Modelo gráfico do VTK: fundamentos e aplicações

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1 Modelo gráfico do VTK: fundamentos e aplicações J. Barbosa J. Tavares 1 Visualização Científica

2 Modelo gráfico do VTK Principais classes do modelo gráfico do VTK: Render Window Renderer Light Camera Actor Protected Attributes:» vtkproperty *Property» vtktransform *Transform» vtkmapper *Mapper 2 Visualização Científica

3 Modelo gráfico do VTK Um cena é composta: Pelo menos por um actor, uma câmara e uma fonte de luz; Se os objectos câmara e luz não são definidos, são criados automaticamente pelo renderer. Câmara : determina a projecção da geometria 3D numa imagem 2D Actor : o objecto visível Luz : representa e manipula a iluminação da cena (em 3D) 3

4 Actor (vtkactor) vtkactor é usado para representar uma entidade na cena. Herda de vtkprop3d funções relacionadas com a posição e orientação do actor. class vtkactor : public vtkprop3d {...} Exemplo: RotateX(float) RotateY(float) RotateZ(float)... AddPosition(float, float, float); vtkproperty *Property Atributo da classe que descreve as propriedades gráficas do actor, nomeadamente: a) Parâmetros de iluminação/cor (ambiente, difusa, especular) b) Modo de representação do actor (pontos, wireframe, superfície) c) Método de preenchimento da superfície (flat, Gouraud e Phong) d) Características especiais: Backface properties 4

5 Parâmetros de Iluminação/Cor vtkproperty:: SetColor (float r, float g, float b) atribui a mesma cor à componente Ambiente, Difusa e Especular. vtkproperty::setambientcolor (float,float,float) vtkproperty::setdiffusecolor (float,float,float) vtkproperty::setspecularcolor (float,float,float) vtkproperty::setspecularpower (float,float,float) vtkproperty::setopacity (float) 5 Visualização Científica

6 Exemplo de utilização vtkcylindersource *cylinder = vtkcylindersource::new(); cylinder->setresolution(8); vtkpolydatamapper *cylindermapper = vtkpolydatamapper::new(); cylindermapper->setinput(cylinder->getoutput()); // The actor is a grouping mechanism: besides the geometry (mapper), it // also has a property, transformation matrix, and/or texture map. // Here we set its color and rotate it degrees. vtkactor *cylinderactor = vtkactor::new(); cylinderactor->setmapper(cylindermapper); cylinderactor->getproperty()->setcolor(1.0000, , ); cylinderactor->getproperty()->setopacity(0.5); cylinderactor->rotatey(-22.5); 6 Visualização Científica

7 Modelo de Iluminação A fonte de luz emite raios em todas as direcções. A superfície dos objectos absorve parte da luz incidente e reflecte o restante. 7

8 Modelo de Iluminação a) Iluminação ambiente Corresponde à iluminação proveniente de inúmeras reflexões entre objectos. R a = L a.o a L a intensidade da fonte de luz O a corresponde à cor atribuída ao objecto. A intensidade R a é constante em todas as direcções. Se considerássemos apenas esta componente para definir a luz reflectida pelo objecto, então todas as faces teriam a mesma intensidade luminosa, como mostra a figura. A luz reflectida é uniforme em toda a face e independente da posição do observador. As arestas não se distinguem. NOTA: Por defeito a cor da luz é branca. L a : vtkproperty::setambient (float) Visualização Científica O a : vtkproperty::setambientcolor(float,float,float ) (os valores dos parâmetros estão no intervalo [0,1]) 8

9 Modelo de Iluminação b) Reflexão Difusa A reflexão difusa devida a uma fonte de luz pontual é calculada de acordo com o a lei de Lambert: a intensidade de luz reflectida depende do ângulo de iluminação. O brilho do objecto varia dependendo da orientação da superfície e da distância à fonte de luz. R d =L d O d cos(θ) θ θ é o ângulo de incidência da fonte de luz. Se a normal à superfície for o vector unitário N e a direcção do raio de iluminação pelo vector unitário L, então cos(θ)=n.l Nota: A intensidade de luz reflectida não depende da posição do observador, depende apenas do ângulo de incidência da luz. L d : vtkproperty::setdiffuse(float) O d : vtkproperty::setdiffusecolor(float,float,float ) 9

10 Modelo de Iluminação Somando as duas componentes: R L = R a + R d Apenas componente difusa Componente ambiente + difusa 10

11 Modelo de Iluminação c) Reflexão Especular Reflexão observável em superfícies brilhantes, como por exemplo metal. θ θ α R : direcção de reflexão máxima α : Ângulo entre R e a direcção do observador. R s =L s O s cos n (α) A reflexão especular depende da posição do observador. Numa superfície reflectora ideal (espelho ideal), a luz é reflectida apenas na direcção R. Numa superfície não ideal, a direcção R terá a maior intensidade de reflexão; as outras direcções terão intensidades inferiores. L d : vtkproperty::setspecular(float) O d : vtkproperty::setspecularcolor(float,float,float ) n : vtkproperty::setspecularpower(float) 11

12 Modelo de Iluminação A intensidade da reflexão especular é proporcional a cos n (α), em que n depende das características da superfície (valor 1 para faces não polidas e por exemplo 200 para faces perfeitamente polidas). Efeito especular Iluminação obtida para diferentes valores de L s e n. L a =L d =1 Da esquerda para a direita, n=3.0, 5.0, 10.0, 27.0, Visualização Científica De cima para baixo L s =0.1, 0.25, Executar exercício 1

13 Métodos de Interpolação da Superfície Objectivo: calcular a cor de cada ponto das superfícies visíveis. Solução brute-force: calcular a normal em cada ponto e aplicar o modelo de iluminação. Modelos para colorir superfícies definidas por malha poligonal: 1. Sombreamento Constante (Flat) 2. Sombreamento Interpolado a. Algoritmo de Gouraud b. Algoritmo de Phong vtkproperty::setinterpolationtoflat () vtkproperty::setinterpolationtogouraud() vtkproperty::setinterpolationtophong() 13

14 Métodos de Interpolação da Superfície Sombreamento Constante (FLAT) A cor é calculada apenas para um ponto do polígono e aplicada a todos os restantes. Esta técnica considera as seguintes condições: A fonte de luz está no infinito, de modo que N.L é constante em qualquer ponto do polígono (raios paralelos). O observador está no infinito, de modo que N.V é constante em qualquer ponto do polígono A face é a própria superfície a modelar e não é uma aproximação de uma superfície curva 14

15 Métodos de Interpolação da Superfície Sombreamento Interpolado Na solução anterior se aproximarmos uma superfície curva por uma malha poligonal verificamos descontinuidade de cor entre polígonos adjacentes. As soluções apresentadas a seguir ultrapassam este problema determinando a cor de um ponto por interpolação da cor definida nos vértices do polígono. Modelo de Gouraud 1. Para cada vértice da malha poligonal calcular o vector normal à superfície. Podem ser calculadas pela expressão analítica da superfície ou interpolando a normal dos polígonos vizinhos. N 15

16 Métodos de Interpolação da Superfície Modelo de Gouraud 2. Calcular a cor de cada vértice através do modelo de iluminação. 3. Calcular a cor dos restantes pontos do polígono por interpolação. P V2 R V3 Q Cor do ponto P é obtida por interpolação da cor em V1 e V2. Q interpolação de V3 e V4 R interpolação de P e Q V1 V4 16

17 Métodos de Interpolação da Superfície Modelo de Gouraud Calculo dos valores interpolados 17

18 Métodos de Interpolação da Superfície Modelo de Phong Efectua a interpolação das normais em vez da cor. 1. Para cada vértice da malha poligonal calcular o vector normal à superfície. Podem ser calculadas pela expressão analítica da superfície ou interpolando a normal dos polígonos vizinhos. 2. As normais nas arestas são calculadas através das normais nos vértices. As normais nos restantes pontos usam os pontos das arestas na mesma linha de varrimento. 3. O modelo de iluminação é aplicado em cada ponto. N2 V2 V3 A normal em P é obtida por interpolação da normal em V1 e V2. Q interpolação de V3 e V4 R interpolação de P e Q N1 P V1 R Q V4 18

19 Métodos de Interpolação da Superfície O cálculo da iluminação em cada pixel exige o mapeamento inverso para coordenadas do objecto depois de determinada a normal. Reflexão especular com sombreamento pelo modelo de Gouraud a) e c) e Phong b) e d) a) b) c) d) Reflexão máxima no vértice esquerdo. Reflexão máxima no centro do polígono. 19

20 Problema do Sombreamento Interpolado O resultado depende da orientação do polígono. Em (a) o cálculo de P usa as cores dos vértices A,D,B. Em (b) o cálculo de P usa as cores dos vértices A,B,C. Rotação de 90º Resultado 20

21 Outros métodos de vtkproperty vtkproperty::setrepresentationtopoints () vtkproperty::setrepresentationtowireframe() vtkproperty::setrepresentationtosurface () vtkproperty::backfacecullingon () vtkproperty::backfacecullingoff () Turn on/off fast culling of polygons based on orientation of normal with respect to camera. If backface culling is on, polygons facing away from camera are not drawn. BackfaceCulling off BackfaceCulling on Executar exercício 2 21 Visualização Científica

22 Luz Cromática Modelo de cor RGB Modelo utilizado nos CRT Modelo aditivo Cores primárias: R, G, B Preto = (0, 0, 0) Branco = (1, 1, 1) Cubo RGB A diagonal (0, 0, 0) a (1, 1, 1) representa os níveis de cinzento, com igual contribuição das 3 cores primárias. 22 Visualização Científica

23 Luz Cromática Modelo HSV Modelo orientado para o utilizador HSV (Hue, Saturation, Value) Topo: V = 1, onde se encontram as cores mais brilhantes Ângulo em torno do eixo vertical: H = 0º, corresponde ao vermelho H = 120º, corresponde ao verde Cores complementares: entre si, um ângulo de 180º Saturação: varia de 0 (no centro) a 1 (na periferia) 23

24 Exemplos: Luz Cromática Modelo HSV S = 0 e V = 1 branco S = 0 e V = cinzentos H = 0 e S = 1 e V = 1 vermelho puro V = 1 e S = 1 cores puras (fronteira no topo) V = 1 e juntando branco tintos (decremento de S) S = 1 e juntando preto sombreados (decremento de V) Variando S e V tons Corresponde ao modelo dos artistas 24

25 Luz Cromática Modelo HSV O topo da pirâmide do modelo HSV corresponde à projecção do cubo RGB visto ao longo da sua diagonal a partir do branco para o preto. Variando V de 1 a 0 O cubo RGB surge mais pequeno A diagonal do cubo RGB corresponde ao eixo V É nesta correspondência que se baseiam os algoritmos de conversão entre os dois sistemas RGB HSV e HSV RGB 25

26 Luz Cromática Modelo HSV Exemplo de interacção para especificação interactiva da cor: 26

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