I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto

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1 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 Conceitos Avançados de Síntese de Imagens Marcio Lobo Netto 2002 AULA 02 Modelos Locais de Iluminação Universidade de São Paulo Escola Politécnica Engenharia de Sistemas Eletrônicos

2 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens2 Objetivo desta aula Apresentar o modelo da câmera fotográfica Estudo da luz, de sua interação com a superfície de objetos e o processo de obtenção de imagens Modelos físicos

3 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens3 O que é Síntese de Imagens ? Síntese de imagens é uma forma de gerar imagens usando simulação computacional. A qualidade da imagem depende da qualidade do modelo usado para a simulação –acuidade geométrica do modelo –acuidade da representação do fenômeno físico de iluminação –outras

4 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens4 Porque estudar síntese de imagens?

5 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens5 Conceito da simulação processo físico de obtenção de imagens Analogia da câmera fotográfica / filmadora Estudo dos processos de –emissão de luz (fontes luminosas) –interação da luz com superfícies (reflexão, especular e difusa) –interação da luz com o meio em que se propaga (dispersão) –o processo de formação da imagem como registro da informação trazida pela luz

6 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens6 Conceito da simulação processo físico de obtenção de imagens [...] Métodos computacionais p/ simulação do conceito acima –formas de obtenção de imagens a partir do cenário 3D projeção amostragem –níveis de complexidade da simulação modelos locais de iluminação modelos globais de iluminação

7 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens7 Analogia da câmera fotográfica Processo de formação da imagem –registro de um espaço 3D virtual (cena) num espaço 2D (imagem) –método de projeção –método de amostragem –simulação dos parâmetros da câmera como foco, abertura,... (RenderMan)

8 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens8 Analogia da câmera de cinema Em animação –analogia da câmera de cinema –consideração do movimento na síntese da imagem –movimento da câmera ou de objetos no cenário

9 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens9 Método de projeção Artifício, iluminação simulada parcialmente (somente alguns aspectos) Transformação geométrica 3D => 2D (multiplicação matricial) Projeção: paralela / perspectiva –Divisão por z (profundidade), se perspectiva

10 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens10 Método de projeção Espaço 3D: cálculo da iluminação (modelos de iluminação) –quantidade de luz em determinados pontos da cena (vértices) Espaço 2D: sombreamento –interpolação da iluminação nos pontos acima para determina-la em todos os pontos da cena

11 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens11 Método de projeção Programas RenderMan OpenInventor / OpenGL

12 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens12 Método de amostragem Simulação física da propagação da luz ou da energia Observação da cena via luz ou transporte de energia Iluminação integrada no processo de simulação

13 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens13 Método de amostragem Técnicas Ray Tracing

14 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens14 Conceito Físico da Luz Modelo de onda eletromagnética –fenômenos previstos –fenômenos não previstos Modelo de partículas –fenômenos previstos –fenômenos não previstos

15 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens15 Estudo da luz (1) Natureza ondulatória da luz –campo eletromagnético (H x E) –equações de Maxell –E = E o e -j(kx + wt) H = H o e -j(kx + wt) –propagação via frente de onda: difração –polarização –componentes espectrais

16 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens16 Estudo da luz (2) Natureza de partículas da luz –fluxo de luz partículas / seção / segundo Dualidade partícula - onda –pacote de onda

17 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens17 Estudo da luz (3) Emissão de luz –fontes de luz Interação da luz com o meio em que se propaga –atmosfera ou líquidos –dispersão fenômeno que ocorre na dimensão do comprimento da luz

18 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens18 Estudo da luz (4) Interação da luz com superfícies (matéria) –reflexão especular, difusa, combinada, lustro especular difusa mista lustro BRDF BRDF: bi-directional reflection distribution function

19 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens19 Estudo da luz (5) Interação da luz com superfícies (matéria) –refração mudança da velocidade da luz => lei de Fresnel especular, difusa, combinada, lustrada ( gloss )

20 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens20 Interação luz - matéria –análise microscópica Espalhamento ( scatering ) –análise macroscópica modelo especular modelo difuso modelo combinado BRDF dL r (ω r ) = f r (ω i ω r ) dL i (ω i ) cos i dω i Estudo da luz (6)

21 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens21 Radiometria e Fotometria Radiometria –ciência da medida física da energia eletromagnética –unidades do SI: energia Joules potência Watts Fotometria –medida psico-física da sensação visual

22 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens22 Radiometria e Fotometria

23 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens23 Simulação usando modelos locais de iluminação Conceito da iluminação direta (local) –interação direta e exclusiva entre objetos e fontes de luz Modelos de interação superfície - luz –BRDF: modelos simples e refinados –métodos de iluminação e sombreamento flat Gouraud (escalar) - difusa Phong (vetorial) - difusa e especular métodos de interpolação (escalares e vetoriais)

24 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens24 Conceito de geração da imagem –métodos de projeção (usado p/ modelos locais) –métodos de amostragem (usado p/ modelos globais) Bom exemplo: Renderman / produção: Toy Story

25 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens25 Modelos locais de iluminação Conceito da iluminação direta (local) –interação direta e exclusiva entre objetos e fontes de luz L r (ω r ) = f r (ω i ω r )L i (ω i ) cos i dω i

26 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens26 Modelos de interação superfície – luz Métodos de iluminação e sombreamento –flat –Gouraud (escalar) - difusa –Phong (vetorial) - difusa e especular –Métodos de interpolação (escalares e vetoriais)

27 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens27 Modelos de interação superfície – luz Normal Luz Gouraud Phong

28 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens28 Dependência do observador reflexão difusa –pode ser calculada sem conhecimento da posição do observador –view independent (radiosity) –valor escalar atribuído pela integral de toda a luz incidente naquela parte da superfície, sem considerar direção de reflexão consideração do ângulo de incidência de cada componente a luz é refletida igualmente em todas as direções

29 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens29 Dependência do observador reflexão especular –para ser calculada depende da posição do observador –view dependent (ray tracing) –valor vetorial atribuído pela integral de toda a luz incidente naquela parte da superfície, considerando o ângulo da componente refletida consideração do ângulo de incidência para cada componente incidente consideração do ângulo de reflexão para cada componente refletida a luz é refletida preferencialmente numa única direção

30 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens30 Dependência do observador reflexão especular –valor vetorial atribuído pela integral de toda a luz incidente naquela parte da superfície, considerando o ângulo da componente refletida consideração do ângulo de incidência para cada componente incidente consideração do ângulo de reflexão para cada componente refletida a luz é refletida preferencialmente numa única direção –para observação desta componente é necessário conhecer sua relação com a orientação do observador

31 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens31 Relação entre métodos de geração de imagens e modelos de iluminação –métodos de projeção (usado p/ modelos locais) –métodos de amostragem (usado p/ modelos globais) bom exemplo: Renderman / produção: Toy Story FIGURA

32 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens32 Limitações de métodos baseados em modelos locais realismo da imagem fidelidade da simulação do processo físico decorrências –efeitos de sombra e penumbra –efeitos de iluminação secundária (indireta) –efeitos do meio

33 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens33 Exemplo RenderMan – Controle de Efeitos

34 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens34 Exemplo RenderMan – Controle de Efeitos

35 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens35 Exemplo RenderMan – Controle de Efeitos

36 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens36 Exemplo RenderMan – Toy Story

37 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens37 Exemplo RenderMan – Toy Story

38 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens38

39 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens39 Bibliografia (1) Principles of Digital Image Syntesis (2 vols.) –Andrew Glassner Radiosity & Global Energy Simulation –Francois Silion Radiosity and Realistic Image Synthesis –Michel Cohen

40 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens40 Bibliografia (2) Realistic Ray Tracing –Peter Shirley Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping –Henrik Wann Jensen Practical Parallel Rendering –Alan Chalmers

41 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens41 Notas de aula Notas de cursos e papers do SIGGRAPH

42 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens42 Trabalho p/ próxima aula Redigir um texto (~5 pag.) sobre –RenderMan –OpenGL / OpenInventor Analisando –suas características –aplicações –limitações

43 I – Modelos Locais de Iluminação Escola Politécnica da USP Engenharia de Sistemas Eletrônicos Marcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789 set. 2002Conceitos Avançados de Síntese de Imagens43 Comentários Incluir algo sobre visibilidade