PURE e RenderDriver são ambas baseadas na tecnologia de hardware de traçagem de raios da própria empresa, nomeadamente o chip AR350. O AR350 é a segunda geração de processadores de traçagem de raios da empresa, tem como características um gestor de memória para aceder a memória DRAM local, uma estrutura cache incorporada para reduzir a largura de banda requerida pelo barramento cliente e dois núcleos de rendering 3D. Cada núcleo efectua operações geométricas e de sombreamento com recurso ao algoritmo de traçagem de raios. O co-processador geométrico de cada núcleo é capaz de efectuar o cálculo de intersecção de raios em cada ciclo de relógio do processador. 63/85

66 Figura 36 - Processador gráfico 3D da ART VPS, [22] IV.4.1. PURE e RenderDrive Os produtos de rendering que podemos encontrar na ART VPS são o PURE que é uma placa gráfica PCI para estações de trabalho e o RenderDrive um servidor dedicado a processamento gráfico, que permite obter rendering em rede de elevada qualidade. Figura 37 - Hardware da ART VPS para rendering foto-realístico As imagens que se seguem foram obtidas através da utilização da interface da ART e dos produtos acima descritos cujo modelador foi o software Maya e o Max da 3ds Max. 64/85

67 Figura 38 - Imagem gerada com o software 3ds Max e o hardware da ART VPS Figura 39 - Imagem gerada com o software Maya e o hardware da ART VPS IV.5. Sumário Apesar do grande impulso dado ao nível de hardware nos últimos quatro anos, as placas gráficas descritas neste capítulo apenas implementam o método de traçagem de raios. Contudo existem já implementações do método de mapeamento de fotões, nas ATI Radeon 9800 Pro e na nvidia Geforce FX 5900 Ultra, ainda que limitados, devido ao acesso aleatório na escrita em memória [20]. 65/85

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69 Capítulo V. Casos Práticos Visto todas as ferramentas colocadas ao dispor dos profissionais na área do fotorealismo, este capítulo tem como objectivo dar a conhecer alguns dos procedimentos e métricas a ter em consideração aquando da criação de imagens. Serão apresentados três casos práticos onde são utilizadas as tecnologias atrás descritas. V.1. Caso 1 - Modelação de um peixe foto-realista Neste caso prático, o objectivo fundamental é o de modelar um peixe de modo a parecer foto-realístico [38]. No entanto, poderia ser realizado com qualquer outro animal. O primeiro passo a realizar é o de arranjar uma imagem em formato digital de um peixe (digitalizando de um livro ou através de uma pesquisa na Internet). A imagem tem que ser de um peixe e só do peixe, qualquer objecto que esteja por detrás do peixe tem que ser removido, utilizando para tal, um programa de tratamento de imagem como o Photoshop. A imagem tem também que ser ajustada de modo a que as cores fiquem bem distintas e com um nível de saturação elevado. Com estas modificações feitas, a imagem pode tornar-se agora um mapa de cores do peixe foto-realista. O resultado destas transformações irá ser algo semelhante ao apresentado na Figura /85

70 Figura 40 - Imagem real de um peixe O segundo passo, utilizando o Photoshop, é passar toda a imagem do peixe para uma escala de cinzentos, e aumentar-lhe o contraste de modo a obter uma boa definição entre os tons claros e escuros da imagem. O resultado, mostrado na Figura 41, irá ser utilizado como base para o modelo do peixe foto-realista a criar assim como um mapa de texturas para controlo de difusão. Figura 41 - Imagem em tons de cinzento Num modelador carrega-se a imagem em tons de cinzento posicionando-a no viewport do eixo dos x. Neste caso foi utilizado como modelador o Lightwave. De seguida, utilizando a ferramenta deste modelador, o Lightwave MetaNurbs, desenhou-se a silhueta, á mão, da imagem e adicionou-se pontos de controlo com outra ferramenta da aplicação denominada de Knife Tool. Por fim, escalou-se e arrastaram-se estes pontos para a posição correcta. O resultado está mostrado na Figura 42. Com modeladores baseados em NURBS, pode-se ainda desenhar as curvas nos pontos Z e Y, coloca-las na posição certa e transforma-las em superfícies do tipo NURBS. A Figura 43 e a Figura 44 mostram estas curvas. 68/85

71 Figura 42 - Vista de X Figura 43 Vista de Y Figura 44 Vista de Z Para criar as barbatanas, procede-se do mesmo modo. É inclusive mais aconselhável cria-las como objectos separados, e posteriormente junta-las ao modelo final. Os olhos do peixe são simples esferas, achatadas e colocadas no sitio. A Figura 45 mostra a malha de arame poligonal final e a Figura 46 mostra a geometria com um sombreado simples. 69/85

72 Figura 45 - Modelo do peixe em malha de arame poligonal (final) Figura 46 - Modelo do peixe com sombreado simples De notar que o modelo do peixe apenas precisa ser etiquetado de superfície, dado que todos os atributos de material vão ser modelados com mapas de textura globais. A Figura 47 apresenta o mapa de transparências, este mapa é baseado na imagem original em tons de cinzento onde todas as áreas que necessitam de ser opacas são pintadas de preto, enquanto que as áreas a branco significam transparência completa. Pintou-se um gradiente de preto para branco desde as pontas das barbatanas até perto do corpo do modelo para simular a característica translúcida observada em peixes reais. Para tal utilizaram-se algumas das ferramentas existentes no Photoshop. Figura 47 - Mapa de transparências do modelo do peixe A Figura 48 mostra o mapa especular do modelo, o qual providencia a modulação necessária para os pontos do modelo mais brilhantes. Para tal, é necessário pegar 70/85

73 no negativo da imagem em tons de cinzento e cortar-lhe os olhos do peixe, pois estes necessitam de ter um brilho mais suave. Figura 48 - Mapa de pontos especulares do modelo do peixe A Figura 49 mostra o mapa de altos (bump map), o qual modela a superfície de maneira a providenciar a ilusão dos relevos da textura do peixe. Isto vai permitir criar com maior detalhe no final as escamas do peixe. De notar que se cortaram da textura em tons de cinzento original, aquilo que iria ser as áreas escamadas e substituiu-se por uma textura de escamas. Figura 49 - Mapa de altos do modelo do peixe Agora que os mapas de textura e do modelo estão prontos, basta carrega-los para a aplicação 3D e aplicar os canais apropriados a cada material: cor, especularidade, relevos e transparência. Neste caso, foi utilizado um mapeamento plano no eixo dos x das texturas. Finalmente, carrega-se a imagem em tons de cinzento e aplica-se o canal de iluminação difusa. 71/85

74 No rendering final utilizou-se um plugin de sombreamento para o motor de rendering Lightwave denominado HSVBoost, o qual ajusta o nível de saturação do peixe, baseando-se no angulo da câmara e na geometria, adicionando um toque de realismo final. Figura 50 - Imagem de um peixe gerada por computador Para concluir este primeiro caso prático de geração de imagens foto-realistas, apesar desta imagem ter sido gerada a partir de texturas já existentes, poder-se-ia modelar tais texturas sem termos que recorrer a imagens já existentes. Outro aspecto é que apesar de este caso ter sido desenvolvido com recurso á ferramenta Lightwave [38], poder-se-ia ter utilizado outra ferramenta como o Maya para produzir o modelo e o PRMan para fazer o rendering da imagem. V.2. Caso 2 Final Fantasy: The Spirits Within Um caso prático importante na historia da geração de imagens foto-realistas é o filme Final Fantasy: The Spirits Within [39]. As personagens e os cenários deste filme, gerado por computador, são bastante reais. Realizado por Hironobu Sakaguchi, nos estúdios da Square, no Hawai, este filme foi baseado numa série de jogos homónimos ao filme. Dado que são bastantes os pormenores técnicos 72/85

75 intrínsecos ao filme, e muitos deles saem do âmbito deste trabalho, apenas vou dar uma pequena introdução ás tecnologias utilizadas na sua produção, nomeadamente, quais as plataformas utilizadas, software e hardware, assim como algumas estatísticas em termos computacionais relativamente ao rendering das cenas. V.2.1. Software Para a produção deste filme foi utilizado software de modelação e de rendering separados. O principal software utilizado para a modelação das cenas, assim como para a animação e iluminação, foi o Maya. Para a realização do rendering foi utilizado o PRMan. Algum do rendering foi também realizado pelo motor de rendering do próprio Maya, para elaborar os efeitos de explosões e outros semelhantes. Foi também utilizado o MTOR (Maya TO Renderman) da Pixar, para realizar as conversões de rendering entre o Maya e o PRMan. Para além deste software, foi produzido software à medida, como o SqFlex para a modelação de cabelos e roupas das personagens, e o SQB, que é um software de controlo e acesso á renderfarm 2, entre outros. V.2.2. Hardware Todo o hardware utilizado na produção deste filme veio da SGI. Todos os artistas do filme usaram SGI Octane (perto de 167) como plataforma para composição de imagem e o 4 Onyx para a previsão de cenas do filme. Utilizaram, ainda o 16 Origin 2000 principalmente para processamento por lotes do software MTOR e vários Origin 200 como servidores de armazenamento. A renderfarm consiste de aproximadamente 1000 servidores Pentium III, personalizados, em armários (rack mounted). 2 Conjunto de servidores que providenciam potência de rendering (processamento paralelo) para as cenas mais complexas e mais longas 73/85

76 Os sistemas operativos utilizados nestas plataformas foram, para a renderfarm, Red Hat Linux 6.2, e para os outros, o sistema operativo da SGI, o IRIX. Um aspecto interessante acerca do software criado internamente na Square, o SQB, era que para além de controlar o acesso ás maquinas Origin 2000, também usava os computadores dos artistas quando estes não estavam a ser utilizados. Contabilizase que aproximadamente 1400 a 1500 computadores foram utilizados na produção deste filme. V.2.3. Estatísticas de Rendering Nº de polígonos em personagens secundárias ou vistos á distância: ~ Nº de polígonos em personagens principais, em close-up: ~ Nº de polígonos em geometria facial: ~ Nº de polígonos em pestanas e sobrancelhas: ~ Nº de polígonos em cabelos: ~ (Estes valores podiam duplicar em alturas em que o rendering era realizado na mais alta resolução pelo PRMan.) Tempo de rendering (em bruto): dias (caso fosse utilizado um só processador). Nº de Total de Frames: Tempo estimado de rendering por frame: 90 minutos. Imagem com o número mais elevado de camadas: 498 camadas. Espaço ocupado: ~4TB. Estas estatísticas foram realizadas apenas para o rendering final, não contabilizando testes, revisões, etc. Para finalizar este caso prático, apenas há a salientar o pormenor de que este foi o primeiro filme onde tentaram (ou conseguida) a criação de actores totalmente gerados por computador. De seguida são mostradas algumas das imagens geradas 74/85

77 para este filme, onde se pode constatar o realismo conseguido pelos artistas desta produção. 75/85

78 Figura 51 Imagens retiradas do filme Final Fantasy: The Spirits Within V.3. Caso 2 Shrek & Shrek 2 Este último caso prático é um tanto ao quanto diferente dos outros, pois neste caso não se tentou, a princípio, gerar imagens foto-realistas, mas sim um mundo imaginário, de conto de fadas [40]. Realizado por Andrew Adamson, nos estúdios da PDI Dreamworks, o objectivo deste caso prático é o de sendo um mundo imaginário com personagens fictícias, irreais ou não existentes (não existem ogres no mundo real), o uso de técnicas de geração de imagens foto-realistas podem igualmente ajudar a criar mundos imaginários com características bastante reais (os edifícios, paisagens, a iluminação 76/85

79 ambiente, etc.), tornando-os não tão irreais. È também de salientar que o uso das tecnologias é bastante diferente do caso anterior [41]. Tal como para o caso prático anterior, aqui apenas se mostrar qual a tecnologia utilizada na produção deste filme, mas ao contrário do anterior neste caso não existe muita informação disponível acerca dos pormenores técnicos de rendering. V.3.1. Software Tanto para o Shrek como para o Shrek 2, o ambiente de modelação e animação foi o Maya [42]. Nada existe informação disponível acerca dos motores de rendering utilizados, mas visto que os serviços de rendering foram contratados á Hewlett- Packard (HP) (ver mais á frente os detalhes) é possível que seja um motor proprietário da própria empresa [41]. V.3.2. Hardware Inicialmente, no Shrek, a PDI utilizou uma renderfarm com maquinas SGI Origin 200 e Onyx2, as quais corriam o sistema operativo IRIX 6.5 e SGI e Pentium III a correr Linux. Nesta altura contabilizou-se um total de 1482 máquinas em produção e um total de 6,5 TB de espaço de armazenamento [43]. Para o Shrek 2 a PDI decidiu apostar noutra abordagem. A HP providencia um serviço denominado Utility Rendering Service. Este serviço disponibiliza um centro de computação com cerca de 500 servidores (aproximadamente 1000 processadores, que em conjunção com os da PDI contabilizava um total de ~3000 processadores) construídos a partir de servidores HP ProLiant DL 360, os quais correm Linux, e computadores HP ProCurve. Como estações de trabalho os artistas utilizaram igualmente máquinas HP equipados com dois processadores Pentium IV a correr Linux [44]. 77/85

80 V.3.3. Estatísticas de rendering (Shrek 2): Quantidade total de espaço ocupado: 20 TB Tempo médio de rendering de cenas: 12 horas Tempo médio de rendering de cenas as quais envolvem um grande número de personagens secundárias: horas Tempo total de rendering (estimado): horas (caso fosse utilizado um só processador). Para concluir este último caso prático, existe apenas um aspecto interessante em relação à tecnologia utilizada. Neste filme foram aplicados, pela primeira vez, conhecimentos relacionados com iluminação global. De seguida são apresentadas algumas das imagens geradas para este filme. 78/85

81 Figura 52 Imagens retiradas do filmes Shrek e Shrek 2 V.4. Sumário Tal como defendido neste trabalho, Kevin Bjorke, Supervisor de rendering e de sombreamento do filme Final Fantasy: The Spirits Within, os motores de rendering de iluminação directa como o PRMan estão a chegar ao limite do realismo que oferecem, pelo que acredita que iluminação global é a tendência de futuro [39]. Dado 79/85

82 que o Final Fantasy: The Spirits Within é de 2001, e o Shrek 2 é de 2004, esta tendência já se faz sentir. 80/85

83 Capítulo VI. Conclusão O rendering foto-realístico, como podemos constatar, não é uma novidade. Desde 1968, com a implementação do primeiro método de traçagem de raios, que se pretende atingir a perfeição apresentada pelas fotografias e mesmo pelo ambiente que nos rodeia. Apesar de neste trabalho terem sido abordados apenas os aspectos necessários para se obter uma imagem foto-realista com base em técnicas de iluminação global, convém não esquecer que, para se obter uma boa imagem, é necessário muito mais do que os cálculos desta técnica. Existem outros factores quase tão importantes como estes cálculos que não podem ser negligenciados. Hoje em dia verifica-se também que, com a evolução do hardware, a capacidade computacional de um único chip é suficiente para efectuar a traçagem de raios em tempo real. O primeiro método inicialmente implementado para iluminação global, a traçagem de raios, é um dos métodos mais utilizados ao nível do software, mas começa a surgir também no hardware mais recente. No que se refere aos dispositivos de saída, o que se verifica hoje em dia é que cada vez mais existem dispositivos de grandes dimensões e que recorrem a novas tecnologias. Será lícito admitir que vai ser necessária uma revisão aos algoritmos existentes devido à dimensão desses dispositivos em termos de pixeis e, com o aparecimento de novos dispositivos, diferentes dos que são utilizados actualmente (por exemplo, dispositivos holográficos) serão necessárias novas abordagens. 81/85

84 Numa tendência de futuro, nota-se que existe um esforço generalizado para que as técnicas de iluminação global sejam utilizadas como base para a geração de imagens foto-realistas. Com a introdução de chips programáveis, e outras tecnologias aceleradoras do cálculo de iluminação, os algoritmos de tal iluminação tornar-se-ão ainda mais poderosos e abrangentes. Cada vez mais, a computação gráfica é uma das disciplinas da informática que mais entusiastas e praticantes atrai, provavelmente por ser um dos domínios da informática que interage com as mais diversas áreas (arquitectura, indústria, arte cinematográfica, etc.). Esta foi a principal motivação que me levou a elaborar este trabalho. 82/85

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