Síntese de Imagens de Alta Fidelidade

Transcrição

1 Síntese de Imagens de Alta Fidelidade Iluminação e FotoRealismo Luís Paulo Peixoto dos Santos

2 Competências GERAIS : Caracterizar a iluminação global e descrever os vários estágios do processo de síntese e visualização de imagens; ESPECÍFICAS : Enunciar as diferenças entre modelos de síntese de imagem empíricos e baseados nas leis da física; Identificar potenciais aplicações para métodos de Iluminação Global de Alta fidelidade; Listar e descrever os vários estágios do processo de síntese e visualização de imagens; 2

3 Síntese de Imagens de Alta Fidelidade Síntese de imagens (rendering) é o processo de produção de uma imagem bidimensional a partir de uma descrição tridimensional de uma cena. Síntese interactiva sacrifica precisão (realismo) por tempo de resposta, recorrendo a abordagens top-down, onde o processo é guiado pelos resultados pretendidos; Síntese baseada na física as leis físicas que governam o transporte da luz e a sua interacção com a matéria determinam as regras da simulação; Síntese expressiva (não fotorealista) liberdade artística e grande poder de expressão 3

4 Síntese de Imagens de Alta Fidelidade Objectivo desenvolver modelos de iluminação e transporte de luz baseados nas leis da física e processos de visualização perceptuais que produzam imagens sintéticas visual e/ou mensuravelmente indistinguíveis de imagens do mundo real. [Greenberg97] Estas imagens podem ser usadas de forma preditiva, em oposição com imagens que apenas pretendem ter um grande impacto visual. 4

5 Iluminação Global de Alta Fidelidade Simulação baseada na física de todos os trajectos de luz desde as fontes até ao observador - que contribuem de forma significativa para a iluminação de um ponto Implica considerar o impacto que a presença de outros objectos tem na iluminação de um ponto, por oposição a métodos de iluminação local Iluminação directa Reflexão com oclusões (sombras) Transmissão 5

6 Modelos empíricos versus físicos Modelo do Mundo Y Z X Modelos empíricos 6

7 Modelos empíricos versus físicos Modelo do Mundo Y Z X Modelos baseados na Física 7

8 Síntese de Imagens de Alta Fidelidade Top-down (empírico) O resultado desejado guia a implementação Métodos empíricos garantem um resultado perceptualmente aceitável Apesar da semelhança com a realidade os resultados não podem ser usados de forma preditiva, pois não têm relação com o mundo real Precisão sacrificada por velocidade Bottom-up (baseado nas leis da física) As leis da física que originam o fenómeno guiam a implementação O fenómeno desejado é o resultado lógico, inevitável da simulação A imagem é a visualização dos dados gerados usando modelos baseados na física, podendo ser usados de forma preditiva Velocidade sacrificada por precisão 8

9 Aplicações Simulação fisicamente correcta da iluminação e transporte de luz: Arquitectura e Herança Cultural Engenharia de Iluminação Publicidade e Marketing Simuladores Ciência e Medicina Cinema Visualização Científica Jogos 9

10 Aplicações: Arquitectura e Herança Cultural 10

11 Aplicações: Engenharia de Iluminação 11

12 Aplicações: Ciência e Medicina 12

13 Aplicações: Visualização Científica 13

14 Aplicações: Jogos 14

15 O processo de síntese de imagem display Modelação Modelo Síntese Imagem HDR Visualização 15

16 O processo de síntese de imagem: modelação Modelo geométrico Materiais: modelo de iluminação (shading model) Descreve a forma como a luz incidente num objecto interage com o mesmo: proporções da radiância absorvida, reflectida e/ou transmitida (função do comprimento de onda) No caso geral, L(P i i ) no instante t i e comprimento de onda λ i, pode ser reflectida, ou transmitida, no instante t r, ponto P r, direcção r e comprimento de onda λ r. Restrições comuns: t r =t i, impossibilita a modelação da fosforescência λ r = λ i, impossibilita a modelação da fluorescência P r = P i, impossibilita a modelação da dispersão da luz numa superfície Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) 16

17 O processo de síntese de imagem: modelação N N N Reflexão L i θ i θ r L r L i L i Especular N Difusa N Glossy N Transmissão L i θ i θ t L t Especular L i θ i Difusa L i θ i Translúcida 17

18 O processo de síntese de imagem: síntese A síntese da imagem (rendering) corresponde ao cálculo da distribuição da potência radiante na cena, i. e., à resolução da Equação de Transporte de Luz (rendering equation) A Equação de Transporte de Luz é um integral sem resolução analítica, pelo que os algoritmos de síntese de imagem são integradores numéricos que calculam soluções aproximadas Estes integradores calculam o transporte de luz na cena os fenómenos de iluminação simulados dependem do subconjunto efectivamente amostrado do domínio de integração 18

19 O processo de síntese de imagem: visualização 10 8 cd/m 2 display Síntese HDR 10 2 cd/m 2 imagem 10 0 cd/m cd/m 2 Renderers baseados na física produzem imagens com alta gama dinâmica (HDR), cujas luminâncias cobrem tipicamente um intervalo de 14 ordens de magnitude: [ ] cd/m 2 Visualização Estes algoritmos mapeiam os tons do mapa HDR nos tons do monitor usando um operador designado por tone mapping Os monitores convencionais cobrem tipicamente um intervalo de luminância de 2 ordens de magnitude: [ ] cd/m 2 19

20 O processo de síntese de imagem: visualização Sub-Exposição Sobre-Exposição 20

21 O processo de síntese de imagem: visualização Os algoritmos de tone mapping tentam preservar contraste, visibilidade e brilho aparente, num balanceamento entre estes objectivos contraditórios. 21