Computação Gráfica: Aula5: Rendering e Rasterização

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1 Computação Gráfica: Aula5: Rendering e Rasterização

2 Fases do Processo de Realismo Visual Realismo por Passadas
Conteúdo: Rendering Fases do Processo de Realismo Visual Realismo por Passadas Acabamentos não-fotográficos Rasterização Algoritmo de Bresenham para traçado de linhas Rasterização de Polígonos Preenchimento de polígonos por scanline Remoção de Linhas e Superfícies Escondidas Biografia: Computação Gráfica: Teoria e Prática; Eduardo Azeredo e Aura Conci; Editora Campus; (Volume Antigo!!!)

3 O que é o Rendering A computação gráfica trata da síntese de imagens através do computador. Sintetizar uma imagem não é mostrá-la no computador digitalmente a partir da captura de algo existente. Isso é tratado no Processamento de Imagens. Sintetizar uma imagem (uma cena ou um objeto) é criá-la em termos da definição dos dados dos objetos que a compõe. Isso se faz a partir da geometria da cena, das informações sobre os materiais de que são feitos os objetos (suas cores e suas texturas), das condições de iluminação ambiente; e da posição de observação da cena. Nesse processo de criação sintética, é denominado rendering a fase de Introdução nas cenas, do realismo fotográfico. Basicamente, podemos descrevê-la por “realismo visual”. Podemos interpretar o processo de rendering como o de converter dados em uma imagem realística ou simplesmente sintetizar um objeto ou cena até ter-se deles uma aparência de algo real e não de formas inteiramente criadas no computador.

4 Fases do Processo de Realismo Visual
Construção do modelo Transformações lineares Eliminação de polígonos ou faces escondidas Clipping Rasterização Culling Coloração, Textura e Iluminação

5 Realismo por passadas Pelo já comentado, deve ter ficado claro que a construção de uma cena realística é um processo incremental. Isso ocorre tanto no nível conceitual discutido anteriormente, quanto no nível das técnicas e softwares disponíveis para a realização das diversas fases do processo. Essa forma de criação de cenas realísticas é denominada de realismo por passadas. Assim, a renderização por passadas é a forma utilizada pela grande maioria dos sistemas para geração de cenas realísticas. Esse processo permite que os atributos de uma cena sejam renderizados separadamente da sua geração ou modelagem e, em muitos casos que, diversas técnicas e softwares participem do processo de inclusão do grau de realismo desejado à cena.

6 Realismo por passadas Vantagens do realismo por passadas:
economia de memória facilidade de introdução de modificações maior utilização das imagens estáticas pode eliminar o anti-alizing integração reciclagem deph of field (simulação de foco) glows (incandescência)

7 Realismo por passadas Tipos de passadas: Cores Iluminação Reflexões
Sombras Efeitos Especiais Profundidade

8 Rasterização É o processo de conversão da representação vetorial para a matricial. Ela permite realizar a conversão de um desenho tridimensional qualquer em uma representação inteira possível de ser armazenada na memória (de vídeo ou impressão) de um dispositivo raster.

9 Rasterização

10 Rasterização de Retas Algoritmo de Bresenham para Traçado de Linhas
x = x1 y = y1 Dx = x2 – x1 Dy = y2 – y1 m = Dy/Dx e = m – 1/2 for i = 1 to Dx do desenhaPonto(x,y) while e >= 0 do y = y + 1 e = e – 1 end while x = x + 1 e = e + m end for

11 Rasterização de Polígonos

12 Algoritmo DDA para rasterização de Poligonos
Se abs(x2 – x1) >= abs(y2 – y1) então Tamanho = abs(x2 – x1) else Tamanho = abs(y2 – y1) end if {seleciona o maior dos valores entre Dx e Dy como unidade rasterização} Dx = (x2 – x1) / Tamanho Dy = (y2 – y1) / Tamanho i = 1 Enquanto i <= Tamanho faça DesenhaPonto( x, y) {Arredonda x e y: valor arredondado de x e y} x = x + Dx y = y + Dy i = i + 1 Fim Enquanto

13 Preenchimento de Poligono por ScanLine
Exceto nas bordas, pixels adjacentes em um polígono possuem as mesmas características. Essa propriedade é chamada coerência espacial. Assim, os pixels de uma dada linha (scan line) variam somente nas bordas do polígono. O processo de determinar quais pixels serão desenhados no preenchimento é chamado conversão de varredura (scan conversion), e mostrado na Figura 7.6.B. A scan line 4, por exemplo, pode ser dividida nas regiões x < 1 (fora do polígono), 1 <= x <= 4 (dentro do polígono), 4<x<6 (fora do polígono), 6 <= x  8 (dentro do polígono) e x > 8 (fora do polígono).

14 Preenchimento de Poligono por ScanLine
Peseudo-código? Deixo como exercício pra cair na prova!

15 Remoção de Linhas e Superfícies Escondidas

16 Remoção de Linhas e Superfícies Escondidas

17 Remoção de Linhas e Superfícies Escondidas
É importante uma forma de identificação de linhas, arestas ou superfícies visíveis e não visíveis, principalmente para que seja possível decidir se a mesma deverá ser traçada ou não, visando principalmente conservar a fidelidade, resolução e agilidade da representação. Em computação gráfica, esses conceitos são muito importantes, principalmente porque para o computador não faz diferença se as arestas ou superfícies são visíveis ou não. Os diferentes algoritmos deverão realizar as seguintes tarefas: Ler as coordenadas tridimensionais do objeto, e armazená-las em forma de matriz. Localizar no espaço 3D a posição do observador, através da qual definirá os parâmetros de visibilidade. Calcular o vetor normal 3D de cada face do objeto. Calcular o vetor da linha de visibilidade para cada face do objeto. Esse vetor é definido pela ligação de algum ponto da face ao observador.

18 Remoção de Linhas e Superfícies Escondidas
Realizar o teste de visibilidade. Isso é feito verificando a magnitude do ângulo formado pela normal à face em consideração e a linha de visibilidade. Esse é o ângulo identificado com a letra grega beta ß. Se o valor absoluto do ângulo ß estiver entre 90° e 180°, a superfície estará invisível. A superfície estará visível se esse ângulo estiver entre –90° e 90°. O teste de visibilidade é feito através do ângulo em um dos lados de um cubo. O teste de visibilidade é o ponto central do algoritmo de culling.

19 Remoção de Linhas e Superfícies Escondidas
Definir os vértices (ou cantos) das faces do objeto e armazená-los de forma matricial (raster). Verificar os vértices (ou cantos) visíveis, com seus respectivos posicionamentos. Traçar as arestas das faces visíveis, que revelarão o objeto como enxergado de um determinado ponto de vista. Se desejado, é possível traçar também as linhas não-visíveis (tracejadas ou não) naquele ponto de vista.

20 Hidden Surface Removal (HSR): Algoritmos de remoção de superfícies escondidas
Algoritmo de Visibilidade por Prioridade ou Algoritmo do Pintor; Algoritmo de Eliminação de Faces Ocultas pelo Cálculo da Normal; Algoritmo Z-Buffer.

21 Algoritmo de Visibilidade por Prioridade ou Algoritmo do Pintor
Usando uma linha simplificada de raciocínio como: se um objeto “A” bloqueia a visão de um objeto “B” e ambos os objetos encontram-se na mesma linha de visão do observador, então o objeto “B” está mais distante do observador que o objeto “A”, é possível criar um algoritmo que calcule a distância dos objetos ao observador, e que dê prioridade à visualização dos objetos mais próximos ao observador. Calcula-se a distância ao observador de todas as faces poligonais da cena (que chamaremos de D); Ordenam-se todos os polígonos pelo valor da sua distância ao observador,D; Resolvem-se as ambigüidades nos casos em que as distâncias ao observador (D) de dois polígonos forem iguais (verificando se ocupam as mesmas posições rasterizadas ou não); Desenham-se primeiro os polígonos que tiverem mais distantes do observador (ou seja, os que tiverem maior valor de D).

22 Algoritmo de Visibilidade por Prioridade ou Algoritmo do Pintor

23 Eliminação de Faces Ocultas pelo Cálculo da Normal
Ler as coordenadas do objeto no espaço tridimensional, considerando um ponto de referência e armazená-las em forma de matriz; Localizar no espaço a posição do observador, através da qual serão definidos os parâmetros de visibilidade; Calcular o vetor normal de cada face do objeto; Calcular o vetor da linha de visibilidade para cada face do objeto; Realizar o teste de visibilidade calculando o produto escalar entre os dois vetores: Se n . l > 0, a face estará visível Se n . l < 0, a face estará invisível Definir os cantos das faces do objeto e armazená-los em forma matricial; Verificar os cantos visíveis, com seus respectivos posicionamentos; Traçar as arestas das faces visíveis, que revelarão o objeto como observado de um determinado ponto de vista. Se desejável, é possível traçar também as linhas não-visíveis naquele ponto de vista.

24 Algoritmo Z-Buffer O algoritmo z-buffer, desenvolvido inicialmente por Catmull [Catmull, 74], é um dos algoritmos de determinação de visibilidade de superfícies mais simples de se implementar, tanto em software quanto em hardware, e hoje é o mais popular dentre os algoritmos de HSR. Porém, apresenta alto custo de memória e processamento. Requer a alocação de até dois buffers, ou matrizes, em memória, com dimensões idênticas à tela de apresentação, normalmente denominados buffers de Imagem e de Profundidade. Criar e inicializar com a cor de fundo um array bidimensional, que conterá a informação de cada pixel da tela; Inicializar o array com o valor da máxima profundidade; Achar a coordenada z para cada ponto do polígono; Testar a profundidade z de cada ponto da superfície para determinar a mais próxima do observador; Atualizar o valor nos arrays se z estiver mais próximo do observador.

25 Para cada polígono P da cena Para cada pixel (x, y) de um polígono P
Algoritmo Z-Buffer Para cada polígono P da cena Para cada pixel (x, y) de um polígono P computar z_depth na posição x, y se z_depth < z_buffer (x, y) então defina_pixel (x, y, color) troque o valor : z_buffer (x, y) = z_depth