Tópico: A Terceira Dimensão (Conceitos Básicos)

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1 Tópico: A Terceira Dimensão (Conceitos Básicos) Computação gráfica tridimensional Modelagem tridimensional Elaboração de imagens tridimensionais Realidade virtual

2 Formatos tridimensionais: DXF, padrão tridimensional AutoCAD; IGES, padrão de CAD independente de fabricante; 3DS, formato binário do 3D Studio; VRML, para modelos de realidade virtual.

3 Funções de um editor gráfico 3D: criação de primitivas 3D; construção de estruturas gráficas 3D; transformações lineares e não-lineares 3D; visualização básica 3D.

4 Transformações tridimensionais:

5 Tela de editor 3D

6 Exemplos de editores tridimensionais: 3DStudio Max; Softimage 3D; Maya.

7 Métodos de representação tridimensional: modelos geométricos; superfícies poligonais; superfícies curvas; representações de varredura; geometria sólida construtiva; modelos procedimentais; modelos volumétricos.

8 Modelos geométricos: contêm informação da geometria de uma cena: objetos, facetas, arestas, vértices; podem ser construídos com editores 3D internos ou externos a um sistema de animação 3D; contêm informação adicional sobre a natureza das superfícies (cor, material, texturas etc.)

9 Superfícies poligonais: compostas por vértices, arestas e faces; malhas poligonais: superfícies poligonais abertas; poliedros: superfícies poligonais fechadas; normais: direções perpendiculares às faces.

10 Malha poligonal

11 Normais às faces de um cubo:

12 Normal a um vértice:

13 Superfícies curvas - motivação. A conversão para polígonos só é feita no instante de elaboração: permite adaptar a resolução poligonal à resolução da tela. Preservam a geometria exata dos objetos: importante para gerar dados para a fabricação. Podem também ser mais eficientes: figuras que teriam que ser representadas por modelos poligonais muito grandes.

14 Superfícies curvas: Superfícies cônicas Esferas, elipses, cilindros, cones etc. Superfícies cúbicas Superfícies de Bézier, splines etc.

15 Retalho cúbico:

16 Superfície cúbica:

17 Geometria sólida construtiva: operações booleanas sobre sólidos básicos; uso conceitualmente fácil; nem sempre produz resultados esperados: dissonância com modelos baseados em superfícies.

18 Operação de geometria sólida construtiva:

19 Representações de varredura: geradas por deslocamento de uma forma 2D ao longo de uma trajetória; deslocamento paralelo: extrusão; revolução em torno de um eixo: superfícies de revolução.

20 Exemplo de extrusão:

21 Modelagem 3D - Modelos procedimentais: descrevem objetos de geometria muito complexa; os objetos são descritos por algoritmos; adequados para imitar muitos fenômenos naturais; o grau de detalhe pode ser controlado para evitar tempos excessivos de elaboração.

22 Tipos de modelos procedimentais: fractais: relevo, hidrografia, formas abstratas; graftais: plantas; sistemas de partículas: fogo, névoa, vapores; modelos físicos: baseadas nas propriedades físicas de objetos reais.

23 Montanha fractal

24 Graftal em forma de samambaia

25 Modelagem 3D - Modelos volumétricos: descrevem tanto a superfície como o interior dos objetos; o espaço é dividido em cubos elementares (voxels), com cor e transparência individuais; adequados para a reconstituição de objetos naturais: tomografias, subsolos.

26 Câmeras virtuais: determinam como a cena 3D será projetada em imagens 2D; uso baseado na imitação de câmeras verdadeiras; parâmetros típicos: posição, alvo, abertura.

27 Movimentos das câmeras virtuais: translações; rotações; zoom - mudança da abertura.

28 Imagem original

29 Translação da câmera

30 Aproximação da câmera

31 Mudança da abertura

32 Rotação da câmera

33 Elaboração tridimensional Elaboração de cena:

34 Visualização 3D: visualização em fio de arame: mostra as arestas, com as faces transparentes; visualização com linhas ocultas: mostras as arestas, com as faces opacas; elaboração: obtenção de imagem fotorealista.

35 Visualização em fio-de-arame:

36 Visualização com linhas ocultas

37 Transformações 3D: translação; rotação; mudança de escala; projeção.

38 Elaboração de imagens (rendering): obtenção de imagens representativas de projeções da cena 3D; constitui normalmente a etapa de produção mais intensiva em processamento, mas não precisa de intervenção manual. Uma paisagem renderizada computacionalmente

39 Elementos da elaboração: modelos da cena, incluindo geometria e materiais; câmeras e luzes; parâmetros da imagem: resolução, canais, grau de fotorealismo.

40 Modalidades de elaboração: elaboração em fio-de-arame: geração de vistas da geometria para fins de modelagem; elaboração preliminar: geração de imagens para avaliação; elaboração definitiva: geração de imagens para pós-produção e gravação.

41 Elaboração em fio de arame:

42 Elaboração em fio de arame com antipseudonímia:

43 Elaboração preliminar:

44 A iluminação: determina a intensidade de cada canal, de cada pixel e de cada imagem dados: a geometria e materiais da cena; os parâmetros das câmeras; os parâmetros das luzes; os parâmetros das imagens.

45 Iluminação original:

46 Iluminação reduzida:

47 Iluminação de refletor:

48 Coloração chapada:

49 Coloração de Gouraud:

50 Coloração de Phong:

51 Comparação de técnicas de elaboração: Modelo Qualidade Aplicação Chapado Baixa Gouraud Média Pré-visualização, realce das facetas Uso normal Phong Alta Melhor reprodução dos pontos brilhantes

52 Texturas: simulam detalhes complexos através da projeção de imagens 2D sobre uma superfície; permitem efeitos atraentes, mas aumentam muito o tempo de elaboração; as imagens 2D podem também ser usadas para simular a rugosidade 3D.

53 Aplicação de textura:

54 Aplicação planar:

55 Aplicação cilíndrica:

56 Aplicação de imagem:

57 Mapa de rugosidade:

58 Sombras, reflexos e refrações: contribuem em muito para o realismo aparente; normalmente calculadas por métodos aproximados; o cálculo segundo as leis da ótica requer o rastreamento de raios.

59 Cena com dois objetos:

60 Transparência:

61 Realidade virtual: ambiente artificial apresentado a um usuário de forma a que se assemelhe o máximo possível a um ambiente real; sistemas mais avançados são imersivos; sistemas para grupos: mundos virtuais; avatares: representações dos usuários. Linguagem: VRML Exemplo de extrusão em VRML:

62 Sistemas imersivos: monitores gráficos miniaturizados: em óculos especiais ou capacetes; apresentam uma imagem para cada olho, criando tridimensionalidade; dispositivos que monitoram as ações do usuário: óculos e capacetes que sentem os movimentos da cabeça;

63 Sistemas imersivos: sensores de tato (dispositivos hápticos): luvas e trajes sensores; possivelmente com feedback de força para dar ilusão de solidez.

64 Visualização em navegador:

65 Conversor de 3DS para VRML:

66 Modelo exibido em um navegador:

67 Rendering -> representa a geração de imagens com a inclusão de procedimentos específicos para torná-las mais realísticas. A imagem deve ser criada considerando as características físicas do objeto, sua interação com as fontes de iluminação da cena e com os demais objetos.

68 Coloração de Gouraud A proposta do algoritmo de Gouraud é suavizar a transição entre a coloração de faces adjacentes. A cor de uma face, portanto, não pode ser constante. Ela deve variar de modo que nas fronteiras entre faces as cores possam ser combinadas. Dessa forma a aresta que marca a passagem de uma face para outra ficará escondida pela variação das cores.

69 Coloração de Gouraud Busca obter suavidade na exibição de objetos com superfícies curvas quando representados por polígonos. Em cada vértice é calculado um novo Vetor Normal que é a média das normais das faces que compartilham o vértice a cor é calculada em cada vértice o cálculo da cor dos pontos internos da face é feita por interpolação (interpolated shading)

70 Coloração de Gouraud Problemas: Pontos de brilho especular são atenuados. Por tentar suavizar as transições entre as faces da intensidade de luz refletida, efeitos associados a variações abruptas dessa intensidade são eliminados. Em geral, as imagens geradas pelo algoritmo de Gouraud têm como assinatura a aparência fosca, típica de superfícies em que a componente difusa da luz refletida é predominante.

71 Exemplos: Coloração de Gouraud

72 Coloração de Phong Modelo empírico introduzido em 1975 por B. Phong. Suporta três tipos de interação luz-objeto: reflexão difusa: luz incidente refletida em todas as direções. Em superfícies difusoras perfeitas, a intensidade é igual em todas essas direções reflexão especular: luz incidente é refletida em direções com ângulos próximos da direção de reflexão que um espelho proporcionaria. Em superfícies especulares perfeitas, toda a reflexão se dá num ângulo igual ao de incidência reflexão da luz ambiente

73 Coloração de Phong Busca obter suavidade na exibição de objetos com superfícies curvas quando representados por polígonos. Mantém o brilho especular. Em cada vértice é calculado um novo Vetor Normal que é a média das normais das faces que compartilham o vértice. Este Vetor é interpolado ao longo das arestas.

74 Coloração de Phong As Normais nos extremos de cada linha são interpoladas ao longo da mesma. O cálculo da cor dos pontos internos da face é feita a partir da Normal para cada ponto.

75 Coloração de Phong Problema: Gera curvas em objetos que não as possuem.

76 Exemplos: Coloração de Phong

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