Introdução ao Processamento e Síntese de imagens Rendering 2016

Transcrição

1 Introdução ao Processamento e Síntese de imagens Rendering 2016 Fontes: Rogers, D. F. Procedural Elements for Computer Graphics

2 Modelos de Iluminação A Computação Gráfica simula como os objetos refletem a luz, é uma aproximação empírica da iluminação real; A manipulação da luz assume um papel fundamental nos aspectos realísticos da apresentação; A maioria dos objetos não emite luz própria, pelo contrário, reflete a radiação neles incidente em diferentes comprimentos de onda. Descreve a interação dos raios de luz com uma superfície, considerando as propriedades da superfície e a natureza da fonte de luz incidente.

3 Os modelos de Iluminação são usados para calcular a intensidade da cor de um ponto a ser exibido. Também chamados modelos de reflexão, utilizam: acordoobjeto acordaluz aposiçãodaluz aposiçãodoponto Modelos de Iluminação a posição do observador CalculamascomponentesR,GeBdacor

4 Modelos de Iluminação A produção de imagens realistas envolvem conceitos físicos e psicológico. Aspectos psicológicos: aretinapossui2tiposdereceptores:»6-7milhõesdeconesligadosaosnervos,sensívelaluzde alta intensidade; e»75-150milhõesdehastes(rods),ondediversashastessão conectadas a um único nervo, sensível a baixa luminosidade (não há percepção de cor), não é capaz de identificar pequenos detalhes.

5 Modelos de Iluminação O olho responde pouco a luminosidade,( ). Capacidade do olho em se adaptar a diferentes luminosidades

6 Modelos de Iluminação Mach Band: áreas de constante intensidade percebida como intensidade variada. estefenômenoocorrecomascoreseostonsdecinza. Efeito Mach Band: ocorre quando a inclinação da curva de intensidade muda abruptamente. Ver. Pag. 310 Nessa região o olho percebe uma variação de intensidade mesmo quando a região tem intensidade de brilho constante.

7 Modelos de Iluminação

8 Modelos de Iluminação Aspectos físicos: A luz(energia eletromagnética) atinge o olho depois de interagir com o meio físico.

9 Considerações sobre as superfícies: raio incidente na superfície: Modelos de Iluminação» absorvido;»transmitido (refratado); ou» refletido. luz inc. Superfície de material homogêneo lei da física - Óptica Geométrica(raio incidente, refletido e normal, no mesmo plano). reflexão especular, metálica ou dielétrica. i n r superfície refletida

10 Modelos de Iluminação Superfícies lisas (suave), luz refletida e transmitida é pouco espalhada(caso a) Conformearugosidadeháummaioroumenor espalhamento. aumentandoofeixedeluzespalhado(casob).

11 Modelos de Iluminação muitas superfícies não são perfeitamente lisas, espalhando assim, os raios em várias direções (fig. a), se o espalhamento for pequeno forma-se as superfícies prateadas ou espelhadas. Superfícies não homogêneas (vários índices de reflexão), espalham a luz por reflexão e refração, os raios podem reemergir próximo do ponto de incidência em várias direções. gerando a reflexão difusa, plana ou matte.

12 Modelos de Iluminação O processo de reflexão de muitas superfícies podem ser modeladas como uma combinação das componentes difusa e especular. Em caso de superfícies puramente especular, indica que é uma superfície perfeitamente planaoulisaeéespelhada. Por outro lado, a ausência da reflexão especular define uma superfície mais simples (do ponto de vista computacional), chamada de superfície Lambertiana.

13 Modelos de Iluminação Superfície Lambertiana é a ideal(hipotética), que tem a função refletividade proporcional ao ângulo incidente. Tem a propriedade de manter o brilho uniforme sob uma iluminação uniforme e colimada, ou seja, aintensidadedeumelementodasuperfícieé constante com relação à posição do observador.

14 Modelos de Iluminação Assim, utilizando-se destas informações pode se elaborar imagens de intensidade (raster) única para diferentes tipos de materiais e diferentes condições de iluminação. Desta forma, existem vários modelos matemáticos que representam os objetos de forma mais ou menos realísta.

15 Modelos de iluminação A característica da luz refletida depende da:» composição, direção e geometria da fonte de luz;» orientação da superfície;» e das propriedades da superfície. Luz- pode ser considerada como:» Extensa (fluorescente)» No infinito (Sol)» um ponto Modelos de Iluminação Modelo de iluminação para Superfícies Lambertianas Esta superfície considera somente a componente difusa da luz, ou seja, considera que a luz atinge a superfície e é espalhada em todas as direções.

16 Modelos de Iluminação O modelo matemático é definido: onde: I = I i k d cosθ para I é intensidade refletida; I i é intensidade incidente da luz; k d é a constante de reflexão difusa; e θé o ângulo formado pela direção da fonte de luz e a direção da normal a superfície. 0 θ π 2

17 Modelos de Iluminação Objetos que não recebem luz diretamente aparecem pretos (sem intensidade), pois o modelo ilumina diretamente o objeto. Diferentemente do ambiente real, onde há reflexão da luz de uma superfície para outra. Assim, para modelar, uma cena mais realísta, acrescenta-se uma componente representado a parcela da luz ambiente (iluminado todos os objetos que aparecem na cena). I = I a k a +I i k d cosθ para 0 θ π 2

18 Modelos de Iluminação O modelo de iluminação apresentado, gera (ilumina) imagens com a mesma intensidade em planos com a mesma orientação, mas em diferentes profundidades. Sabe-se que a intensidade de iluminação diminui com o aumento da distância do objeto em relação a fonte de luz, assim, para gerar imagens mais realistas usa-se:

19 onde: I= I k + a a Modelos de Iluminação I k i d cosθ d+ k para k é uma contante arbitrária; θ d é a distância do objeto à fonte de luz. Atribuindo-se valores adequados aos parâmetros, os objetos mais próximos do observador têm maior intensidade. 0 π 2

20 Modelos de Iluminação A fim de tornar mais realísta as imagens geradas, pode-se usar a componente de reflexão especular, condicionadas pelas equações de Fresnel(óptica Geométrica).

21 Modelos de Iluminação Para uma superfície perfeitamente especular (espelhada) o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. isto significa que somente um observador posicionado exatamente na direção do vetor de reflexão observaria a cena especular. (vetor R coincidente ao vetor S). Para superfícies não totalmente espelhadas, introduz-se a função: I s = I i w(i,λ)cos n α

22 onde: Modelos de Iluminação w(i,λ) é a curva de reflectância da superfície, é função da especularidade, do ângulo de incidência e do comprimento de onda. n é o expoente que aproxima a distribuição espacial da especularidade da luz refletida. Função de Shading(geral) para uma fonte de luz Ii I I k d k k k n = a a + ( + dcosθ+ scos α)

23 Modelos de Iluminação Função de Iluminação-para várias fontes de luz m Ii I= Ik + j a a d k k + k j=1 + n d j s j ( cosθ cos α) j

24 Iluminação Global Na iluminação de cada ponto é incluída, além da componente direta, a luz refletida ou transmitida por outros objetos que não as fontes de luz. Observador Direta Indireta

25 MODELOS DE TONALIZAÇÃO-Flat Shading Calcula a normal para cada plano (path) 7fSAhUCx5AKHUGCCgsQsAQIOw#imgrc=6QcOgeJRS9hPDM: (02/03/2017)

26 MODELOS DE TONALIZAÇÃO-Flat Shading O modelo deflatshading usaanormalfixaparacada plano. Calculaacorde1pontoe usa a mesma para toda a face. Produz um aspecto facetado do objeto. É rápido, porém elimima todos os efeitos dos modelos de iluminação

27 MODELOS DE TONALIZAÇÃO Determinação da normal a superfície Se a equação do plano é disponível, a normal (média) no vértice pode ser calculada utilizando-se da média das normais aos plano adjacentes ao vértice.(ex:)

28 MODELOS DE TONALIZAÇÃO n v 1=(a 0 +a 1 +a 2 )i+(b 0 +b 1 +b 2 )j+(c 0 +c 1 +c 2 )k Onde: a 0,a 1,a 4,b 0,b 1,b 4,c 0,c 1,c 4 sãooscoeficientes daequaçãodosplanosp 0,P 1 ep 4. A partir das coordenadas dos vértices: n v 1=V 1 V 2 xv 1 V 4 +V 1 V 5 xv 1 V 2 +V 1 V 4 xv 1 V 5 Apartirdeumafunção: F(x,y,z)=0 n F F = e n = e n = 1 x y i j k

29 MODELOS DE TONALIZAÇÃO- Gouraud Shading Gouraud Shading: Determina a intensidade em cada vértice do poligonoeumainterpolaçãobilinearé realizada. Busca obter suavidade na exibição de objetoscomsuperfíciescurvasquando representadosporpolígonos

30 MODELOS DE TONALIZAÇÃO- Gouraud Shading EmcadavérticeécalculadoumnovoVetorNormal que é a média das normais das faces que compartilham o vértice. Acorécalculadaemcadavértice O cálculo da cor dos pontos internos da face é feita por interpolação(interpolated shading)

31 MODELOS DE TONALIZAÇÃO- Gouraud Shading Calcula a cor nos vértices da face Interpola ao longo das arestas Interpola ao longo de cada linha Dá mais qualidade à imagem I I I a b p = = = I I I 1 1 b ( I ( I ( I b a 1 1 b I I 2 3 I ) ) a ) y y y y x x b y y y y s 2 s 3 x x p

32 MODELOS DE TONALIZAÇÃO- Gouraud Shading Problema Pontos de brilho especular são atenuados

33 MODELOS DE TONALIZAÇÃO - Phong Shading Interpola a normal ao longo da scan line, o modelo de iluminação é aplicado em cada pixel. Dá uma melhor aproximação da curvatura da superfície gerando assim, uma imagem melhor. Da mesma forma que no processo anterior é realizada um processo de interpolação bilinear.

34 MODELOS DE TONALIZAÇÃO - Phong Shading Busca obter suavidade na exibição de objetos com superfícies curvas quando representados por polígonos Mantém o brilho especular y 1 y 2 y 3 N 2 N a N 1 N p N b N 3 N N N a b p = = = N N N 1 1 b ( N 1 ( N 1 ( N b N N 2 3 N ) ) a ) y y y y x x b b y y y y s 2 s 3 x x p a

35 MODELOS DE TONALIZAÇÃO - Phong Shading No modelo de Phong, a luz em qualquer ponto é composta por três componentes: luz difusa, Luz especular e luz ambiente. Essas três componentes são aditivas e determinam o aspecto final da iluminação e da cor de um determinado ponto na cena ou da superfície de um determinado polígono plano contido nela.

36 MODELOS DE TONALIZAÇÃO - Phong Shading Em cada vértice é calculado um novo Vetor Normal que é a média das normais das faces que compartilham o vértice EsteVetoréinterpoladoaolongodasarestas As Normais nos extremos de cada linha são interpoladas ao longo da mesma Ocálculodacordospontosinternosdafaceéfeita apartirdanormalparacadaponto Problema Geracurvasemobjetosquenãoaspossuem

37 MODELOS DE TONALIZAÇÃO - Phong Shading

38 MODELOS DE TONALIZAÇÃO Figuras geradas por Flat, Gouraud e Phong Shading.