A apresentação está carregando. Por favor, espere

A apresentação está carregando. Por favor, espere

An Improved Illumination Model for Shaded Display António Oliveira Paula Rego Iluminação e FotoRealismo Turner Whitted.

Apresentações semelhantes


Apresentação em tema: "An Improved Illumination Model for Shaded Display António Oliveira Paula Rego Iluminação e FotoRealismo Turner Whitted."— Transcrição da apresentação:

1 An Improved Illumination Model for Shaded Display António Oliveira Paula Rego Iluminação e FotoRealismo Turner Whitted

2 2 Estrutura da Apresentação Introdução Modelo de Iluminação Modelos Convencionais Modelo Melhorado – Reflexão Especular – Transmissão Refractiva – Índices de Refracção – Geração de Árvores de Raios – Cálculo de Visibilidade – Ray Tracing Recursivo Resultados Conclusões

3 3 Introdução O cálculo eficiente (e correcto) da iluminação de uma cena é um problema fundamental da computação gráfica Um modelo de iluminação determina a luz que chega ao observador a partir de um ponto visível numa superfície O shading é o processo de realizar cálculos de iluminação e determinar a cor dos pixeis a partir desses cálculos – O modelo de Shading determina quando é aplicado o modelo de Iluminação e que argumentos recebe Os cálculos de shading podem ser efectuados a escalas diferentes: – microscópica – local – global

4 4 Modelo de Iluminação A luz recebida é função de: – direcção e intensidade da fonte de luz – posição do observador – orientação e propriedades da superfície

5 5 Modelo de Iluminação As interacções luz - superfície são de natureza microscópica Contudo, os modelos são normalmente bastante limitados: – consideram apenas a interacção fonte de luz e orientação da superfície, ignorando o ambiente que a rodeia Os algoritmos de determinação de superfícies visíveis tradicionais não fornecem os dados globais necessários

6 6 Modelos Convencionais Reflexão Difusa – Os difusores ideais comportam-se de acordo com a Lei de Lambert (do coseno) a luz reflectida, por uma pequena superfície é determinada pelo co-seno do ângulo entre a normal à superfície e a direcção da luz – As superfícies reflectem luz com igual intensidade em todas as direcções surgem igualmente brilhantes a partir de todos os pontos de vista I = I p *k d * (N.L) = I p *k d *cos

7 7 Modelos Convencionais Reflexão Especular – Modelo de Phong fontes de luz a distância infinita não considera a luz reflectida por outros objectos os objectos não funcionam como fontes de luz não afecta o realismo da reflexão difusa fontes luz fontes luz fontes luz fontes luz I = I a + k d (N. L j ) + k s (R. V) n j=1 j=1 j=1 j=1 I = intensidade reflectida I a = reflexão devida à luz ambiente k d = coeficiente reflexão difusa N = normal à superfície (unitária) L j = vector na direcção da fonte de luz i k s = coeficiente reflexão especular n = expoente de reflexão especular do material

8 8 Modelos Convencionais O Modelo de Phong afecta significativamente a qualidade das reflexões especulares – Não é incluída a luz reflectida por outros objectos Formulação Alternativa (Blinn e Newell, 1976) – esfera de raio infinito – fontes de luz e observador a distância infinita j=ls j=ls j=ls j=ls I = I a + k d (N. L j ) + k s (N. H j ) n j=1 j=1 j=1 j=1 H = (L+V)/2 normal na direcção a metade da distância entre L e V

9 9 Modelos Convencionais Sombras – É um dos aspectos mais importantes no modelo de iluminação – Um ponto numa superfície está em sombra se for visível ao observador, mas não à fonte de luz Transparência – A transmissão da luz através de objectos transparentes tem sido simulada em algoritmos que desenham as superfícies segundo a ordem inversa de profundidade (Algoritmo Depth-Sort – Newell et al., 1972) – Produção de imagens interessantes, mas não simula a refracção

10 10 Modelo Melhorado Introduzido por Turner Whitted (1980) onde: – S = intensidade da luz incidente a partir de R (raio reflectido) – k s = coeficiente de reflexão especular do material – k s = coeficiente de transmissão – T = intensidade da luz na direcção P (raio refractado)

11 Reflexão EspecularIntensidade da Luz Refracção N + V VN R -N P (N + V)k f V = V / |V*N| R = V + 2N P = k f (N + V) - N onde k f = função do índice de refracção k n Superfície reflectora Perfeitamente lisa

12 12 Reflexão Especular A reflexão especular de uma superfície rugosa – Produzida por faces microscópicas – Intensidade proporcional à distribuição das normais da superfície Simulando esta reflexão (baseado no trabalho de J.F. Blinn) – Variações aleatórias na normal da superfície – Simular faces microscópicas orientadas aleatoriamente – Impraticável em termos computacionais Escolher a adição do termo de Phong

13 13 Transmissão Refractiva Dados os índices de refracção dos 2 lados de uma superfície, pode-se calcular o ângulo para V e P usando a Lei de Snell

14 14 Índices de Refracção Razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz numa substância SubstânciaÍndice Vácuo1,0 Ar1,00029 Água1,33 Vidro1,52 Diamante2,417 Safira1,77 Sal1,54

15 15 Geração de Árvores de Raios A luz é reflectida a partir de várias superfícies O comportamento dos raios de luz podem ser modelados através de uma árvore O shader percorre a árvore, aplicando a equação em cada nodo para calcular a intensidade (esta é atenuada por uma função linear da distância entre os pontos de intersecção)

16 16 Cálculo da Visibilidade Um algoritmo de Ray Tracing constitui uma boa aproximação: – Abordagem inicial: traçar raios de luz desde as fontes de luz até ao observador – forward Ray Tracing – Whitted desenvolve um modelo aproximado considerando os raios de luz que chegam ao observador no sentido inverso – backward Ray Tracing O cálculo não termina com o primeiro objecto intersectado pelo raio – Considera também os raios reflectidos e refractados – Objectos são visíveis através de reflexões em outros objectos

17 17 Cálculo da Visibilidade Simplificações: – Considerar um volume envolvente para cada objecto na cena – Se não for intersectado, o objecto pode ser eliminado – Por questões de simplicidade de representação e facilidade de cálculo de intersecção, são usadas esferas

18 18 Cálculo da Visibilidade O algoritmo faz anti-aliasing Aliasing é mais aparente em 3 casos: – Mudanças bruscas de intensidade – Objectos pequenos localizados entre os pontos de amostragem – Textura mapeada a uma superfície O Anti-aliasing é aplicado apenas nas regiões afectadas pelos 3 casos

19 19 Ray Tracing Recursivo Para cada pixel da imagem – Calcular raio que passa pelo pixel e observador – Determinar objecto intersectado pelo raio Ponto de intersecção Normal Propriedade do material Propriedade de textura – Calcular contribuição da iluminação ambiente – Para cada fonte de luz determinar visibilidade (raios sombra) Se fonte visível, adicionar contribuição reflexão difusa – Se não foi atingido limite de recursividade Adicionar contribuição da reflexão especular Adicionar contribuição da refracção

20

21 21 Ray Tracing Recursivo seleccionar o centro de projecção e a janela no plano de visualização; for(cada scan line na imagem) { for (cada pixel na scan line) { determinar raio a partir do centro de projecção através do pixel; pixel=RT_trace(raio,1); }

22 22 Ray Tracing Recursivo RT_cor RT_trace(RT_ray raio, int depth) { determinar a intersecção mais proxima do raio com um objecto; if (objecto foi intersectado) { calcular normal na intersecção; return RT_shade(objecto de intersecção mais próxima, intersecção, normal, depth); } else return BACKGROUND_VALUE; }

23 23 Ray Tracing Recursivo – Iluminação Directa Cor = termo ambiente; for (cada luz) { SRaio = raio para a luz a partir do ponto; If (produto escalar da normal e direcção para a luz é positivo) { Calcular quanta luz é bloqueada por superfícies opacas e transparentes, e usar termos difusos e especulares para escalar antes de os adicionar à cor; }

24 24 Ray Tracing Recursivo – Iluminação indirecta if (depth

25 25 Ray Tracing Recursivo Condições de terminação: – Se os raios reflectidos ou refractados não intersectam qualquer objecto – Se a profundidade máxima definida foi atingida

26 26 Resultados Algoritmo programado em C S.O. UNIX PDP-11/45 e VAX-11/780 Resolução da imagem 480x640 pixeis 9 bits por pixel

27 Fig.1Fig.3 Fig.2 Fig.4

28 28 Resultados Imagens: – Fig.1: 3 objectos polidos com sombras e reflexões objecto- objecto (44 min.) – Fig.2: refracção através de um objecto transparente (74 min.) – Fig. 3: sem descrição (122 min.) – Fig. 4: não referida Distribuição do tempo de processamento: – Inicialização: 13% – Cálculo de intersecções: 75% – Shading: 12%

29 29 Resumo Produz efeitos realísticos nas imagens Não considera reflexões difusas a partir de fontes de luz distribuídas Não trata de forma correcta a reflexão especular a partir de superfícies menos polidas Há ainda muito espaço para melhoria


Carregar ppt "An Improved Illumination Model for Shaded Display António Oliveira Paula Rego Iluminação e FotoRealismo Turner Whitted."

Apresentações semelhantes


Anúncios Google