Modelos de Iluminação e Reflexão

Transcrição

1 Modelos de Iluminação e Reflexão Edward Angel, Cap. 6 Instituto Superior Técnico Computação Gráfica 2009/2010 1

2 Na última aula... Recorte 2D Cyrus-Beck Sutherland-Hodgman Recorte 3D

3 Sumário Iluminação e Reflexão Modelo de Iluminação de Phong Aproximação de Blinn Modelo de Iluminação de Blinn-Phong

4 Computação Gráfica Pipeline de Visualização 3D

5 Pipeline de Visualização 3D 5

6 Pipeline de Visualização 3D 6

7 Pipeline de Visualização 3D 7

8 Pipeline de Visualização 3D 8

9 Computação Gráfica Luz e Materiais

10 Interacção Luz - Materiais Energia luminosa reflectida na direcção da câmara Define a cor representada Objecto vermelho e fonte de luz branca material absorve a energia luminosa em todos os comprimentos de onda excepto no vermelho Objecto transparente toda a energia luminosa é transmitida/refractada Resultado diferente se alterada posição de câmara objecto fonte de luz 10

11 Fontes de Energia Luminosa Compostas por múltiplos pontos de emissão Cada ponto pode emitir de modo diferente I(x 1, y 1, z 1, θ 1, ϕ 1, λ) I(x 2, y 2, z 2, θ 2, ϕ 2, λ) Na prática L=(I R, I G, I B ) 11

12 Fontes de Luz Simplificadas Pontual Posição e cor Intensidade diminui com a distância Direccional Cor e direcção (localizada no infinito) Spotlight Posição, cor, emissão num dado um ângulo sólido Luz Ambiente Contribuição de múltiplas fontes Constante em todos os pontos da cena Não tem direcção 12

13 Tipos de Materiais Modo como reflectem a energia luminosa: Especular: numa só direcção Difusa: igual em todas as direcções Especificação dos materiais Cor Coeficientes de reflexão Especular Difusa 13

14 Vectores Envolvidos Direcção da fonte de luz ( l ) Direcção da câmara ( v ) Normal à superfície ( n ) Direcção de reflexão perfeita ( r ) n v l r 14

15 Computação Gráfica Modelos de Iluminação e Reflexão

16 Iluminação e Reflexão (1/2) Modelos de Iluminação e Reflexão Essenciais para representação de cenas 3D a duas dimensões com um significativo grau de realismo 16

17 Iluminação e Reflexão (2/2) Modelo de Reflexão descreve como luz interage com superfície dos objectos Em função de propriedades dessas superfícies natureza da luz incidente Modelo de Iluminação descreve a natureza e a distribuição de intensidade da luz emanada pelas fontes luminosas presentes na cena 17

18 Sombreamento Depois de se ter Definido modelos de iluminação e reflexão Determinado as posições e orientações relativas de objectos fontes de luz Pode-se proceder ao Cálculo de sombreamento das superfícies dos objectos Shading No terceiro andar do pipeline. 18

19 Computação Gráfica Modelo de Iluminação de Phong

20 Modelo de Iluminação de Phong Garante compromisso equilibrado entre grau de realismo carga computacional Modela a intensidade luminosa Combinação linear de três componentes Reflexão Ambiente Reflexão Difusa Reflexão Especular 20

21 Modelo de Iluminação de Phong Reflexão Ambiente Permite iluminar objectos que não estão directamente iluminados Complementa iluminação Objectos directamente iluminados Definida por Onde: I a = k a L a K a : coeficiente de reflexão de luz ambiente (0 k a 1) L a : valor de luz ambiente global ou contribuição de fontes de luz individuais 21

22 Modelo de Iluminação de Phong Reflexão Difusa Superfície difusora perfeita difunde igual intensidade luminosa em todas as direcções a luminosidade apreendida por um observador não depende do seu ponto de vista n l v Intensidade da luz Difusa Estimada pela lei de Lambert 22

23 Lei de Lambert Estima intensidade da energia luminosa difundida Dada por: Onde: I d =L d. k d cos Θ Θ : ângulo entre fonte de luz e normal à superfície (0 Θ π/2) k d : coeficiente de reflexão difusa (0 k d 1 ) L d : intensidade da componente difusa da fonte de luz n Θ l 23

24 Modelo de Iluminação de Phong Reflexão Difusa Intensidade da luz Difusa Estimada pela lei de Lambert Dada por: I d = k d L d r max l n,0 ( r ) n l Θ v 24

25 Modelo de Iluminação de Phong Reflexão Especular Superfícies reflectoras perfeitas (especulares) Energia luminosa reflectida numa única direcção n raio incidente Θ Θ raio reflectido Superfície especular perfeita 25

26 Modelo de Iluminação de Phong Reflexão Especular Modela grau de brilho de uma superfície Representada pela quantidade de luz reflectida de modo especular em torno da direcção de reflexão ideal (ângulo de reflexão igual ao ângulo de incidência) l n r v 26

27 Modelo de Iluminação de Phong Reflexão Especular Superfícies especulares imperfeitas 27

28 Modelo de Iluminação de Phong Reflexão Especular Intensidade diminui cos n com o aumento do ângulo entre R e V Intensidade dada por: Onde: I s = k s L s max r r ( ),0) α r v α : coeficiente de brilho (shininess) k s : coeficiente de reflexão especular L s : intensidade da componente especular da fonte de luz l n r Θ Θ φ v 28

29 Modelo de Iluminação de Phong Coeficiente de Brilho Metais α entre 100 e 200 Plásticos α entre 5 e 10 cos α φ -90 φ 90 29

30 Superfícies especulares Exemplo 30

31 Modelo de Iluminação de Phong Resultado Global n especular l (α <<) (α >>) r ambiente + difusa v I = k a L a + k d L d max P r r (,0) max( ),0) α l n + k L r v s s r r 31

32 Modelo de Iluminação de Phong Resultado Global Várias (i) fontes de luz Componente Especular I s = k s Componente Difusa i L is r ( r v) i α I d = k d L i id r r ( l n) i 32

33 Modelo de Iluminação de Phong Atenuação Atmosférica Valor da energia luminosa depende da distância Entre superfície e fonte de luz Intensidade de luz é dada por: Onde L I = a + bd + cd d: distância do objecto à fonte de luz a, b,e c: constantes empíricas L: intensidade de luz na fonte 2 33

34 Modelo de Iluminação de Phong Resultado Global Intensidade de luz num ponto da superfície Dada pela expressão: I = 1 r r r r + a + bd + cd i i 2 i ( ) α kd Lid max( li n) + kslis max( ri v) kalia L 1 n v L 2 l r 1 1 l r 2 2 r 3 l 3 L 3 P

35 Modelo de Iluminação de Phong Controlo da Cor No objecto k ra, k ga, k ba : coeficientes de reflexão ambiente k rd, k gd, k bd : coeficientes de reflexão difusa k rs, k gs, k bs : coeficientes de reflexão especular Na fonte de luz L ra, L ga, L ba : intensidade de luz ambiente L rd, L gd, L ba : intensidade de luz difusa L rs, L gs, L bs : intensidade de luz especular 35

36 Modelo de Iluminação de Phong Controlo da Cor Definido por matrizes 3x3 No objecto Na fonte de luz k ra k ga k ba k rd k gd k bd k rs k gs k bs L ra L ga L ba L rd L gd L ba L rs L gs L bs 36

37 Modelo de Iluminação de Phong Resultado Global Intensidade de luz num ponto da superfície Dada pelas expressões: I = 1 r r r r r + a + bd + cd i i i i 2 i 2 i ( ) α krd Lird max( li n) + krslirs max( ri v) kralira I = 1 r r r r g + a + bd + cd i i 2 i ( ) α kgd Ligd max( li n) + kgsligs max( ri v) kgaliga I = 1 r r r r b + a + bd + cd ( ) α kbd Libd max( li n) + kbslibs max( ri v) kbaliba

38 Computação Gráfica Modelo de Phong Modificado

39 Modelo de Iluminação de Phong Na aplicação do modelo de Phong original Tem de se determinar r Para todos os pontos da superfície Na determinação da componente especular l n r v Pode-se obter uma aproximação do valor da componente especular de forma mais eficiente 39

40 Aproximação de Blinn (1/2) Cálculo de vector é caro Calcula-se h r r r Vector normal a uma hipotética faceta reflectora pura Vector médio normalizado (halfway vector) l v l h r r r r + = r r = + l + v 2 r v Vectores l e v unitários l n h v 40

41 Aproximação de Blinn (2/2) No cálculo da componente especular Usar r r ( n h ) β em vez de r r ( r v ) α escolhendo β de modo a que r r β r r n h v ( ) ( ) α 41

42 Modelo de Phong Modificado (Modelo de Blinn-Phong) I Intensidade de luz num ponto da superfície = Dada pela expressão: k a L a + i a + bd 1 i + cd 2 i ( k L l n + k L n h ) α max( ) max( ) d i r i r s i r i r i L 1 h h 1 2 n v r 3 l 1 L 2 l 2 L 3 l 3 P

43 Modelo de Phong Modificado (Modelo de Blinn-Phong) Modelo usado por omissão no OpenGL Aplicado a todos as vértices Que passem ao 3º passo do 2º andar do pipeline 43

44 Computação Gráfica Pipeline de Visualização 3D

45 Pipeline de Visualização 3D 45

46 Pipeline de Visualização 3D 46

47 Pipeline de Visualização 3D 47

48 Pipeline de Visualização 3D 48

49 Pipeline de Visualização 3D Próxima aula 49

50 Pipeline de Visualização 3D Próxima aula 50