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Iluminação Global Rastreamento de Raios Estocástico.

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Apresentação em tema: "Iluminação Global Rastreamento de Raios Estocástico."— Transcrição da apresentação:

1 Iluminação Global Rastreamento de Raios Estocástico

2 Those Were the Days In trying to improve the quality of the synthetic images, we do not expect to be able to display the object exactly as it would appear in reality, with texture, overcast shadows, etc. We hope only to display an image that approximates the real object closely enough to provide a certain degree of realism. – Bui Tuong Phong, 1975

3 Novas demandas

4 Física da luz Modelo de ondas –Óptica geométrica Modelo quântico h = constante de Planck ( J.s) f = freqüência (Hz) [ c = f m/s] c = velocidade da luz ( m/s) Energia de um photon:

5 Energia e Fluxo Radiante n fótons com comprimento de onda : 1 fótom com comprimento de onda : Energia radiante: Fluxo radiante: [J/nm] [J] [J/s=Watts]

6 Revisão: Três conceitos básicos importantes área aparente ângulo sólido luminosidade vs. radiação

7 Área aparente (foreshortening) θ A Uma área A vista de um ângulo é equivalente a uma área menor, A cos, tanto para emitir quanto para receber radiação luminosa. n

8 Ângulo sólido r l α círculo (esfero radianos) esfera a r

9 Ângulo sólido em coordenadas polares

10 r d r sin d

11 dl n cos dl (esfero radiano) r Ângulos de elementos infinitesimais

12 Luminosidade vs. Radiação: sensibilidade dos cones do olho humano olho humano: cones (SML) e bastonetes (cegos para cor) fração de luz absorvida por cada cone comprimento de onda (nm) 380 nm 780 nm

13 Luminosidade vs radiação sensibilidade relativa nm Fração da luz absorvida pelo olho Luminous efficacy – the efficiency of a light source in producing visible light, expressed in lumens per Watt. Note – the Watts can be measured as a radiometric quantity or at the electrical source. The distinction is generally specified.lumensWattradiometric 0% 50% 100%

14 Radiometria Newcomers to light measurement are often bewildered by the galaxy of arcane terms which surround it. To make matters worse, some of these terms (the worst offender is probably intensity) are common words that often carry different meanings in other, even closely related, fields. Sunrise Instruments, LLC

15

16 Potência Radiante Energia total emitida por/que atravessa/incide em uma superfície por unidade de tempo. Unidade: Watt (W) = Joules/segundo (J/s) Sol: Corpo negro: Exemplos:

17 Irradiancia (irradiação?) ou iluminação Irradiance – flux per unit area impinging onto a surface. The radiometric unit is watts per square meter; the photopic unit is lumens per square meter or, equivalently, lux. Note – the term irradiance says nothing about the direction at which light strikes the surface.radiometricwattsphotopiclumenslux Illuminance – photopic irradiance. The unit is lumens per square meter, or, equivalently, lux.photopic irradiancelumens lux p fluxo [ Watts ou Lumens] ou

18 Radiosidade Potência radiante emitida por uma superfície, por unidade de área p fluxo [ Watts ou Lumens]

19 Radiancia ou Luminância

20 Radiance – the amount of flux radiated by a projected area of surface per steradian of solid angle. The radiometric unit is watts per square meter per steradian;projected area steradiansolid angleradiometricwatts Luminance – photopic radiance. The unit is lumens per square meter per steradian or, equivalently, candela per square meter.radiancelumenscandela

21 Radiancia ou luminosidade numa superfície

22 Radiosidade Radiancia

23 Radiosidade de refletores lambertianos Na radiosidade clássica, a reflexão é perfeitamente lambertiana, isto é, espalha luz incidente uniformemente em todas as direções –A radiância L (p, θ, ) de um ponto p não depende da direção e pode ser escrita mais simplesmente como L(p) –A radiosidade B(p) pode ser então ser escrita como: Esperança e Cavalcanti UFRJ

24 Fluxo Radianate de um Emissor Difuso Uniforme

25 Radiância do sol supondo uniforme

26 Irradiação do Sol na Terra e em Marte Sol Terra Marte 227,940,000 km 149,600,000 km vácuo 12:00 h

27 Ângulos sólidos na Terra e no Sol

28 Que medida física da luz corresponde a intensidade rgb?

29 Modelo de câmera pinhole dA p dA c irradiação sobre o pixel radiância dos pontos visíveis na direção da câmera Câmeras e olhos humanos são sensíveis a radiância

30 Câmeras reais sceneimage planelens Image Irradiance:Scene Radiance:

31 Câmeras com lentes O c p dA c α dA p (área correspondente a dA c )

32 Radiancia emitida por c na direção de p O c p α d dA c dA p

33 Ângulo sólido O c α d r dA c

34 Relação entre as áreas O c p α o i dA c dA p

35 Irradiação sobre o sensor O P p α d quando foco no dA c dA p

36 Irradiação (irradiância) no sensor da câmera é proporcional a: radiância do objeto da cena; área da lente; variação do cos 4

37 Equipamento utilizado Creative WebCam Pro 640x480 (VGA) color CMOS Sensor USB 1.1 Interface

38 = arc tg (0,9/2,0) = 24 o cos 4 = 0,7 1,8m 2,0m Calculou-se, segundo as proporções de captura sobre as quais foram geradas as imagens da tela, o ângulo. Foi possível verificar que a iluminação nos pontos da tela decresce proporcionalmente a cos 4.

39 R=75 G=95 B=165 R=55 G=70 B=110 R=53 G=67 B=115 0,7 P1P1 P 1 0,7 P2P2 P 1 – pixel no centro da tela P 2 – pixel no canto da tela, na horizontal de P 1

40 Sem correção

41 Com correção radiométrica

42 Sem correção

43 Com correção radiométrica

44 Sem correção

45 Com correção radiométrica

46 Sem correção

47 Com correção radiométrica

48 Estudo da Radiância

49 Propriedades da Radiância Radiância é invariante em uma linha reta A radiância que sai de x em direção a y é igual a radiância que chega em y vindo de x. (se o meio não interfere)

50 prova: potência emitida de dA x para dA y

51 prova: (cont.) potência recebida em dA y vinda de dA x

52 Radiância de uma superfície Fluorescência: freqüência diferente Fosforescência: freqüência diferente e significativamente mais tarde da absorção

53 Radiância de uma superfície (2)

54 Modelagem de pele Images from Jensen et. al, SIGGRAPH 2001

55 Simplificação: emite no mesmo ponto, tempo e freqüência (sr -1 ) i dωidωi p o constante (experimentalmente) BRDF: Bidirectional Reflectance Distribution Function

56 BRDF – Bidirectional Reflectance Distribution Function (em coordenadas esféricas) θiθi dωdω i LiLi p LoLo (sr -1 )

57 Modelos para a BRDF Images from Marc Levoy Medidas de modelos reais

58 Tipos de efeitos modelados Anisotropia θiθi i EiEi p LoLo Plastico vs Metal

59 Materiais Fisicamente Plausíveis Reciprocidade Conservação de energia

60 Reciprocidade detector Fonte de luz detector Fonte de luz

61 Conservação de Energia Tomando

62 Cálculo da radiância refletida em uma direção p

63 Radiância que chega no sensor xoxo zozo yoyo Câmara xexe yeye zeze eye

64 Equação de renderização

65 Integração de Monte Carlo x i - variável aleatória uniforme [ p(x i ) = 1 ] f(x)f(x) x 1 0

66 Exemplo de MC

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68 Estimativa da reflexão local x

69 Rstreamento de Raios Estocástico x

70 Probabilidade Uniforme da Semi-Esfera … u 1 e u 2 são duas variáveis aleatórias em [0,1]

71 Uma Arquitetura para Síntese de Imagens Fotorrealistas Baseada em Técnicas de Monte Carlo Otávio de Pinho Forin Braga

72 Reflexão Local Sabemos que Integrando sobre o hemisfério superior BRDF define operador de reflexão

73 Reflexão Local Formulação por Área é a função de visibilidade

74 Emissão de Luz Gerada por inúmeros processos: –Incandescência –Quimiluminescência –Fluorescência –Fosforescência –Etc... Nos interessa apenas a distribuição resultante Definida em

75 A Equação do Transporte da Luz Emissão independente da reflexão Expandindo o operador de reflexão:

76 Convergência garantida pela conservação de energia Expansão em Série de Neumann

77 Integral de Caminhos onde

78 Integral de Caminhos

79

80 Primeira Aproximação Resta ainda saber como calcular cada termo Integral de dimensão arbitrariamente grande

81 Primeira Aproximação (Recapitulando...) Resta ainda saber como calcular cada termo Integral de dimensão arbitrariamente grande

82 Solução para a ETL por Integração de MC Calculamos cada termo por integração de MC Geramos n caminhos Estimador

83 Amostrando Caminhos Devemos priorizar a escolha dos caminhos mais importantes Fazer isso de maneira global é difícil Construir caminhos com decisões locais

84 Caminhos como Cadeias de Markov (Kajiiya 86) Construção incremental partindo de Em cada, escolhemos com probabilidade Distribuição dos caminhos

85 Construindo os Caminhos Dado um vértice, como escolher ?

86 Transições Internas Caminhos geometricamente impossíveis

87 Transições Internas Amostrar direção Automaticamente amostramos por importância

88 Transições Internas Densidade em relação ao ângulo sólido Novo estimador: Transições internas Transição final

89 Amostrando BRDFs

90 Transição Final Problema puramente geométrico

91 Amostragem uniforme por ângulo sólido projetadoAmostragem uniforme por ângulo sólido Amostrando Uma Fonte Amostragem uniforme por área

92 Amostrando Várias Fontes n fontes de luz Escolhemos uma das fontes com probabilidade qi Ponderamos o estimador i por 1/qi Caso mais simples: qi = 1/n qi igual à fração da potência da fonte i

93 Roleta Russa Problemas: –Gastamos mais tempo nos termos menos importantes –Onde truncar a série?

94 Roleta Russa Evitar aleatoriamente a avaliação do resto da soma Podemos fazer isso a cada passo n pode ser arbitrariamente grande

95 Consideração sobre Eficiência

96 Reutilização de Prefixos Introduz correlação entre os termos Aumento na variância Mas calculamos mais caminhos em um dado tempo

97 O Ciclo de Amostragem do Filme

98 O Núcleo da Geometria

99 Estratégias para Calcular a Radiância Implementam uma estratégia em computeRadiance(ray)

100 BRDF spectrum evaluate(vector wi, vector wo); spectrum sample(vector wo, vector *wi, float *pdf); float pdf(vector wo, vector wi);

101 Fontes de Luz Toda primitiva pode ser emissora Coleção das primitivas emissoras na cena Permite que amostremos somente as fontes Esforço principal está nas primitivas geométricas: vector sample(point p, float *pdf, ray *r); vector sample(point p, vector n, float *pdf, ray *r);

102 Iluminação global Resultados Iluminação direta

103 Resultados 1 amostra por pixel10 amostras por pixel 100 amostras por pixel

104 Resultados 25 amostras por pixel 81 amostras por pixel 512x amostras por pixel ~ 5h 30 min

105 Resultados Geometria complexa ~ 900 mil triângulos ~ 3 min

106 Resultados

107 FIM


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