Prof. Fernando V. Paulovich 26 de maio de 2015

Transcrição

1 Modelos de Iluminação SCC Computação Gráfica Prof. Fernando V. Paulovich paulovic@icmc.usp.br Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) Universidade de São Paulo (USP) 26 de maio de / 92

2 Introdução Sumário 1 Introdução 2 Fontes de Luz 3 Efeitos de Luz em Superfícies 4 Programação OpenGL (Iluminação) 5 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) 2 / 92

3 Introdução Sumário 1 Introdução 2 Fontes de Luz 3 Efeitos de Luz em Superfícies 4 Programação OpenGL (Iluminação) 5 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) 3 / 92

4 Introdução Introdução Imagens reaĺısticas são criadas usando projeções perspectivas, aplicando-se efeitos de iluminação natural às superfícies visíveis por meio de um modelo de iluminação (shading model) De forma geral, modelar os efeitos da luz sobre um objeto é processo complexo que envolve princípios físicos e psicológicos 4 / 92

5 Introdução Introdução Os modelos físicos envolvem vários fatores, como propriedades dos materiais, posição do objeto em relação a luz e outros objetos, e características das fontes de luz Objetos podem ser opacos ou mais ou menos transparentes, podem ser finos ou grosseiros Fontes de luz podem ter vários formatos, cores e posições Os modelos de iluminação em computação gráfica são na maioria das vezes aproximações das leis físicas que descrevem efeitos de luz sobre superfícies 5 / 92

6 Fontes de Luz Sumário 1 Introdução 2 Fontes de Luz 3 Efeitos de Luz em Superfícies 4 Programação OpenGL (Iluminação) 5 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) 6 / 92

7 Fontes de Luz Fontes de Luz Qualquer objeto que emite energia brilhante é uma fonte de luz que contribui para os efeitos de luz dos outros objetos na cena Fontes de luz podem ter diferentes formas e características (posição, cor, direção de emissão, etc.), podendo emitir luz ou refletir luz Um lustre redondo de vidro ao redor de uma lâmpada vai emitir e refletir luz Em aplicações gráficas de tempo real, um modelo simples de iluminação normalmente é aplicado por causa do custo computacional Propriedades da emissão de luz são definidas usando valores distintos para cada componente de cor RGB, descrevendo suas intensidades 7 / 92

8 Fontes de Luz Fontes de Luz Puntuais O modelo mais simples de emissão de luz é fonte de luz puntual com uma única cor Definida por uma posição e a cor da luz emitida Os raios de luz são gerados em direções radiais divergentes a partir do ponto de luz Indicado para aproximar efeitos de luz quando a fonte de luz é pequena em comparação com os objetos da cena 8 / 92

9 Fontes de Luz Fontes de Luz Infinitamente Distantes Uma fonte de luz grande (p.ex. o sol) que está bem longe da cena pode ser aproximada como um ponto emissor bem distante dos objetos A iluminação é provida em uma única direção Uma fonte de luz distante é simulada definindo sua cor e uma direção da emissão dos raios, não é necessário especificar uma posição 9 / 92

10 Fontes de Luz Atenuação Radial da Intensidade A energia de radiação de uma fonte de luz a uma distância d l da origem tem sua amplitude atenuada por um fator 1/d 2 l Uma superfície próxima da fonte recebe uma maior intensidade de luz Para uma iluminação reaĺıstica essa atenuação deve ser levada em consideração Na prática uma atenuação de 1/d 2 l para fontes de luz puntuais não produz efeitos reaĺısticos Tende a definir uma alta variação da intensidade para objetos que estão próximos da fonte de luz e pouca variação quando d l é grande 10 / 92

11 Fontes de Luz Atenuação Radial da Intensidade Para produzir efeitos mais reaĺısticos com fontes puntuais usamos 1 f radatten (d l ) = a 0 + a 1 d l + a 2 d 2 l Os valores de a 0, a 1 e a 2 podem ser ajustados para se produzir efeitos de atenuação desejados Valores grandes podem ser assinalados a a 0 quando d l é muito pequeno para prevenir f radatten (d l ) de ficar muito grande 11 / 92

12 Fontes de Luz Atenuação Radial da Intensidade Esse cálculo de atenuação não pode ser empregado quando a fonte puntual estiver no infinito porque a distância à fonte é indeterminada Outro problema é que quase todos os pontos da cena ficariam quase a mesma distância da fonte de luz (baixo realismo) Para resolver esses problemas podemos usar { 1.0, se a fonte está no infinito f l,radatten = 1 a 0+a 1d l +a 2d, se a fonte é local 2 l 12 / 92

13 Fontes de Luz Fontes de Luz Direcional e Efeitos de Holofote Uma fonte de luz local pode ser modificada para produzir uma fonte direcional ou holofote Se um objeto está fora dos limites direcionais ele é eliminado da iluminação Uma fonte de luz direcional pode ser definida por meio de uma posição, da cor da luz, um vetor de direção e um limite angular θ l a partir desse vetor 13 / 92

14 Fontes de Luz Fontes de Luz Direcional e Efeitos de Holofote Podemos usar um vetor unitário V light na direção da fonte de luz e um vetor unitário V obj na direção da posição da luz para um objeto Considerando que cos α = V light V obj e limitando 0 0 θ l 90 0, então o objeto está dentro da região de luz se cos α cos θ l 14 / 92

15 Fontes de Luz Atenuação Angular de Intensidade Para uma fonte de luz direcional a atenuação ocorre angularmente e radialmente a partir da posição da fonte Permite simular cones de luz que são mais intensos ao longo do eixo do cone Uma função usual de atenuação é f angatten (φ) = cos a l φ, 0 0 φ θ Onde a l > 0 é um expoente de atenuação e φ é o ângulo medido a partir do eixo do cone Ao longo do eixo do cone φ = 0 0 e f angatten(φ) = 1.0 Quanto maior o valor de a l, menor o valor de f angatten(φ) dado φ > / 92

16 Fontes de Luz Atenuação Angular de Intensidade Considerando os vetores V light e V obj e assumindo que 0 0 < θ l 90 0 a equação geral para atenuação angular é definida por 1.0, se a fonte de luz não é direcional 0.0, se V f l,angatten = light V obj = cos α < cos θ l (objeto está fora do cone de luz) (V light V obj ) a l, caso contrário 16 / 92

17 Fontes de Luz Fontes de Luz Estendidas e o Modelo de Warn Para se incluir uma fonte de luz grande em uma posição próxima aos objetos da cena, podemos aproximar esse efeito como uma superfície que emite luz Podemos fazer isso modelando a superfície de luz como um grid de fontes direcionais 17 / 92

18 Efeitos de Luz em Superfícies Sumário 1 Introdução 2 Fontes de Luz 3 Efeitos de Luz em Superfícies 4 Programação OpenGL (Iluminação) 5 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) 18 / 92

19 Efeitos de Luz em Superfícies Efeitos de Luz em Superfícies Um modelo de iluminação computa os efeitos de luz para uma superfície usando várias propriedades óticas Quando a superfície é opaca, parte da luz é refletida e parte absorvida A quantidade de luz refletida depende do tipo de material da superfície Para uma superfície transparente, alguma luz é também transmitida através da mesma 19 / 92

20 Efeitos de Luz em Superfícies Efeitos de Luz em Superfícies Reflexão Difusa Superfícies irregulares tendem a refletir a luz em todas as direções, parecendo igualmente brilhantes a partir de qualquer ponto de vista A cor de um objeto é a cor da reflexão difusa com uma iluminação de luz branca Objetos azuis refletem a componente azul da luz branca Um objeto azul sobre luz vermelha ficará preto pois toda luz é absorvida 20 / 92

21 Efeitos de Luz em Superfícies Efeitos de Luz em Superfícies Reflexão Especular Alguma parte da luz refletida é concentrada em uma região mais brilhante O efeito de realce é mais pronunciado em superfícies de materiais brilhantes 21 / 92

22 Efeitos de Luz em Superfícies Efeitos de Luz em Superfícies Luz de Fundo ou Ambiente Efeito de iluminação produzido pela luz refletida de várias superfícies na cena A luz total refletida de uma superfície é a soma das contribuições da luz refletida pelas outras superfícies 22 / 92

23 Sumário 1 Introdução 2 Fontes de Luz 3 Efeitos de Luz em Superfícies 4 Programação OpenGL (Iluminação) 5 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) 23 / 92

24 Modelos precisos de iluminação computam toda a interação entre a radiação de luz e o material dos objetos Esses efeitos podem ser aproximados usando modelos empíricos com bons resultados Essa interação normalmente é computacionalmente muito cara, então aproximações para a iluminação ambiente são definidas 24 / 92

25 Luz Ambiente Luz de fundo pode ser incorporada definindo um nível de brilho geral para a cena Produz luz ambiente uniforme para todos os objetos, aproximando as reflexões difusas de todas superfícies da cena A quantidade de luz refletida dependerá das propriedades óticas (material) das superfícies O nível de luz ambiente em uma cena é definido por um parâmetro de intensidade I a 25 / 92

26 Reflexão Difusa A reflexão difusa pode ser modelada assumindo que a luz incidente é espalhada com igual intensidade em todas as direções independente da direção de visão Essas superfícies são chamadas de refletores difusos ideais (refletores Lambertinianos) 26 / 92

27 Reflexão Difusa Assumindo que toda superfície é um refletor difuso ideal (Lambertiniano), um parâmetro k d (coeficiente de reflexão difusa) pode ser usado para determinar a fração da luz incidente que será espalhada como reflexões difusas A reflexão difusa é constante, igual a luz incidente multiplicada por k d Para fontes de luz monocromáticas, 0.0 k d 1.0 Superfícies brilhantes apresentam valores de k d altos intensidade de reflexão próxima da incidente Valores de k d próximos de 0 definem superfícies que absorvem a luz 27 / 92

28 Reflexão Difusa Para efeitos de luz de fundo, as superfícies são completamente iluminadas pela luz ambiente I a definida para a cena, e a contribuição dessa para reflexão difusa é I ambdiff = k d I a Se somente luz ambiente é considerada, o efeito de iluminação obtido em uma cena é pouco interessante 28 / 92

29 Reflexão Difusa Quando uma superfície é iluminada com intensidade I l, a quantidade de luz incidente depende da orientação da superfície relativa a direção da luz O número de raios intersectando a superfície é proporcional a área da projeção perpendicular da superfície na direção da luz incidente 29 / 92

30 Reflexão Difusa Considerando um ângulo de incidência θ entre a direção da luz incidente e a normal da superfície A área projetada é proporcional a cos θ 30 / 92

31 Reflexão Difusa Assim podemos modelar a quantidade de luz incidente de uma fonte com intensidade I l como I l,incident = I l cos θ Com isso podemos modelar a reflexão difusa de uma fonte de luz com intensidade I l como I l,diff = k d I l,incident = k d I l cos θ 31 / 92

32 Reflexão Difusa Conforme o ângulo de incidência aumenta, a iluminação a partir da fonte de luz diminui Uma superfície somente será iluminada quando 0 0 θ 90 0, quando cos θ < 0.0, a luz estará atrás da superfície 32 / 92

33 Reflexão Difusa Considerando N como o vetor unitário normal a superfície e L o vetor unitário de direção da luz, então cos θ = N L E a equação de reflexão difusa para uma única fonte de luz puntual fica { kd I I l,diff = l (N L), se N L > 0 0.0, se N L 0 33 / 92

34 Reflexão Difusa O vetor unitário L é calculado usando a posição da superfície e a posição da fonte de luz L = P source P surf P source P surf Uma fonte de luz no infinito não tem posição, somente a direção de propagação Emprega-se o negativo da direção de emissão para a direção do vetor L 34 / 92

35 Reflexão Difusa Exemplo de iluminação difusa variando k d entre 0 e 1 Uma única fonte de luz puntual Sem luz ambiente 35 / 92

36 Reflexão Difusa Podemos combinar cálculos de fonte de luz ambiente e puntual para se obter a reflexão difusa em uma posição da superfície Introduz o coeficiente de reflexão ambiente k a para cada superfície para modificar a intensidade I a da luz ambiente Podemos escrever a equação de reflexão difusa total de uma única fonte puntual como { ka I I diff = a + k d I l (N L), se N L > 0 k a I a, se N L 0 Onde k a e k d dependem das propriedades do material da superfície 36 / 92

37 Reflexão Difusa Exemplo de iluminação difusa variando k d e k a 37 / 92

38 Reflexão Especular e Modelo de Phong A reflexão especular vista em uma superfície brilhante é o resultado da reflexão total (ou quase) da luz incidente em uma área concentrada ao redor de um ângulo de reflexão especular O ângulo de reflexão especular θ é igual ao ângulo de incidência da luz, opostos a normal da superfície N O vetor unitário R representa a direção de reflexão especular O vetor unitário L aponta na direção da fonte de luz puntual O vetor unitário V aponta na direção do visualizador 38 / 92

39 Reflexão Especular e Modelo de Phong Em um refletor ideal (espelho perfeito), a luz incidente é refletida somente na direção de reflexão especular, e será visível somente quando V e R coincidirem (φ = 0 0 ) Objetos que não são refletores ideais exibem reflexão especular ao redor de R em uma região finita Superfícies brilhantes tem um campo menor de reflexão especular Superfícies foscas tem um campo maior de reflexão especular 39 / 92

40 Reflexão Especular e Modelo de Phong O Modelo de Phong define a intensidade da reflexão especular proporcional a cos ns φ, com 0 0 φ 90 0 O expoente de reflexão especular n s é determinado pelo tipo de superfície Superfícies brilhantes apresentam valores altos de n s (p.ex. 100 ou mais) Para refletores perfeitos n s 40 / 92

41 Reflexão Especular e Modelo de Phong Diferentes gráficos de cos ns φ usando diferentes valores de expoente especular n s 41 / 92

42 Reflexão Especular e Modelo de Phong A intensidade da reflexão especular depende das propriedades dos materiais da superfície e do ângulo de incidência (θ) É possível aproximar as variações da intensidade especular usando o coeficiente de reflexão especular W (θ) A variação da intensidade especular é descrita pela Lei de Reflexão de Fresnel 42 / 92

43 Reflexão Especular e Modelo de Phong Usando a função W (θ) podemos escrever o modelo de Phong de reflexão especular I l,spec = W (θ) I l cos ns φ Onde I l é a intensidade da fonte de luz e φ é o ângulo de visão relativo a R 43 / 92

44 Reflexão Especular e Modelo de Phong Para a maioria dos materiais opacos, a reflexão especular é quase constante para todos os ângulos de incidência (θ) Podemos substituir W (θ) pelo coeficiente de reflexão especular k s O mesmo não ocorre para materiais transparentes 44 / 92

45 Reflexão Especular e Modelo de Phong Como V e R são vetores unitários, então cos φ = V R Se V e L estiverem do mesmo lado da normal N efeitos especulares não precisam ser calculados Assumindo que o coeficiente de reflexão especular é constante para qualquer material, podemos calcular I l,spec = { ks I l (V R) ns, se V R > 0 0.0, se V R 0 A direção de R pode ser obtida a partir de L e N 45 / 92

46 Reflexão Especular e Modelo de Phong A projeção de L na direção de N é (N cos θ) (projeção escalar), então R S = N cos θ R = N cos θ + S L + S S = N cos θ = N cos θ L De forma que o vetor de reflexão especular é obtido fazendo R = N cos θ + N cos θ L = N 2 cos θ L = N(2N L) L 46 / 92

47 Reflexão Especular e Modelo de Phong Exemplos de reflexão especular variando k s e n s em uma superfície esférica iluminada por uma única fonte de luz puntual 47 / 92

48 Reflexão Especular e Modelo de Phong O vetor V é calculado usando a posição da superfície e a posição de visão da mesma forma como o vetor L foi obtido Se apenas uma direção de visão é usada para todas as posições na tela, o cálculo da iluminação especular é acelerado mas o resultado final é pior 48 / 92

49 Reflexão Especular e Modelo de Phong Uma simplificação do modelo de Phong é obtida usando o vetor intermediário H entre L e V H = L + V L + V Se N H for usado no lugar de V R então trocamos o cálculo de cos φ pelo de cos α Se V for coplanar a L e R entre α = φ/2 49 / 92

50 Reflexão Especular e Modelo de Phong Para superfícies não planares, N H requer menos cálculos do que V R porque o cálculo de R em cada ponto da superfície envolve o vetor N Se a posição de visão e a fonte de luz forem distantes da superfície, V e L são constantes, então H é constante para todos os pontos da superfície H é a direção da superfície que produzirá a reflexão especular máxima na direção de visão 50 / 92

51 Reflexão Especular e Difusa Combinadas Para uma única fonte de luz puntual, podemos modelar a combinação das reflexões difusa e especular como I = I diff + I spec = (k a I a + k d I l (N L)) + k s I l (N H) ns 51 / 92

52 Reflexão Especular e Difusa Combinadas Para uma única fonte de luz puntual, podemos modelar a combinação das reflexões difusa e especular como I = I diff + I spec = (k a I a + k d I l (N L)) + k s I l (N H) ns A superfície será iluminada somente pela luz ambiente quando a fonte de luz estiver atrás da superfície (N L 0) 52 / 92

53 Reflexão Especular e Difusa Combinadas Para uma única fonte de luz puntual, podemos modelar a combinação das reflexões difusa e especular como I = I diff + I spec = (k a I a + k d I l (N L)) + k s I l (N H) ns A superfície será iluminada somente pela luz ambiente quando a fonte de luz estiver atrás da superfície (N L 0) Não existirá efeitos especulares se V e L estiverem do mesmo lado de N (N H 0) 53 / 92

54 Reflexão Especular e Difusa Combinadas Figura : Cena wire-frame (a), usando somente luz ambiente (b), reflexão difusa com luz ambiente e uma única fonte de luz puntual (c) e reflexão difusa e especular com luz ambiente e uma única fonte de luz puntual (d). 54 / 92

55 Reflexões Difusa e Especular de Múltiplas Fontes de Luz É possível usar a quantidade de fontes de luz que se deseja, para isso soma-se as contribuições de reflexão difusa e especular de cada fonte I = I ambdiff + n l=1 [I l,diff + I l,spec ] = k a I a + n l=1 I l[k d (N L) + k s (N H) ns ] 55 / 92

56 Superfícies Emissoras de Luz Em uma cena algumas superfícies podem emitir e refletir luz Podemos modelar esse efeito adicionando um termo de emissão I surfemission a iluminação de fontes diferentes e a iluminação ambiente Podemos simular esse efeito colocando uma fonte de luz atrás da superfície ou por meio de um conjunto de pontos sobre a superfície Na prática superfícies emissoras de luz não são usadas devido o custo computacional alto 56 / 92

57 Modelo de Iluminação Básico com Atenuação da Intensidade e Holofotes É possível formular uma modelo de iluminação monocromático geral como n I = I surfemission + I ambdiff + f l,radatten f l,angatten (I l,diff + I l,spec ) l=1 57 / 92

58 Modelo de Iluminação Básico com Atenuação da Intensidade e Holofotes Onde 0.0, se N L l 0.0 I l,diff = (fonte de luz atrás do objeto) k d I l (N L l ), caso contrário E 0.0, se N H l 0 I l,spec = (fonte de luz atrás do objeto) k s I l max{0.0, (N H l ) ns }, caso contrário 58 / 92

59 Considerações sobre Cor RGB Para cores RGB, as intensidades são modeladas com vetores de 3 elementos que designam os componentes vermelho, verde e azul I l = (I lr, I lg, I lb ) Similarmente os coeficientes de reflexão são também especificados para as 3 componentes de cor k a = (k ar, k ag, k ab ) k d = (k dr, k dg, k db ) k s = (k sr, k sg, k sb ) Assim cada componente de cor da superfície é calculada separadamente 59 / 92

60 Considerações sobre Cor RGB Para definir a cor de uma superfície, os coeficientes de reflexão são usados Por exemplo, para a definição de uma superfície azul, um valor diferente de zero para a componente k db deve ser escolhido enquanto as outras componentes são zeradas k dr = k dg = 0.0 Somente a luz azul é refletida, as outras são absorvidas pela superfície 60 / 92

61 Considerações sobre Cor RGB No modelo original de Phong, k s tinha valor constante Reflexão especular tem a mesma cor da luz incidente Pouco realismo, superfícies parecem plástico Para maior realismo a cor da reflexão especular é função do material da superfície Pode ser diferente da cor da luz incidente e da reflexão difusa I l,spec = k sb I lb max{0.0, (N H l ) ns } 61 / 92

62 Modelos de Iluminac a o Modelos Ba sicos de Iluminac a o Considerac o es sobre Cor RGB Exemplos de reflexa o considerando diferentes materiais e mu ltiplas fontes (coloridas) de luz 62 / 92

63 Programação OpenGL (Iluminação) Sumário 1 Introdução 2 Fontes de Luz 3 Efeitos de Luz em Superfícies 4 Programação OpenGL (Iluminação) 5 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) 63 / 92

64 Programação OpenGL (Iluminação) Funções de Iluminação e Rendering OpenGL Um objeto da classe Light deve ser criado 1 public class Light { public final void setposition(float[] position) {...} 5 6 public final void setambientcolor(float[] ambientcolor) {...} 7 8 public final void setdiffusecolor(float[] diffusecolor) {...} 9 10 public final void setspecularcolor(float[] specularcolor) {...} public final void setconstantattenuation(float attenuation) {...} public final void setlinearattenuation(float attenuation) {...} public final void setquadraticattenuation(float attenuation) {...} public void init(gl3 gl, Shader shader) {...} public void bind() {...} 21 } Na implementação apresentada a cena conterá apenas uma fonte de luz 64 / 92

65 Programação OpenGL (Iluminação) Funções de Iluminação e Rendering OpenGL Um objeto da classe Material deve ser criado 1 public class Material { public final void setambientcolor(float[] ambientcolor) {...} 5 6 public final void setdiffusecolor(float[] diffusecolor) {...} 7 8 public final void setspecularcolor(float[] specularcolor) {...} 9 10 public final void setspecularexponent(float expoent) {...} public void init(gl3 gl, Shader shader) {...} public void bind() {...} 15 } 65 / 92

66 Programação OpenGL (Iluminação) Funções de Iluminação e Rendering OpenGL Após isso esses objetos devem ser inicializados e passados para a GPU (bind(...)) 1 public class Example09a implements GLEventListener { private final Light light; 4 private final Material material; 5 7 public void init(glautodrawable drawable) { 8 // Get pipeline 9 GL3 gl = drawable.getgl().getgl3(); //inicializa a luz 13 light.setposition(new float[]{2.0f, 2.0f, 2.0f, 1.0f}); 14 light.setambientcolor(new float[]{0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f}); 15 light.setdiffusecolor(new float[]{1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f}); 16 light.setspecularcolor(new float[]{1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f}); 17 light.init(gl, shader); 18 light.bind(); //deine material 21 material.init(gl, shader); 22 material.setambientcolor(new float[]{0.1f, 0.1f, 0.1f, 1.0f}); 23 material.setdiffusecolor(new float[]{1.0f, 1.0f, 0.0f, 1.0f}); 24 material.setspecularcolor(new float[]{1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f}); 25 material.setspecularexponent(64.0f); 26 material.bind(); 27 } 66 / 92

67 Programação OpenGL (Iluminação) Funções de Iluminação e Rendering OpenGL Algumas variáveis devem ser ativadas para o funcionamento correto de cenas 3D 1 public class Example09a implements GLEventListener { private final Light light; 4 private final Material material; 5 7 public void init(glautodrawable drawable) { 8 // Get pipeline 9 GL3 gl = drawable.getgl().getgl3(); gl.glclearcolor(1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f); 12 gl.glcleardepth(1.0f); //define valor de reset do depth buffer gl.glenable(gl.gl_depth_test); //ativa z buffer 15 gl.glenable(gl.gl_cull_face); //ativa face culling } 67 / 92

68 Programação OpenGL (Iluminação) Funções de Iluminação e Rendering OpenGL No momento do desenho, limpar o frame buffer e o depth buffer 1 3 public void display(glautodrawable drawable) { 4 // Recupera o pipeline 5 GL3 gl = drawable.getgl().getgl3(); 6 7 // Limpa o frame e o depth buffer 8 gl.glclear(gl3.gl_color_buffer_bit GL3.GL_DEPTH_BUFFER_BIT); 9 10 //desenha esfera 11 sphere.bind(); 12 sphere.draw(); // Fora execuo das operaes declaradas 15 gl.glflush(); 16 } 68 / 92

69 Programação OpenGL (Iluminação) Especificando as Cores da Fonte de Luz 69 / 92

70 Programação OpenGL (Iluminação) Especificando os Coeficientes de atenuação Radial É possível especificar os coeficientes de atenuação radial a 0, a 1 e a 2 usando 1 light.setconstantattenuation(1.0f); //define a0 2 light.setlinearattenuation(0.15f); //define a1 3 light.setquadraticattenuation(0.1f); //define a2 Os valores dos coeficientes podem ser inteiros ou de ponto flutuante positivos Os valores padrão para a atenuação radial são a 0 = 1, a 1 = 0 e a 2 = 0 (atenuação desativada) 70 / 92

71 Programação OpenGL (Iluminação) Especificando as Cores da Fonte de Luz 71 / 92

72 Programação OpenGL (Iluminação) Vertex Shader 1 #version uniform mat4 u_modelmatrix; 4 uniform mat4 u_projectionmatrix; 5 uniform mat4 u_viewmatrix; 6 7 in vec3 a_position; 8 in vec3 a_normal; 9 10 out vec3 v_normal; 11 out vec4 v_position; 12 out vec3 eye; void main(void) 15 { 16 v_position = u_viewmatrix * u_modelmatrix * vec4(a_position, 1.0); //camera na origem 19 eye = normalize(-v_position.xyz); //remove efeitos de escala da matriz (u viewmatrix u modelmatrix) 22 v_normal = transpose(inverse(mat3(u_viewmatrix * u_modelmatrix))) * a_normal; gl_position = u_projectionmatrix * v_position; 25 } 72 / 92

73 Programação OpenGL (Iluminação) Fragment Shader 1 #version struct LightProperties 4 { 5 vec4 position; 6 vec4 ambientcolor; 7 vec4 diffusecolor; 8 vec4 specularcolor; 9 float constantattenuation; 10 float linearattenuation; 11 float quadraticattenuation; 12 }; struct MaterialProperties 15 { 16 vec4 ambientcolor; 17 vec4 diffusecolor; 18 vec4 specularcolor; 19 float specularexponent; 20 }; uniform LightProperties u_light; 23 uniform MaterialProperties u_material; 24 uniform mat4 u_viewmatrix; 25 uniform mat4 u_modelmatrix; in vec3 v_normal; 28 in vec4 v_position; 29 in vec3 eye; out vec4 fragcolor; / 92

74 Programação OpenGL (Iluminação) Fragment Shader void main(void) 3 { 4 vec3 normal = normalize(v_normal); 5 vec3 light_dir = vec3((u_viewmatrix * u_modelmatrix * u_light.position) - v_position); 6 7 float d = length(light_dir); 8 float att = 1.0 / (u_light.constantattenuation + 9 (u_light.linearattenuation*d) + 10 (u_light.quadraticattenuation*d*d)); light_dir = normalize(light_dir); vec4 Iamb = u_light.ambientcolor * u_material.ambientcolor; float diff = max(dot(light_dir, normal), 0.0); 17 vec4 Idiff = u_light.diffusecolor * u_material.diffusecolor; 18 Idiff.rgb = Idiff.rgb * diff; float spec = 0.0; 21 if(diff > 0.0) { 22 vec3 reflection = normalize(reflect(-light_dir, normal)); 23 spec = pow(max(dot(eye, reflection), 0.0), u_material.specularexponent); 24 } 25 vec4 Ispec = u_light.specularcolor * u_material.specularcolor; 26 Ispec.rgb = Ispec.rgb * spec; fragcolor = clamp(iamb + (att * (Idiff + Ispec)), 0.0, 1.0); 29 } 74 / 92

75 Superfícies Transparentes Sumário 1 Introdução 2 Fontes de Luz 3 Efeitos de Luz em Superfícies 4 Programação OpenGL (Iluminação) 5 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) 75 / 92

76 Superfícies Transparentes Luminância Superfícies Transparentes Objetos transparentes (como vidro) devem permitir que seja possível ver outros objetos através desses, o contrário são os objetos opacos Objetos intermediários, onde a luz é transmitida e difundida em todas as direções são conhecidos como translúcidos (p.ex. plástico) 76 / 92

77 Superfícies Transparentes Refração da Luz Imagens reaĺısticas de materiais transparentes são obtidas modelando o caminho de refração de um raio de luz através do material Parte da luz é refletida e parte é refratada Como a velocidade da luz depende do material, o caminho da luz refratada é diferente da luz incidente 77 / 92

78 Superfícies Transparentes Refração da Luz A direção da refração, dada pelo ângulo de refração (θ r ), é função do índice de refração do material e da direção da luz incidente O índice de refração é a razão da velocidade da luz no vácuo sobre a velocidade da luz no material 78 / 92

79 Superfícies Transparentes Refração da Luz O ângulo de refração θ r é calculado usando a lei de Snell sen θ r = η i η r sen θ i Onde θ i é o ângulo de incidência, η i é o índice de refração do material incidente e η r é o índice de refração do material refratado 79 / 92

80 Superfícies Transparentes Refração da Luz Por exemplo, luz incidindo em θ i = 30 0 sobre um vidro espesso (η r 1.61) a partir do ar (η i 1.0), será refratada em um ângulo de θ r / 92

81 Superfícies Transparentes Refração da Luz O efeito da refração é mudar o caminho da luz incidente para um caminho um pouco diferente mas paralelo ao original A equação de refração é computacionalmente cara de ser avaliada, então normalmente aproximações são empregadas 81 / 92

82 Superfícies Transparentes Refração da Luz O vetor de transmissão T na direção de refração θ r é calculado como ( ) ηi T = cos θ i cos θ r N η i L η r η r Onde N é a normal a superfície, L é a direção da fonte de luz T pode ser usado para localizar intersecções do caminho de refração com objetos atrás da superfície transparente 82 / 92

83 Superfícies Transparentes Modelo Básico de Transparência Um modelo simples de refração pode ignorar a mudança do caminho da luz Não existe mudança de índice de refração entre materiais diferentes O ângulo de incidência será igual ao ângulo de refração Acelera o processamento e produz bons resultados para superfícies finas 83 / 92

84 Superfícies Transparentes Modelo Básico de Transparência Podemos combinar a intensidade transmitida I trans através da superfície transparente de um objeto de fundo com a intensidade refletida I refl usando um coeficiente de transmissão k t I = (1 k t ) I refl + k t I trans Onde o temos (1 k t ) é o fator de opacidade 84 / 92

85 Superfícies Transparentes Modelo Básico de Transparência Esse procedimento pode ser usado com qualquer quantidade de objetos transparentes e opacos Processa primeiro os objetos de trás e depois os da frente 85 / 92

86 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) Sumário 1 Introdução 2 Fontes de Luz 3 Efeitos de Luz em Superfícies 4 Programação OpenGL (Iluminação) 5 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) 86 / 92

87 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) Funções de Transparências O uso de transparência não é direto na OpenGL, é necessário combinar a cor dos objetos e usar um parâmetro de alpha blending Efeitos de refração serão ignorados Em cenas complexas com várias fontes de iluminação pode ser difícil Não existe suporte para materiais translúcidos (refração e reflexão) Para simular esse efeito funções devem ser providas 87 / 92

88 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) Funções de Transparências Materiais transparentes são definidos usando o parâmetro alpha RGBA 1 material.setambientcolor(new float[]{r, G, B, A}); 2 material.setdiffusecolor(new float[]{r, G, B, A}); 3 material.setspecularcolor(new float[]{r, G, B, A}); O valor A = k t, onde uma superfície transparente terá A = 1.0 e opaca A = / 92

89 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) Funções de Transparências Uma vez definido os valores de transparência essa deve ser ativada 1 gl.glenable(gl.gl_blend); 2 gl.glblendfunc(gl.gl_one_minus_src_alpha, GL.GL_SRC_ALPHA); Todas as componentes de cor da superfície corrente (o objeto origem ) são multiplicadas por (1 A) = (1 k t ) e todas as componentes de cor da posição correspondente no frame buffer (o destino ) são multiplicadas por A = k t 89 / 92

90 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) Funções de Transparências 1 public void init(glautodrawable drawable) { 2 // Get pipeline 3 GL3 gl = drawable.getgl().getgl3(); // Inicializa o sistema de coordenadas 8 projectionmatrix.loadidentity(); 9 projectionmatrix.ortho(-2.0f, 2.0f, f, 2.0f, f, 4.0f); 12 projectionmatrix.bind(); viewmatrix.loadidentity(); 15 viewmatrix.lookat(0.0f, 0.0f, 2.0f, f, 0.0f, 0.0f, f, 1.0f, 0.0f); 18 viewmatrix.bind(); gl.glenable(gl.gl_blend); 21 gl.glblendfunc(gl.gl_one_minus_src_alpha, GL.GL_SRC_ALPHA); } 90 / 92

91 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) Funções de Transparências 2 public void display(glautodrawable drawable) { 3 // Recupera o pipeline 4 GL3 gl = drawable.getgl().getgl3(); 5 6 // Limpa o frame buffer com a cor definida 7 gl.glclear(gl3.gl_color_buffer_bit GL3.GL_DEPTH_BUFFER_BIT); 8 9 material.setambientcolor(new float[]{0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f}); 10 material.setdiffusecolor(new float[]{0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f}); 11 material.setspecularcolor(new float[]{0.9f, 0.9f, 0.9f, 0.0f}); 12 material.setspecularexponent(64); 13 material.bind(); modelmatrix.loadidentity(); 16 modelmatrix.scale(0.5f, 0.5f, 0.5f); 17 modelmatrix.bind(); sphere.bind(); 20 sphere.draw(); material.setambientcolor(new float[]{0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.25f}); 23 material.setdiffusecolor(new float[]{0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.25f}); 24 material.setspecularcolor(new float[]{0.9f, 0.9f, 0.9f, 0.25f}); 25 material.setspecularexponent(32); 26 material.bind(); modelmatrix.loadidentity(); 29 modelmatrix.bind(); sphere.bind(); 32 sphere.draw(); // Fora execuo das operaes declaradas 35 gl.glflush(); 36 } 91 / 92

92 Superfícies Transparentes Programação OpenGL (Transparência) Funções de Transparências 92 / 92