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Alberto Raposo – PUC-Rio INF 1366 – Computação Gráfica Interativa Iluminação e Shading Alberto B. Raposo

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Apresentação em tema: "Alberto Raposo – PUC-Rio INF 1366 – Computação Gráfica Interativa Iluminação e Shading Alberto B. Raposo"— Transcrição da apresentação:

1 Alberto Raposo – PUC-Rio INF 1366 – Computação Gráfica Interativa Iluminação e Shading Alberto B. Raposo

2 Alberto Raposo – PUC-Rio Pipeline Gráfico Modeling Transformations Illumination (Shading) Viewing Transformation (Perspective / Orthographic) Clipping Projection (to Screen Space) Scan Conversion (Rasterization) Visibility / Display Cluter & Durand, MIT

3 Alberto Raposo – PUC-Rio Iluminação Como computar a irradiação de um raio de luz? Angel Figure 6.2 D. Brogan Univ. of Virginia

4 Alberto Raposo – PUC-Rio Objetivo Criar modelos computacionais para... –Emissão nas fontes de luz –Dispersão nas superfícies –Recepção na câmera Características desejadas … –Conciso –Eficiente –Preciso D. Brogan Univ. of Virginia

5 Alberto Raposo – PUC-Rio Sumário Iluminação direta (local) –Emissão nas fontes de luz –Dispersão nas superfícies Iluminação global –Sombras –Refrações –Reflexões Inter-objetos Iluminação direta D. Brogan Univ. of Virginia

6 Alberto Raposo – PUC-Rio Modelando Fontes de Luz I L (x,y,z, )... –descreve a intensidade de energia, –saindo de uma fonte de luz, … –shegando em (x,y,z),... –da direção ( ),... –com comprimento de onda (x,y,z) Light D. Brogan Univ. of Virginia

7 Alberto Raposo – PUC-Rio Modelos Empíricos Idealmente medem energia irradiada em todas as situações –Muita informação –Difícil na prática D. Brogan Univ. of Virginia

8 Alberto Raposo – PUC-Rio Luz Ambiente Objetos que não são iluminados diretamente são geralmente visíveis –e.g., o teto da sala, embaixo da mesa, etc. Isso é resultado da iluminação indireta dos emissores, refletida a partir de superfícies intermediárias Fonte de luz

9 Alberto Raposo – PUC-Rio Luz Ambiente Reflexões indiretas são caras de se calcular (especialmente em tempo real), por isso usa-se um truque: fonte de luz ambiente –Não tem características espaciais ou direcionais: ilumina todas as superfícies igualmente –A quantidade de luz refletida depende das propriedades das superfícies

10 Alberto Raposo – PUC-Rio Fonte de luz ambiente Para cada comprimento de onda amostrado (R, G, B), a luz ambiente refletida em uma superfície depende de –Propriedades da superfície, k ambient –Intensidade, I ambient, da fonte de luz ambiente (constante para todos os pontos em todas as superfícies) I reflected = k ambient I ambient D. Brogan Univ. of Virginia

11 Alberto Raposo – PUC-Rio Fonte de luz ambiente Cena iluminada apenas pela luz ambiente: Posição da fonte não é importante Posição do observador não é importante Ângulo de incidência não é importante D. Brogan Univ. of Virginia

12 Alberto Raposo – PUC-Rio Componente de luz ambiente É um truque para evitar complexidade do modelo de iluminação global! Representa a reflexão de toda a iluminação indireta D. Brogan Univ. of Virginia

13 Alberto Raposo – PUC-Rio Fontes de luz direcionais Para uma fonte direcional, algumas simplificações também são assumidas: –A direção de iluminação é constante para todas as superfícies da cena –Todos os raios de luz são paralelos Como se a fonte estivesse no infinito Boa aproximação para luz do Sol A direção da superfície em relação à da luz é importante –Posição da fonte e do observador não são importantes D. Brogan Univ. of Virginia

14 Alberto Raposo – PUC-Rio Fontes de luz direcionais A mesma cena anterior, agora com luz ambiente e direcional D. Brogan Univ. of Virginia

15 Alberto Raposo – PUC-Rio Comparando: D. Brogan Univ. of Virginia Só luz ambienteLuz ambiente + fonte direcional

16 Alberto Raposo – PUC-Rio Fontes de luz puntuais Uma fonte puntual emite luz igualmente em todas as direções a partir de um único ponto A direção da luz que chega em uma superfície é diferente em cada ponto: –Precisa calcular um vetor normalizado de cada ponto iluminado da superfície até a fonte: p l D. Brogan Univ. of Virginia

17 Alberto Raposo – PUC-Rio Spot Lights Spots são fontes puntuais cuja intensidade reduz (falls off) direcionalmente. –Requerem cor, ponto (localização), direção, parâmetros de falloff –Existem em OpenGL e VRML

18 Alberto Raposo – PUC-Rio VRML / X3D Iluminação: –Directional Light –PointLight –SpotLight Componente Ambiente é associado a cada uma das fontes individuais (campo ambientIntensity)

19 Alberto Raposo – PUC-Rio VRML – Directional Light The annotated VRML ref.

20 Alberto Raposo – PUC-Rio VRML – Directional Light The annoteted VRML ref.

21 Alberto Raposo – PUC-Rio VRML – Point Light

22 Alberto Raposo – PUC-Rio VRML – Point Light The annoteted VRML ref.

23 Alberto Raposo – PUC-Rio VRML – Spot Light SpotLight { color location direction radius 100 cutOffAngle beamWidth on TRUE (...) }

24 Alberto Raposo – PUC-Rio VRML – Spot Light The annoteted VRML ref.

25 Alberto Raposo – PUC-Rio Fontes de Área Definem uma superfície 2-D emissiva (por ex., disco ou polígono) –exemplo: painel de luz fluorescente D. Brogan Univ. of Virginia

26 Alberto Raposo – PUC-Rio Luzes - Atenuação M. Gattass, PUC-Rio

27 Alberto Raposo – PUC-Rio Sumário Iluminação direta (local) Emissão nas fontes de luz –Dispersão nas superfícies Iluminação global –Sombras –Refrações –Reflexões Inter-objetos Iluminação direta D. Brogan Univ. of Virginia

28 Alberto Raposo – PUC-Rio Modelando a Reflectância das Superfícies R s (, )... –descreve a quantidade de energia incidente, –chegando na direção ( ),... –saindo na direção (, ), … –com comprimento de onda Superfície ( ) ) D. Brogan Univ. of Virginia

29 Alberto Raposo – PUC-Rio Modelos Empíricos Idealmente deveriam medir energia radiante para todas as combinações de ângulos de incidência –Muita informação –Difícil na prática Superfície ( ) ) D. Brogan Univ. of Virginia

30 Alberto Raposo – PUC-Rio Reflexão difusa ideal –Um refletor difuso ideal, microscopicamente, é superfície extremamente rugosa –Devido a essas variações microscópicas, raio de luz recebido pela superfície se reflete igualmente em qualquer direção do hemisfério: A física da reflexão D. Brogan Univ. of Virginia

31 Alberto Raposo – PUC-Rio Reflexão difusa Quanto de luz é refletida? –Depende do ângulo da luz incidente Superfície dL dA D. Brogan Univ. of Virginia

32 Alberto Raposo – PUC-Rio Lei do Cosseno de Lambert Superfícies difusas ideais refletem de acordo com a lei do cosseno de Lambert : A energia refletida de uma fonte de luz em uma dada direção por um pequeno pedaço de uma superfície é proporcional ao cosseno do ângulo entre aquela direção e a normal da superfície naquele pequeno pedaço São as chamadas: superfícies lambertianas Intensidade refletida depende da orientação da superfície em relação à fonte de luz, mas independe da direção de visualização do observador

33 Alberto Raposo – PUC-Rio Lei de Lambert D. Brogan Univ. of Virginia

34 Alberto Raposo – PUC-Rio Computando a Reflexão Difusa O ângulo entre a normal da superfície e o raio incidente é chamado ângulo de incidência: I diffuse = k d I light cos Na prática, usa-se aritmética de vetores I diffuse = k d I light (n l) nl D. Brogan Univ. of Virginia

35 Alberto Raposo – PUC-Rio Componente de reflexão difusa I, l, k [0,1 ] M. Gattass, PUC-Rio

36 Alberto Raposo – PUC-Rio Exemplos de incidência difusa Consideram-se ângulos de incidência entre 0° e 90° Uma esfera lambertiana vista com diferentes ângulos de incidência: D. Brogan Univ. of Virginia

37 Alberto Raposo – PUC-Rio Reflexão Especular Superfícies brilhantes exibem reflexão especular –Ex.: Metal polido O brilho da luz sobre superfície especular gera mancha brilhante: specular highlight Onde esses highlights aparecem é função da posição do observador: –Reflexão especular depende da visão do observador! D. Brogan Univ. of Virginia

38 Alberto Raposo – PUC-Rio A física da reflexão especular No nível microscópico, superfície especular é muito lisa Raios de luz tendem a bater e refletir como espelhos Quanto mais lisa, mais próxima do espelho perfeito

39 Alberto Raposo – PUC-Rio A óptica da reflexão Reflexão segue Lei de Snell: –O raio incidente e o refletido estão no mesmo plano que a normal à superfície –O ângulo que o raio refletido forma com a normal à superfície é igual ao ângulo formado pelo raio incidente e a normal: (l)ight = (r)eflection D. Brogan Univ. of Virginia

40 Alberto Raposo – PUC-Rio Reflexão Especular Reflexão é mais forte perto do ângulo do espelho N L R D. Brogan Univ. of Virginia

41 Alberto Raposo – PUC-Rio Geometria da Reflexão N L R N (L) L R L = R D. Brogan Univ. of Virginia

42 Alberto Raposo – PUC-Rio Geometria da Reflexão N L R N (L) L R L = R cos( i )N (N. L)N D. Brogan Univ. of Virginia

43 Alberto Raposo – PUC-Rio Geometria da Reflexão N L R N (L) L R L = R 2(N. L)N D. Brogan Univ. of Virginia

44 Alberto Raposo – PUC-Rio Geometria da Reflexão N L R N (L) L = R L 2(N. L)N L R D. Brogan Univ. of Virginia

45 Alberto Raposo – PUC-Rio Geometria da Reflexão N L R N (L) L R L = R L 2(N. L)N D. Brogan Univ. of Virginia

46 Alberto Raposo – PUC-Rio Reflectância especular não-ideal Lei de Snell se aplica para superfícies perfeitas mas, tirando os espelhos, poucas superfícies têm essa perfeição na reflexão Como capturar as reflexões softs de uma superfície não-perfeita? Hipótese: a maior parte da luz se reflete de acordo com Lei de Snell, mas alguma luz se reflete em direções ligeiramente diferentes da ideal D. Brogan Univ. of Virginia

47 Alberto Raposo – PUC-Rio Reflectância especular não-ideal: Aproximação Empírica Ilustração da distribuição da reflexão: D. Brogan Univ. of Virginia

48 Alberto Raposo – PUC-Rio Modelo de Iluminação de Phong Modelo mais usado em Computação Gráfica: n shiny é constante puramente empírica que faz variar a taxa de falloff da reflexão Nenhum fundamento físico, mas funciona em Computação Gráfica v D. Brogan, Univ. of Virginia

49 Alberto Raposo – PUC-Rio Modelo de Iluminação de Phong O termo do cos pode ser calculado via aritmética de vetores: –v é o vetor unitário em direção ao observador –r é a direção de reflexão ideal v D. Brogan Univ. of Virginia

50 Alberto Raposo – PUC-Rio Phong: o termo n shiny brilho D. Brogan Univ. of Virginia

51 Alberto Raposo – PUC-Rio Componente de reflexão especular I, l, k [0,1 ] M. Gattass, PUC-Rio

52 Alberto Raposo – PUC-Rio Exemplos: Phong Esferas com modelo de Phong, variando l e n shiny : D. Brogan Univ. of Virginia

53 Alberto Raposo – PUC-Rio Combinando Tudo Modelo analítico simples: –reflexão difusa + –reflexão especular + –emissão + –ambiente Superfície D. Brogan Univ. of Virginia

54 Alberto Raposo – PUC-Rio Combinando Tudo Modelo analítico simples: –reflexão difusa + –reflexão especular + –emissão + –ambiente D. Brogan Univ. of Virginia Surface

55 Alberto Raposo – PUC-Rio Equação Final Combinada Para uma fonte de luz: N L R V observador D. Brogan Univ. of Virginia

56 Alberto Raposo – PUC-Rio Equação Final Combinada Para várias fontes de luz: N L2L2 V observador L1L1 D. Brogan Univ. of Virginia

57 Alberto Raposo – PUC-Rio Modelo de Reflectância do OpenGL Soma difusa, especular, emissão e ambiente D. Brogan Univ. of Virginia

58 Alberto Raposo – PUC-Rio VRML – Material Node

59 Alberto Raposo – PUC-Rio Sumário Iluminação direta (local) Emissão nas fontes de luz Dispersão nas superfícies Iluminação global –Sombras –Refrações –Reflexões Inter-objetos Iluminação direta D. Brogan Univ. of Virginia

60 Alberto Raposo – PUC-Rio Iluminação Global Noção de que um ponto é iluminado não só pelos raios provenientes das fontes locais, mas também por todos os emissores e refletores na cena global

61 Alberto Raposo – PUC-Rio Exemplo: reflexão de outros objetos Superfície especular M. Gattass, PUC-Rio

62 Alberto Raposo – PUC-Rio Aplicando a Iluminação: Tonalização (Shading) Já temos modelo de iluminação para ponto na superfície Assumindo que superfícies são malhas de polígonos, que pontos usar? –É cálculo muito custoso –Há várias possibilidades, cada uma gerando qualidade visual diferente

63 Alberto Raposo – PUC-Rio Aplicando a Iluminação Com malhas poligonais/triangulares: –Cada face tem normal constante –Se a luz é direcional, a reflexão difusa é constante ao longo da face. (Só depende da normal – constante – e da direção de incidência dos raios – também constante no caso de luz direcional.)

64 Alberto Raposo – PUC-Rio Flat Shading Abordagem mais simples: calcula iluminação em um único ponto para cada polígono D. Brogan Univ. of Virginia

65 Alberto Raposo – PUC-Rio Flat shading não é realista para objetos facetados Para fontes puntuais, direção da luz varia ao longo da face Para reflexão especular, a direção dos olhos varia ao longo da face D. Brogan Univ. of Virginia

66 Alberto Raposo – PUC-Rio Flat Shading Pode ser refinado usando o modelo de iluminação de Phong em cada pixel de cada polígono, mas o resultado ainda será claramente facetado: D. Brogan Univ. of Virginia

67 Alberto Raposo – PUC-Rio Normais dos vértices Para conseguir visualizações mais lisas das superfícies, pode-se usar a normais dos vértices de cada polígono –Geralmente diferente da normal da face –Usada apenas para shading –Imagine como uma melhor aproximação da superfície real do que os polígonos D. Brogan Univ. of Virginia

68 Alberto Raposo – PUC-Rio Normais dos vértices Podem ser –Dadas com o modelo –Calculadas diretamente –Aproximadas pela média das normais das faces que copartilham o vértice D. Brogan Univ. of Virginia

69 Alberto Raposo – PUC-Rio Gouraud Shading Abordagem mais comum em CG –Executa modelo de iluminação de Phong nos vértices –Interpola linearmente os resultados sobre as faces Ao longo das arestas Ao longo das scanlines C1C1 C2C2 C3C3 c 1 + t 1 (c 2 -c 1 ) c 1 + t 2 (c 3 -c 1 ) c 1 + t 1 (c 2 -c 1 ) + t 3 (c 1 + t 2 (c 3 -c 1 )- c 1 + t 1 (c 2 -c 1 )) –OpenGL, VRML D. Brogan Univ. of Virginia

70 Alberto Raposo – PUC-Rio Gouraud Shading Artefatos aparecem às vezes Não tem componente especular preciso –Se existente, seria distribuído em todo o polígono C1C1 C2C2 C3C3 Não dá para fazer esse efeito! D. Brogan Univ. of Virginia

71 Alberto Raposo – PUC-Rio Gouraud Shading C1C1 C2C2 C3C3 l Artefatos –Mach Banding n Ocorre nas descontinuidades de intensidade ou na derivada da intensidade C4C4 Descontinuidade na taxa de mudança de cores D. Brogan Univ. of Virginia

72 Alberto Raposo – PUC-Rio Phong Shading Não é a mesma coisa que o modelo de iluminação de Phong! –Phong lighting: modelo empírico que foi mostrado para cálculo da iluminação em um ponto de uma superfície –Phong shading: interpolação linear da normal da superfície ao longo da face, aplicando o modelo de iluminação de Phong em cada pixel Mesmo input que Gouraud Resultados geralmente muito melhores Muito mais caro computacionalmente D. Brogan Univ. of Virginia

73 Alberto Raposo – PUC-Rio Phong Shading Interpola linearmente as normais dos vértices –Calcula equações de iluminação em cada pixel –Pode usar componente especular N1N1 N2N2 N3N3 N4N4 Normais são usadas nas componentes difusa e especular Descontinuidade na derivada da normal é mais difícil de detectar visualmente D. Brogan Univ. of Virginia

74 Alberto Raposo – PUC-Rio Suavização da tonalização c1c1 c4c4 c2c2 c3c3 c 12 c 43 c N1N1 N4N4 N2N2 N3N3 N 12 N 43 c Gouraud Phong N M. Gattass, PUC-Rio

75 Alberto Raposo – PUC-Rio Limitações das Tonalizações Silhuetas poligonais permanecem Gouraud Phong D. Brogan Univ. of Virginia

76 Alberto Raposo – PUC-Rio Resumo de tonalização Flat Shading –Calcula a iluminação de Phong uma única vez para cada polígono Gouraud Shading –Calcula a iluminação de Phong para os vértices e interpola os valores obtidos ao longo do polígono Phong Shading –Interpola as normais ao longo do polígono e calcula a iluminação de Phong ao longo de todo o polígono

77 Alberto Raposo – PUC-Rio Informações Adicionais Peter Shirley. Fundamentals of Computer Graphics, A K Peters, Ltd., Natick, MA, USA, Foley, J. D., Van Dam, A., Feiner, S. K., e Huhes, J. F., Phlips, L. R., Introduction to Computer Graphics, Addison-Wesley, Rogers, D. F., Procedural Elements for Computer Graphics. McGraw-Hill, 1985 Marcelo Gattass: notas de aula. rio.br/~mgattass/cg.html The Annotated VRML 97 Reference: AnnotatedVrmlRef/Book.html


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