INF1339 Computação Gráfica Tridimensional. Waldemar Celes. 10 de Agosto de 2010

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1 Iluminação INF1339 Computação Gráfica Tridimensional Waldemar Celes sala 505 RDC Tecgraf, DI/PUC-Rio 10 de Agosto de 2010 W. Celes Iluminação 1

2 Iluminação e Shading Iluminação Interação entre luz e materiais, produzindo uma cor W. Celes Iluminação 2

3 Iluminação e Shading Iluminação Interação entre luz e materiais, produzindo uma cor Shading ( sombreamento ) Uso do cálculo de iluminação para renderizar primitivas Flat (constant) shading: cálculo de iluminação por primitiva Gouraud shading: cálculo de iluminação por vértice Phong shading: cálculo de iluminação por pixel W. Celes Iluminação 2

4 Iluminação e Shading Iluminação Interação entre luz e materiais, produzindo uma cor Shading ( sombreamento ) Uso do cálculo de iluminação para renderizar primitivas Flat (constant) shading: cálculo de iluminação por primitiva Gouraud shading: cálculo de iluminação por vértice Phong shading: cálculo de iluminação por pixel Imagem de Intergraph Computer Systems W. Celes Iluminação 2

5 Modelo de iluminação Modelo de iluminação global Trata luz proveniente das fontes de luz e dos objetos da cena que refletem luz Trata sombra, reflexão, refração Algoritmos Traçado de raio (raios secundários e integração Monte Carlo) Radiosidade W. Celes Iluminação 3

6 Modelo de iluminação Modelo de iluminação global Trata luz proveniente das fontes de luz e dos objetos da cena que refletem luz Trata sombra, reflexão, refração Algoritmos Traçado de raio (raios secundários e integração Monte Carlo) Radiosidade Modelo de iluminação local Trata apenas luz proveniente das fontes de luz Não considera outros objetos da cena Iluminação de um ponto depende apenas de suas propriedade Sombra, reflexão e refração exigem uso de algoritmos adicionais W. Celes Iluminação 3

7 Modelo de iluminação Iluminação local x global Modelo local Modelo global Imagens extraídas da Wikipedia W. Celes Iluminação 4

8 Interação luz-matéria raio refletido raio incidente raio refratado interação e reflexão Propagação da luz Absorção Reflexão Refração Emissão W. Celes Iluminação 5

9 Modelo de iluminação local Interação luz-matéria modelada por componentes Componente especular Modela raios refletidos diretamente (cor do brilho) Componente difusa Modela raios refletidos após iteração com matéria (cor fosca) W. Celes Iluminação 6

10 Modelo de iluminação local Interação luz-matéria modelada por componentes Componente especular Modela raios refletidos diretamente (cor do brilho) Componente difusa Modela raios refletidos após iteração com matéria (cor fosca) Componente ambiente Simula contribuição global Componente emissivo Simula materiais de fontes de luz W. Celes Iluminação 6

11 Fontes de luz Tipos direcional pontual spot Propriedades Posição/direção/abertura Cor e intesidade de luz emitida Atenuação com distância W. Celes Iluminação 7

12 API para especificação de fontes de luz Função: gllight (...) Até 8 fontes de luz ativas Cor e intensidade emitida Ambiente, difusa, especular Cuidado para não estourar Posição dada em coordenada homogênea Luz direcional: w = 0.0 Parâmetros de spot Direção, abertura, concentração Abertura de 180 o representa luz pontual Atenuação com distância Constante, linear, ou quadrática W. Celes Iluminação 8

13 Materiais Tipos básicos Materiais puros (metais) Materiais pigmentados (plásticos) W. Celes Iluminação 9

14 Materiais Tipos básicos Materiais puros (metais) Materiais pigmentados (plásticos) Propriedades (faces front e back) Reflexividade Componentes ambiente, difusa e especular Fator de brilho Concentração da reflexão especular Luz emitida Cor e intensidade independente de fonte de luz W. Celes Iluminação 9

15 API para especificação de materiais Função: glmaterial (...) Componentes ambiente, difuso, especular O espectro e cor de ambiente e difuso devem ser igual Exceção para materiais cintilantes W. Celes Iluminação 10

16 API para especificação de materiais Função: glmaterial (...) Componentes ambiente, difuso, especular O espectro e cor de ambiente e difuso devem ser igual Exceção para materiais cintilantes Soma das magnitudes de difuso e especular devem 1.0 Evitar saturação da imagem W. Celes Iluminação 10

17 API para especificação de materiais Função: glmaterial (...) Componentes ambiente, difuso, especular O espectro e cor de ambiente e difuso devem ser igual Exceção para materiais cintilantes Soma das magnitudes de difuso e especular devem 1.0 Evitar saturação da imagem O fator de brilho deve crescer com a magnitude de especular Magnitude controla intensidade Fator de brilho controla concentração W. Celes Iluminação 10

18 API para especificação de materiais Função: glmaterial (...) Componentes ambiente, difuso, especular O espectro e cor de ambiente e difuso devem ser igual Exceção para materiais cintilantes Soma das magnitudes de difuso e especular devem 1.0 Evitar saturação da imagem O fator de brilho deve crescer com a magnitude de especular Magnitude controla intensidade Fator de brilho controla concentração W. Celes Iluminação 10

19 Equação de iluminação Equação completa c final = m emi + a glob m amb + k spot k att (c amb + c dif + c spec ) W. Celes Iluminação 11

20 Equação de iluminação Equação completa c final = m emi + a glob m amb + k spot k att (c amb + c dif + c spec ) Combinação com textura Cor primária c final = m emi + a glob m amb + k spot k att (c amb + c dif ) Cor secundária c final = k spot k att c spec W. Celes Iluminação 11

21 Componente difusa Lei de Lambert para material fosco l ϕ n i dif = cos φ = n l onde n e l são vetores unitários Se φ > π 2 i dif = 0 i dif = max(n l, 0) W. Celes Iluminação 12

22 Componente difusa Lei de Lambert para material fosco l ϕ n i dif = cos φ = n l onde n e l são vetores unitários Se φ > π 2 i dif = 0 i dif = max(n l, 0) Interpretação geométrica d d' ϕ d' ϕ d W. Celes Iluminação 12

23 Componente difusa A reflexão difusa não tem direção preferencial Varia de π 2 a π 2 Não depende da posição do observador p W. Celes Iluminação 13

24 Componente difusa A reflexão difusa não tem direção preferencial Varia de π 2 a π 2 Não depende da posição do observador p Combinando fonte e material: c dif = max(n l, 0) m dif s dif W. Celes Iluminação 13

25 Componente especular Modelo de iluminação de Phong l n ϕ ϕ r ϴ v l n r -l i spec = (cos θ) m shi = (r v) m shi onde: r = 2(n l)n l W. Celes Iluminação 14

26 Componente especular Modelo de iluminação de Phong l n ϕ ϕ r ϴ v l n r -l i spec = (cos θ) m shi = (r v) m shi onde: r = 2(n l)n l Direção preferencial de reflexão W. Celes p Iluminação 14

27 Componente especular Cálculo com half vector (Blin) Evita cálculo do vetor reflexão Half vector é a bissetriz de l e v l n ϴ h v h = l + v l + v i spec = (n h) m shi Correlação: (r v) m shi (n h) 4m shi W. Celes Iluminação 15

28 Componente especular Cálculo com half vector (Blin) Evita cálculo do vetor reflexão Half vector é a bissetriz de l e v l n ϴ h v h = l + v l + v i spec = (n h) m shi Correlação: (r v) m shi (n h) 4m shi Combinando fonte e material: c spec = max(n h, 0) m shi m spec s spec Só pode ter reflexão especular se n l > 0 W. Celes Iluminação 15

29 Efeito do fator de brilho Concentração da componente especular i spec = cos θ m shi 1.0 mshi =0 mshi =1 mshi =10 mshi =128 -π / 2 π / 2 W. Celes Iluminação 16

30 Efeito do fator de brilho Brilho espraiado: shi = 10 Brilho concentrado: shi = 90 Imagens obtidas com o programa tutorial de Nate Robins W. Celes Iluminação 17

31 Componente ambiente Simula luz proveniente de todos os objetos da cena, em todas as direções Por fonte: Global: c amb = m amb s amb a glob m amb W. Celes Iluminação 18

32 Coeficiente de atenuação Atenuação com a distância (luz local) Constante, linear, ou quadrática c att = 1 k c + k l d + k q d 2 W. Celes Iluminação 19

33 Coeficiente de spot Parâmetros de spot: direção, abertura, concentração Abertura de 180 o representa luz pontual Concentração: s exp [0, 128] spos Φ sdir k spot = max( l s dir, 0) sexp l p W. Celes Iluminação 20

34 Concentração da luz de spot s exp = 0 s exp = 20 s exp = 60 s exp = 128 Imagens obtidas com o programa tutorial de Nate Robins W. Celes Iluminação 21

35 Abertura da luz de spot Abertura pequena exige maior discretização Fator de concentração pode atenuar θ = 10 o s exp = 0 θ = 10 o s exp = 128 Imagens obtidas com o programa tutorial de Nate Robins W. Celes Iluminação 22

36 Parâmetros globais de iluminação Luz ambiente global Default do OpenGL é {0.2, 0.2, 0.2} Iluminação das faces Os dois lados (front e back) Canal de cor especular independente Cor primária e secundária Posição do observador Observador no infinito para cálculo de iluminação Vetor v fica constante, podendo acelerar o cálculo Introduz um erro na posição do brilho especular W. Celes Iluminação 23

37 Parâmetros globais de iluminação Efeito da posição do observador Observador local Imagens obtidas com o programa tutorial de Nate Robins W. Celes Iluminação 24

38 Parâmetros globais de iluminação Efeito da posição do observador Observador no infinito Imagens obtidas com o programa tutorial de Nate Robins W. Celes Iluminação 25

39 Exemplos de materiais Plástico preto Ambient = {r = 0.00, b = 0.00, g = 0.00, a = 1.0} Diffuse = {r = 0.00, b = 0.00, g = 0.00, a = 1.0} Specular = {r = 0.50, b = 0.50, g = 0.50, a = 1.0} Shininess = 32 Bronze Ambient = {r = 0.21, b = 0.13, g = 0.05, a = 1.0} Diffuse = {r = 0.71, b = 0.43, g = 0.18, a = 1.0} Specular = {r = 0.39, b = 0.27, g = 0.17, a = 1.0} Shininess = 25.6 W. Celes Iluminação 26

40 Exemplos de materiais Plástico preto Ambient = {r = 0.00, b = 0.00, g = 0.00, a = 1.0} Diffuse = {r = 0.00, b = 0.00, g = 0.00, a = 1.0} Specular = {r = 0.50, b = 0.50, g = 0.50, a = 1.0} Shininess = 32 Marfim preto Ambient = {r = 0.00, b = 0.00, g = 0.00, a = 1.0} Diffuse = {r = 0.00, b = 0.00, g = 0.00, a = 1.0} Specular = {r = 1.00, b = 1.00, g = 1.00, a = 1.0} Shininess = 100 W. Celes Iluminação 27

41 Análise de desempenho Variação do desempenho com o número de fontes de luz Quatro diferentes máquinas com fontes de luz local SIGGRAPH 2002, Course #37, Performance OpenGL: Platform Independent Techniques W. Celes Iluminação 28

42 Cor como material OpenGL permite que canal de cor especifique material Escolhe-se as faces e as componentes mapeadas Exemplo: glcolormaterial (GL BACK AND FRONT, GL AMBIENT AND DIFFUSE); Opção deve ser habilitada: glenable (GL COLOR MATERIAL); W. Celes Iluminação 29

43 Pipeline de geometria Transferência e acesso a atributos Atrib. globais - Material - Fontes de luz - Matrizes -... Atrib. correntes - Posição - Normal - Cor - Coord. de textura -... Pipeline de geometria Transformação - Iluminação - Projeção - Cerceamento - Mapeamento de tela W. Celes Iluminação 30

44 OpenGL como máquina de estado Do ponto de vista do programador Define estado e renderiza Set state Render W. Celes Iluminação 31

45 OpenGL como máquina de estado Do ponto de vista do servidor gráfico Valida estado antes de renderizar Validation different primitive type Set state Render same primitive type W. Celes Iluminação 32

46 Pilha de atributos OpenGL organiza atributos em grupos Pode-se empilhar/desempilhar grupos de atributos Permite restaurar atributos eficientemente W. Celes Iluminação 33

47 Pilha de atributos OpenGL organiza atributos em grupos Pode-se empilhar/desempilhar grupos de atributos Permite restaurar atributos eficientemente Pilha de atributos (no servidor) glpushattrib(gl FOG BIT GL LIGHTING BIT);... glpopattrib( ); Pilha de atributos do cliente glpushclientattrib(gl CLIENTE VERTEX ARRAY BIT);... glpopclientattrib( ); W. Celes Iluminação 33

48 Importância da pilha de atributos Restauração do estado do OpenGL Evitar sincronismos entre CPU e GPU Minimizar necessidade de validação do estado W. Celes Iluminação 34

49 Importância da pilha de atributos Restauração do estado do OpenGL Evitar sincronismos entre CPU e GPU Minimizar necessidade de validação do estado Código inadequado // get current color float cl[4]; glgetfloatv(gl CURRENT COLOR, cl); // set my color glcolor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f); // draw my stuff... // restore color glcolor4fv(cl); W. Celes Iluminação 34

50 Importância da pilha de atributos Restauração do estado do OpenGL Evitar sincronismos entre CPU e GPU Minimizar necessidade de validação do estado Código inadequado // get current color float cl[4]; glgetfloatv(gl CURRENT COLOR, cl); // set my color glcolor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f); // draw my stuff... // restore color glcolor4fv(cl); Código adequado // push corresponding attrib group glpushattrib(gl CURRENT BIT); // set my color glcolor3f(1.0f, 0.0f, 0.0f); // draw my stuff... // restore state glpopattrib(); W. Celes Iluminação 34

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