Iluminação e Sombreamento

Transcrição

1 luminação e Sombreamento Computação Gráfica Carlos 2006 SEL/DEETC/SP Computação Gráfica 1

2 Computação Gráfica Carlos 2006 SEL/DEETC/SP Computação Gráfica 2

3 Computação Gráfica Carlos 2006 SEL/DEETC/SP Computação Gráfica 3

4 Agenda luminação e Sombreamento Modelo de iluminação local de Phong Luz ambiente, reflexão difusa (cor), reflexão especular (brilho) Métodos de sombreamento Constante, Gouraud e Phong Tipo de luzes Modelos de iluminação global: Radiosidade e Ray-Tracing 4

5 Anos 60 Visualização malha de arames Cálculo de linhas visíveis luminação ambiente luminação difusa 5

6 Anos 70 Coloração Gouraud difusa Coloração Gouraud especular Coloração Phong Superf. curvas e col. Phong 6

7 Anos 80 Modelos de iluminação Mapeamento de texturas luminação através de texturas Reflexões através de texturas 7

8 luminação e sombreamento Para se obter uma imagem, de determinada cena: a cena tem que ser iluminada por uma ou mais fontes de luz têm que se definir as propriedades de interacção entre os objectos que existem na cena, assim como a energia luminosa incidente em cada um O cálculo da imagem corresponde ao cálculo da intensidade da energia luminosa, em cada ponto da superfície de visualização, proveniente directamente das fontes de luz ou indirectamente por fenómenos de reflexão e refracção Designa-se por processo de sombreamento o cálculo da cor de cada quadricula da imagem Constante, Gouraud, Phong 8

9 luminação e sombreamento (2) Modelos de luminação Local Quando apenas se consideram as contribuições da energia emitida pelas fontes de luz e reflectida por uma superfície Modelos empíricos Esforço computacional baixo e imagens de qualidade aceitável Também designados por modelos de reflexão local Ex: phong Modelos de luminação Global Quando também é considerada a iluminação que é reflectida ou refractada por outras superfícies Modelos fisicamente mais correctos (não são perfeitos) Esforço computacional elevado e imagens de elevado grau de realismo Ex: Ray Tracing, Radiosidade 9

10 Modelo de iluminação local de Phong ntroduzido em 1975 Assume que cada objecto é modelado através de um conjunto de superfícies Planas: existe uma normal para cada superfície Não Planas: é necessário calcular a normal em cada ponto a considerar na superfície N1 N3 N2 superfícies planas Calcula o valor da intensidade de um raio reflectido por uma superfície em função de: Orientação da superfície (N) posição da câmara posição da fonte de luz (L) Propriedades da superfície N L superfícies não planas θ Orientação de uma faceta e uma fonte de luz 10

11 Phong e os materiais Considera os materiais quando ao modo como reflectem a energia luminosa Combinação linear de um material que reflecte toda a energia numa única direcção (reflexão especular) e de um material que reflecte toda a energia de igual modo em todas as direcções (reflexão difusa) nclui ainda componente de luz ambiente que representa a energia luminosa reflectida por todas as restantes superfícies Útil nas superfícies que não são directamente iluminadas por uma fonte de luz + + = ambiente difusa especular Reflexão Phong (interacção com outras superfícies) (cor) (brilho) 11

12 Phong componentes do modelo Luz Ambiente: contribuição das outras superfícies Reflexão difusa (ou Lambertiana): reflexão da energia luminosa repartida de igual forma em todas as direcções Reflexão especular: reflexão da energia luminosa numa única direcção Fonte: wikipedia 12

13 Luz ambiente Modelo de Phong assume que apenas as superfícies directamente iluminadas por uma fonte de luz, estão visíveis As outras não são desenhadas Para resolver este problema, todas as superfícies são iluminadas por uma fonte de luz ambiente com intensidade a constante Modela as diversas reflexões da luz na cena O factor K a modela o modo como a superfície reflecte a luz ambiente tem valores entre 0 e 1 K ambiente a a 13

14 Reflexão difusa (1) A energia luminosa é reflectida em todas as direcções do semicírculo Também chamada reflexão lambertiana L N V Depende do ângulo (θ) entre o raio de luz incidente (L) e a normal à superfície do material (N) superfície reflectora difusa A energia irradiada é proporcional a cos(α) 14

15 Reflexão difusa (2) K difusa d i cos( ) i é a intensidade do raio incidente (L) Θ é o ângulo entre N e L K d modela o modo como a superfície reflecte a luz difusa tem valores entre 0 e 1 Atenção: A intensidade da energia luminosa reflectida não depende da posição do observador Expressão representada, usando a notação vectorial difusa K d i ( N L) com N e L normalizados 15

16 Reflexão especular (1) Modela características de superfícies lisas como cristais e metais nobres L N R Componente de brilho do material raio incidente θ θ raio reflectido Um raio incidente, com determinado ângulo, é reflectido com o mesmo ângulo Apenas em superfícies perfeitas O raio apenas é visível se o raio reflectido coincidir com a direcção de visualização Este modelo é uma aproximação limitada da realidade (as superfícies são imperfeitas) A reflexão é verificada num ângulo Φ Sup. reflectora especular perfeita Exemplo: Espelho L N θ θ R Sup. reflectora especular imperfeita 16

17 Reflexão especular (2) especular i K s cos n ( ) L N θ θ Φ R V K s modela o modo como a superfície reflecte a luz especular tem valores entre 0 e 1 Φ é o ângulo entre o vector unitário do observador (V) e o raio reflectido (R) n é o índice de brilho que simula a existência de superfícies especulares imperfeitas Varia entre 1, em que se obtém uma transição suave na área de brilho, e algumas centenas. Quando tem valor infinito temos uma superfície especular perfeita 17

18 Reflexão especular (3) Variação do valor de n Na prática usam-se valores entre o 5 e o 100 Espelho tem valor de n igual a infinito Vários coeficientes de brilho (n) e intensidade ( i ) cos n (Φ) i n -π/2 0 π/2 Φ Expressão representada, usando a notação vectorial com R e V normalizados cos( ) R V K ( R V ) especular i s n 18

19 Expressão Global de Phong a K a i K d N L K R V s n 19

20 Generalização para várias fontes de luz É possível generalizar o modelo de iluminação de Phong para contabilizar várias fontes de luz a K a m j1 i j K d N L K R V j s j n Características A componente de luz ambiente a é comum, não variando com o número de fontes de luz Até este momento, não foi considerada a cor no modelo de iluminação Sabe-se que a reacção dos materiais é diferente, consoante o comprimento de onda Além disso, a cor resulta da reflexão difusa dos materiais 20

21 21 E a cor. Considerando o modelo tristimulus, vamos ter um factor de reflectância e um factor de especularidade para cada material m j n j sr s j dr d i ar a a R R V R O K L N O K O K j 1 m j n j sg s j dg d i ag a ag G V R O K L N O K O K j 1 m j n j sb s j db d i ab a a R B V R O K L N O K O K j 1

22 Depth cueing Observando as figuras abaixo, qual a mais realista? Fonte: Porquê? 22

23 Depth cueing A figura da esquerda utiliza a técnica depth cueing, que não é mais do que considerar a atenuação da atmosfera nos raios de luz Lambert definiu esta atenuação, genérica para um corpo atravessado por raios de luz, podendo ser generalizada para a atmosfera Fonte: wikipedia. lustração da lei Lambert-Beer k a a O f att m j1 Será sempre um factor inversamente proporcional à distância entre o foco de luz e objecto Note a equação, devendo ser substituído pelo comprimento de onda das três componentes cromáticas ij k d O d N L k O R V j s s j n 23

24 24 Plate B - Foley

25 Agenda luminação e Sombreamento Modelo de iluminação local de Phong Luz ambiente, reflexão difusa, reflexão espectral Métodos de sombreamento Constante, Gouraud e Phong Tipo de luzes Modelos de iluminação global: Radiosidade e Ray-Tracing 25

26 Métodos de sombreamento Depois de Phong, através do qual obtemos a intensidade de energia luminosa em determinado ponto da superfície do objecto, é necessário descrever como devemos aplicar esse cálculo ao desenho as superfícies Consideram-se superfícies modeladas por malhas de facetas É necessário calcular a normal a cada face Como vamos usar Phong, não precisamos de mais nenhuma propriedade do objecto 26

27 Métodos de sombreamento a estudar (1) Constante Gouraud Phong 27

28 Métodos de sombreamento a estudar (2) Constante Gouraud Phong 28

29 Sombreamento constante É utilizada a normal à faceta para calcular a cor Esta cor vai ser utilizada para sombrear toda a face Os resultados obtidos são de baixa qualidade São visíveis as fronteiras entre facetas Produzem imagens muito pouco realistas N3 N1 N2 29

30 Sombreamento Gouraud (1) Contempla as faces adjacentes no cálculo da cor de determinada faceta Cálculo de normais nos vértices: nterpolação das normais das faces que partilham o vértice Cálculo de intensidades: nterpolação de intensidades dentro do polígono 30

31 Sombreamento Gouraud (2) Limitações ao sombreamento de Gouraud Se um vértice de uma faceta pertencer a uma zona de brilho, resultante da componente especular, toda a faceta terá essa cor Devido à sensibilidade do aparelho visual humano, pequenas variações de luminosidade produzem o efeito mach Percepção Real efeito mach band 31

32 Sombreamento Phong Calcula-se a normal a cada quadricula (pixel) Através de interpolação das normais Com essa normal, aplica-se o modelo de iluminação de Phong 32

33 Resumo sombreamento Constante Gouraud Phong Uma normal por faceta Uma normal por vértice Várias normais por faceta Uma cor por faceta Bom desempenho Fracos resultados de realismo nterpolação da cor na faceta Bom compromisso entre realismo e desempenho nterpolação de normais Várias cores por faceta. Aplicação do modelo de iluminação por cada normal Resultados realistas Fraco desempenho 33

34 Agenda luminação e Sombreamento Modelo de iluminação local de Phong Luz ambiente, reflexão difusa, reflexão espectral Métodos de sombreamento Constante, Gouraud e Phong Tipo de luzes Modelos de iluminação global: Radiosidade e Ray-Tracing 34

35 Tipo de Luzes Luzes pontuais Luzes direccionais Luzes spotlight 35

36 Luz pontual Modelo de luz omnipresente ntensidade 0 Posição (px, py, pz) Factores (K c, K l, K q ) de atenuação com a distância d ao objecto d L K c 0 K d l K q d 2 posição (px, py, pz) 36

37 Luz direccional Modelo de fontes de luz no infinito ntensidade 0 Direcção (dx, dy, dz) L 0 direcção (dx, dy, dz) A intensidade não é atenuada com a distância 37

38 Luz spotlight Modelo de fontes de luz pontuais com direcção ntensidade 0 Posição (px, py, pz) Direcção (dx, dy, dz) Abertura (θ) Atenuação θ posição (px, py, pz) L K c 0 K d l 0 K q d 2, dentro do cone, caso contrário d direcção (dx, dy, dz) 38

39 Referências Computer Graphics: Principles and Practice in C, James D. Foley, Andries van Dam, Steven K. Feiner, John F. Hughes, Addison-Wesley Professional; 2nd edition (1995) Capítulo 13 (cor) e Capítulo 16 (iluminação) Mário Rui Gomes, ST, Shading Flat Shading: Gouraud Shading: Phong Shading: Phong Reflecion Model: Phong illumination model Phong llumination Demo Applet 39