Técnicas de rendering. Realismo

Transcrição

1 Realismo O que é? É o efeito da interação da luz com os objetos Onde usar? Simulação Projeto Entretenimento Pesquisa Educação Controle Multimídia e Hipermídia Técnicas de rendering Plantas Projeções Depth cue Depth clipping (recorte em profundidade) Texturas Cor Determinação das linhas/superfícies visíveis Maiores diferenças entre algoritmos: Tipos de modelos Diferenças entre as saídas Complexidade da imagem Etapas do processo Modelagem dos objetos e sua colocação na cena Projeção dos objetos (polígonos) Eliminação de linhas/superfícies escondidas ( hidden lines/surfaces ) Aplicação de modelos de iluminação e tratamento da luz ray tracing radiosidade Aplicação de modelos de texturas Histórico Início: remoção de linhas e superfícies invisíveis; uso em CAD; vídeos com qualidade pobre de representação Primeiros algoritmos: década de 60;lentos Eliminação de linhas visíveis: representação em wireframe ou modelos de arame 970: aparecimento de tecnologia raster a custo competitivo Uso de cor, com grande quantidade de cores e matizes; taxa de 30 imagens/segundo (mínima) Eliminação de superfícies invisíveis Uso de texturas (ainda um problema em aberto) Page

2 Tipos de algoritmos Trabalham no espaço do objeto Todos os cálculos são realizados com precisão arbitrária ( a do computador que executa o algoritmo). Todos os cálculos efetuados são exatos; a imagem calculada é exata e pode ser reprodu-zida em qualquer tamanho. Trabalham no espaço da imagem A solução é calculada com menor precisão (resolução da tela). A intensidade luminosa é calcu-lada para cada uma das Nx por Ny posições da tela. São algoritmos mais baratos, porém estão amarrados àquela precisão de tela escolhida. Tipos de algoritmos Algoritmos de listas de prioridades Solução intermediária entre as duas catego-rias; funcionam parcialmente em cada espaço. espaço do objeto: cálculos de superposi-ção em profundidade feitos com precisão. espaço da imagem: etapas finais, limita-das pela tecnologia dos vídeos. arestas espaço do objeto volumes a priori lista de prioridades espaço da imagem área dinâmicos pontos Principais técnicas envolvidas A maioria dos algoritmos para eliminação de su-perfícies escondidas emprega o princípio da orde-nação: objetos (polígonos) são ordenados em re-lação a sua distância do observador. Normalmente, são classificados de acordo com esta distância. Múltiplos recursos e técnicas são utilizados e combinados no processo, partindo-se dos mais econô-micos para os mais complexos. Um mesmo proces-so não é capaz de resolver todos os casos. Princípio da coerência: é a semelhança local. Ex: se um ponto da tela, ou uma linha, possui uma deter-minada cor ou brilho (quantidade de energia), é bem provável que seus vizinhos também os possuam. Principais técnicas envolvidas (cont.) Polígonos envoltórios ( extents ) - delimitam a área ocupada por um objeto. Pode-se verificar se existe superposição entre os objetos, testando-se os seus envoltórios. ymax =ymax 2 y ymin ymin 2 xmin xmax xmin 2 xmax 2 x Não há superposição Testes minimax - são usados para verificar a superposição entre os máximos: em x-y ou em z. Page 2

3 Iluminação e sombreamento Modelo de iluminação - é uma fórmula utilizada pa-ra calcular o espectro luminoso de um píxel da imagem Espectro luminoso - é uma função f(λ), que devolve a intensidade luminosa para cada comprimento de onda visível λ. O espectro também pode ser descri-to fornecendo a intensidade das três cores primá-rias: verde, azul e vermelho. Modelo de iluminação local - considera somente a luz incidente diretamente da fonte, a orientação e as características da superfície e a posição do ob-servador para determinar o espectro da luz refletida para o observador. Iluminação e sombreamento Modelo de iluminação global - considera a-lém dos elementos mencionados para a ilumi-nação local, a luz que chega aos pontos atra-vés da reflexão em outros objetos ou pela transmissão a partir de outros objetos do ambiente. Características das superfícies - conjunto de parâmetros que determinam o aspecto visual da superfície: cor grau de polimento grau de transparência (translucência) Iluminação e sombreamento Simplificações: Representação dos objetos - através de sua geometria exata (esfera, cilindro) ou de aproximações poliédricas. Modelos de iluminação - derivados das leis da ótica ou da radiação térmica, com simplifica-ções que funcionam relativamente bem na prá-tica. Integração com algoritmos de superfície escon-dida - algumas superfícies não estão de fato escondidas, e sim escondidas parcialmente, po-dendo ser vistas através do objeto ou refletidas por outros objetos da cena. Modelo de iluminação local - Existem várias fontes de luz; o tratamento de cada uma é feito isoladamente através de vários modelos super-postos: iluminação ambiente reflexão especular reflexão difusa (reflexão de Lambert) Iluminação ambiente - se não há fonte de luz externa, o objeto é apresentado usando uma coloração intrínsica própria. O objeto se aparece como uma silhueta monocromática, a menos que certas partes recebam um certo grau de sombreamento. Tudo funciona como se o objeto tivesse luz própria. Page 3

4 a luz ambiente é considerada como uma fonte de luz não direcionada, difusa, resultante de reflexões múltiplas da luz nos inúmeros objetos presentes no ambiente. A luz ambiente chega igualmente a todas as superfícies e provém de todas as direções. I = I a k a, onde I a é a intensidade da luz ambiente k a é o coeficiente de reflexão do ambiente, variando entre 0 e, e é uma propriedade do material. Não representa um parâmetro real, e tem pouco interesse. Corresponde a uma iluminação uniforme da superfície. Porém serve para dar realismo. Reflexão difusa (Lei de Lambert) - A superfície aparece igualmente iluminada de qualquer ângulo de visão, porque a superfície reflete a luz igual-mente em todas as direções. A intensidade lumi-nosa (brilho) só depende do ângulo com que a luz incide na superfície. A reflexão difusa caracteriza a cor do objeto. I = I p. k d. cos θ L θ I p - intensidade luminosa da N I p luz incidente k d - coeficiente de iluminação difusa P A reflexão de Lambert caracteriza-se pelo fato de que o raio refletido é função do comprimento de onda da luz incidente, ou seja, da cor do raio lumi-noso. A fonte luminosa é considerada como com-posta por três componentes: I pr (vermelho), I pg (verde) e I pb (azul). Da mesma forma, o coeficiente de reflexão difusa é decomposto em três coeficientes, um para cada componente da cor: k dr, k dg e k db. Estes coefi-cientes são característicos da cor do objeto. Pode-se dizer que existe um componente de cor do objeto, representado pelo vetor < O dr, O dg, O db >, que podem ser compostos com o coeficiente k d, para formar k dr, k dg e k db. I dr = I pr. (k d O dr ). ( N. L) cos θ - se N e L, unitários O mesmo desenvolvimento vale para as demais componentes (verde e azul) Ex: k dr = 0.5, k dg = 0.5, k db = 0 objeto amarelo k dr = 0., k dg = 0., k db = 0. objeto preto k dr = 0.9, k dg = 0.9, k db = 0.9 objeto branco Page 4

5 Reflexão especular - No caso da reflexão especu-lar o raio refletido em cada direção depende do ângulo formado entre esta direção e a direção do raio incidente, conforme mostrado pela figura. A reflexão não depende do comprimento de onda da luz incidente. O sol refletido num carro vermelho continua amarelo. L - raio incidente R - direção da reflexão L N perfeita (máximo brilho) I p θ θ R α V - posição do observador (reflexão imperfeita) P I S = k S O S. I p ( R. V ) n cos α, se V e R unitários k S = coeficiente de reflexão especular - W (θ) n - controle de brilho W(Θ) 0 0 o Θ 90 o Prata Ouro Vidro < n < 00s - representa o grau de poli-mento da superfície: - n alto - superfícies metálicas (refl. pontual) - n baixo - superfícies que não refletem: papel, vidro Cos α Cos 2 α Cos 8 α Cos 64 α Atenuação da fonte luminosa A atenuação do brilho com a distância permite diferenciar objetos próximos de objetos distantes. A energia que atinge um ponto decresce com o quadrado da distância entre o objeto e a fonte. O fenômeno até hoje é mal conhecido. Adotam-se modelos aproximados: f att = Ruim, se o objeto estiver distante 2 d f att L = max(, ) 2 c + c2. d L + c3. d c, c, c são constantes que caracte- 2 3 L rizam a fonte Page 5

6 Múltiplas fontes de iluminação M fontes somam-se os efeitos de cada uma. Sombreamento Utilizam-se, geralmente, modelos para polígonos [ k O ( N. L) k O ( R V ) ] n m λ = I ak aodλ + f att d dλ + i= I i. S Sλ i N 3 N 4 N v N N 2 - Força bruta - aplicar o modelo a cada ponto do polígono e calcular seu brilho pelas fórmulas apresentadas Caro! Sombreamento constante ( Flat shading Fonte no infinito N. L = constante Observador no infinito N. V = constante O polígono é a superfície a ser iluminada e não uma aproximação Modelo de Gouraud O brilho é interpolado entre os vértices que defi-nem uma linha. Dentro do polígono, a interpolação é feita ao longo de uma linha de varredura y I a I I p I b I a = I - (I -I 2 ).(y -y s )/(y -y 2 ) I b = I - (I -I 3 ).(y -y s )/(y -y 3 I p = I b - (I b -I a ).(x b -x p )/(x b -x a ) A cor e brilho é constante em todo o polígono, sem variações de cor. Um cubo se projeta como um hexágono I 2 I 3 x Normais devem ser conhecidas nos vértices e ao longo das arestas Page 6

7 Cálculo das normais Modelo de Phong Como a interpolação do brilho não dá a noção de realismo desejada, interpola-se a normal e recalculase o brilho em cada ponto da aresta. N V = n n Ni / i= i= N i Observação: Existem numerosos problemas com qualquer um dos modelos. Global Incluem refrações e reflexões nos outros ob-jetos que compõem a cena Transparência Objeto opaco O 3 O 2 Objeto transparente refração Reflexões O Fonte luminosa Raio sem refração Raio refratado Translucência Page 7