Introdução ao Realismo por Iverton Santos Universidade Católica de Pelotas Disciplina: Computação Gráfica Prof. Dr. Paulo Roberto Gomes Luzzardi Introdução ao Realismo por Iverton Santos

Introdução Criar imagens sintéticas realistas ou bem acabadas muitas vezes é o objetivo final da computação gráfica. As técnicas computacionais de realismo permitem que a imagem criada seja convincente, isto é, mais próxima possível da realidade.

Aplicações práticas O realismo é fundamental nas simulações, no entretenimento, na educação e muitas outras aplicações. Como exemplo: temos a utilização do realismo pelas construtoras, para mostrar aos compradores de um apartamento, por exemplo, como será o ambiente de uma sala, sua iluminação, a vista que se terá de suas janelas, o seu exterior, as possibilidades de decoração, ou seja, para que se conheça a realidade que se poderá ter antes de ela ser realmente construída. Atualmente, a reconstrução realística tridimensional do corpo humano auxilia no planejamento de procedimentos cirúrgicos (SPL ou Surgical Planning Labs) e no ensino de anatomia. Na no ensino de anatomia por exemplo, ela possibilita a visualização dos orgãos (seu interior, exterior, vistas em fatias e inter-relações), a visualização em cortes ou camadas estruturais como ossos, músculos, orgãos. Ver projeto Visible Man and Woman e os diversos softwares como 3D-Slicer (visual.ic.ufl.br/biomedicalp.html)

Duas etapas Podemos considerar o realismo em duas etapas. Estática: Onde são tratados os objetos e cenas estáticas é trabalhado o chamado realismo fotográfico. Dinâmica: A parte dinâmica esta relacionada ao movimento da cena e seus personagens, chamada de animação.

Rendering A computação gráfica trata da síntese de imagens através do computador. Sintetizar uma imagem (uma cena ou objeto) é criá-la em termos da definição dos dados dos objetos que a compõem. Isso se faz a partir da geometria da cena, das informações sobre os materiais de que são feitos os objetos (suas cores e 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.

O termo rendering Se você procurar no dicinário por rendering achará: (1) uma interpretação de um drama ou uma composição musical. (2) representação de um edíficio, interior etc., executado em perspectiva.

O termo Rendering Ou seja, não existe uma tradução fora de nossa área adequada para essa palavra, como não existe tradução literal para outros termos técnicos que nos contextos onde são usados tem significado próprio. 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.

Fases do processo de Realismo Visual Este processo envolve sete fases distintas. Nem todas usadas em todas as aplicações. O mais usual é que um trabalho seja apresentado em um nível de realismo adequado ao seu uso. Principalmente porque ao aumentar-se o realismo de uma cena aumenta-se também seu tempo de processamento e custo de geração.

Na primeira fase Na primeira fase, tem-se a construção do modelo que conterá todas as informações para o processo de realismo visual. Essa primeira fase consiste na utilização de alguma técnica de modelagem. Ver mais sobre o tal modelo e técnicas de modelagem.

Na segunda fase A segunda fase aplica transformações lineares no modelo de modo que ele tenha aparência tridimensional nos diversos dispositivos (geralmente bidimensionais). Essa fase consiste, então, na utilização de projeções e perspectivas adequadas.

Terceira fase Esta fase considera a eliminação de polígonos ou faces escondidas devido a posição relativa entre os objetos da cena e o observador (culling back-faces). Muitas das fases vistas até aqui usam os dados tridimensionais do objeto e devem ser refeitas a cada mudança de ponto de observação ou forma de projeção.

Na quarta fase São desconsideradas as partes das cenas que não serão mostradas, são chamados “recortes”. Podemos entender melhor esta fase através de uma analogia. Imagine que você tenha uma infinidade de coisas para ver, para algumas sua visão será limitada. Por exemplo, o que estiver atrás de paredes e não de vidros transparentes, detalhes muito longe (para serem bem percebidos) ou coisas muito pequenas (que não merecem ou conseguem chamar a sua atenção). Isso é chamado de clipping (assim como o rendering não tem um siginificado literal) tem sentido no contexto. Podemos entender melhor esta fase através de uma analogia. Imagine que você tenha uma infinidade de coisas para ver, para algumas sua visão será limitada. Por exemplo, o que estiver atrás de paredes e não de vidros transparentes, detalhes muito longe (para serem bem percebidos) ou coisas muito pequenas (que não merecem ou conseguem chamar a sua atenção). Assim para a cena parecer “real” muitos dados presentes no modelo vão deixar de ser mostrados, embora estejam descritos (pelos dados da cena). Isso é chamado de clipping (assim como o rendering não tem um siginificado literal) tem sentido no contexto.

Quinta fase A quinta fase se preocupa em converter a representação tridimensional para pixels. Seja lá qual for o sistema de coordenadas que se esteja usando, os dados serão levados para um conjunto de coordenadas do dispositivo em que será mostrado. Essa conversão de coordenadas leva os dados do modelo para o mundo digital. Linhas e áreas serão transformadas em conjuntos de pixels. Esse processo é chamado rasterização.

A sexta fase É de certa maneira uma continuação da terceira, pois trata também da eliminação de partes de um objeto que devem ser removidas. Só que agora essas partes são devidas à interferência dos diversos objetos presentes na cena,onde, devido a sua posição relativa, pode ocorrer que uns fiquem na frente de partes de outros. Muitos autores englobam estas duas partes no que se chama tratamento de partes escondidas (hidden). Preferimos seguir a linha dos que usam separá-las, pois a maioria das eliminações de partes de objetos é feita em coordenadas do dispositivo (depois de o processo passar pela quinta fase) enquanto a eliminação de faces inteiras (culling) usa as coordenadas tridimensionais do objeto.

Última fase Nessa fase, o realismo “fotográfico” começa a ser realmente tratado e percebido. E para que seja feito adequadamente deve-se levar em conta as luzes presentes na cena, suas intensidades e direções (em relação aos objetos). Também devem ser consideradas todas as características das superfícies representadas: transparência, brilho, reflexão e textura. Ainda devem ser consideradas as sombras que os diversos objetos fazem entre si e nas superfícies em que se apóiam. O nível de realismo dessa fase pode ser tão sofisticado quanto a aplicação precisar. A última fase trata de colorir cada pixel individualmente, usando um esquema incremental ou interpolador de sombreamento.

Realismo por passadas Pelo já comentado, deve ter ficado claro que a construção de uma cena realística é um processo incremental. Essa forma de criação de cenas realísticas é denominada de realismo 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 a cena.

Realismo por passadas (padrão da computação gráfica atual) Uma série de bons motivos tornou a renderização por passadas o padrão da computação gráfica atual. Economia de memória: pois nessa técnica não precisam ser colocados todos os objetos de uma vez para o render. Facilidade da introdução de modificações: se precisarmos alterar somente alguns elementos de uma cena como luzes, sombras ou cores, não será necessário perder ou refazer todo o processo de renderização anterior.

Realismo por passadas (padrão da computação gráfica atual) Um outro motivo que torna mais eficiente essa forma de renderização é a possibilidade de maior utilização das imagens estáticas. Por exemplo, se já temos em uma animação uma cena observada a partir de um ponto estático (como um filme com uma câmera fixa), por exemplo um quarto com um personagem andando, não será necessário renderizar todo o quarto a cada passo do personagem; só o personagem será modificado a cada quadro.

Realismo por passadas (padrão da computação gráfica atual) Essa técnica permite também a mixagem com objetos ou texturas reais obtidas por captura, ou seja, o render por passadas permite uma integração com imagens fotográficas, acrescentando sombras, texturas complexas ou elementos do mundo real (como rostos) à cena.

Realismo e Modelo Modelo : coleção de dados representando objetos (físicos ou abstratos) e relações, bem como de operações que ajudam a definir a sua estrutura e/ ou comportamento.

Realismo e o Modelo Exemplo Modelo Processo de criação de uma imagem a partir de dados do modelo.

Realismo (fase de modelagem)

Resumindo... Rendering Criar uma imagem a partir de um modelo associando com características de realismo.

Remoção de elementos ocultos Remoção de elementos ocultos (eliminação de linhas e superfícies escondidas). A solução eficiente de problemas de visibilidade é o principal passo do processo de criação de cenas realísticas. Esse problema lida freqüentemente com a determinação da visibilidade de linhas e superfícies. Existem diversos algoritmos usados para determinar as linhas, arestas, superfícies ou volumes que são visíveis ou não para um observador localizado em um ponto específico no espaço. Atualmente, são implementados nas placas gráficas.

Remoção de elementos ocultos Wireframe Elementos ocultos removidos

Remoção de elementos Ocultos

Realismo Para a geração de imagens com realismo é necessário implementar várias técnicas que permitem gerar imagens que tentam reproduzir a realidade em termos de aparência Cor Efeitos de iluminação Textura Sombra Outras 4 Realismo A capacidade de gerar imagens o mais perto de realidade está em grande parte, relacionado com a capacidade de processamento e de armazenamento nos computadores. A geração de imagens de objetos do mundo real é feita em várias etapas. Numa primeira etapa é feita uma definição dos pontos que irão definir aestrutura básica do componente a ser gerado. Por limitações de capacidade de armazenamento e processamento,geralmente esta representação inicial é feita em estrutura de arame (wireframe). Sobre esta estrutura, podem seraplicados diversos métodos matemáticos, como a interpolação dos pontos que a compõem, para dar mais realismo, ou seja, amenizar a presença dos polígonos que a compõem. Os objetos presentes no mundo real,além de uma forma específica, que geralmente não é homogênea, possuem várias outras características que ostornam únicos, como no caso da textura. A textura pode ser vista como um padrão de imagem que, podendo nãoser homogênea, como por exemplo o mármore, se repete por toda a extensão do objeto.Outro fator muito importante a ser considerado na geração de imagens que possuem um grande númerode detalhes é a iluminação que ela está recebendo. Pode-se ter infinitas representações de um objeto pela variação na direção ou intensidade de luz que ele está recebendo.

Realismo e Cor O uso da cor apresenta vários aspectos interessantes: melhora a legibilidade da informação, possibilita gerar imagens realistas, permite indicar mecanismos de segurança, permite focar a atenção do observador, permite passar emoções e muito mais. Enfim, o uso de cores torna o processo de comunicação mais eficiente.

Realismo e Cor (uso de cores nas imagens) A cor, elemento fundamental em qualquer processo de comunicação, merece uma atenção especial. É um componente com grande influência no dia a dia de uma pessoa, interferindo nos sentidos, emoções e intelecto; pode, portanto, ser usada deliberadamente para atingir objetivos específicos. O uso apropriado de cores pode resultar em uma rápida e correta assimilação da informação.

Realismo e Cor (uso de cores nas imagens) Como muitas vezes age no inconsciente de uma pessoa, é um parâmetro que deve ser muito bem compreendido; seu uso incorreto pode trazer resultados indesejáveis.

Realismo e Cores (uso de cores nas imagens) O uso de cores nas imagens permite. Mostrar as coisas conforme são vistas na natureza. Chamar e direcionar a atenção. Enfatizar alguns aspectos sociais. Determinar um estado de espírito. Tornar uma imagem mais fácil de ser memorizada.

Realismo e Cores (uso de cores nas imagens) Por se tratar de um recurso tão poderoso, o uso de cores deve ser feito com cautela. Ao preparar um trabalho, devemos observar que: Uma escolha não adequada de cores pode interferir na legibilidade da imagem; As cores devem ser escolhidas de modo a não causarem fadiga nos olhos do usuário e nem deixá-lo confuso;

Realismo e Cores (as cores e suas influências realismo) Branco: é a cor que possui maior leveza, e atrai atenção em fundo escuro. Em nossa cultura a cor branca está associada a: neve,pureza, inocência, paz, leveza, limpesa, frio, hospital, vulnerabilidade, rendição. Preto: a cor preta age como um estimulante para as demais cores e se harmoniza bem com todas elas. A cor preta está associada a: noite, poder, estabilidade, formalidade, solidez, medo, vazio, morte, segredos, anonimato.

Realismo e Cores (as cores e suas influências realismo) Vermelho: Mostra-se muito eficiente quando usada nas imagens para sinalizar algum perigo ou chamar atenção, como por exemplo, bordas vermelhas nos sinais de advertência são facilmente percebidas. A cor vermelha está associada a vitória, paixão, amor, força, energia, sexualidade, fogo, perigo e raiva.

Realismo e Cores (as cores e suas influências realismo) Amarelo: O amarelo é uma cor incandescente com grande qualidade acolhedora. Sua associação imediata como o Sol faz com que ela simbolize a vida e o calor. A cor amarela está associada a: sol, verão, serenidade, riqueza, colheita, inovação, covardia, traição, ciúmes, risco.

Realismo e Cores (as cores e suas influências realismo) Verde: Acredita-se que ambientes com tons de verde-claro promovam uma estado de paz na mente. O olho humano é mais sensível aos comprimentos de onda próximos ao amarelo-verde. Assim, essa cor é a mais visível das três cores primárias dos terminais RGB, sendo muito propícia quando se deseja passar rapidamente uma informação. A cor verde esta associada a: natureza, primavera, fertilidade, esperança, segurança, decadência, inexperiência, inveja, ganância, fuga da realidade

Realismo e Cores (as cores e suas influências realismo) Por ser a cor do céu e do mar, o azul sugere o ar, espaço e profundidade. Como o olho humano é menos sensível aos comprimentos de onda do azul, o azul é uma cor difícil de ser focalizada e de se obter um bom contraste; não deve ser usada para textos nem detalhes finos. É uma excelente cor de fundo, principalmente porque pode-se tirar proveito de sua qualidade de expansão e profundidade infinita. A cor azul está associada a: céu,mar, espiritualidade, estabilidade, paz, unidade, frio, conservadorismo.

Realismo e cor Modelo de Cor Modelo de cor é um método para explicar as propriedades ou comportamento da cor em algum contexto particular Cor é definida pela Matiz (tonalidade)‏ Saturação (quantidade de branco adicionada a cor pura)‏ Brilho (intensidade da luz; energia radiante emitida)‏ Representação de cor em um computador: Redução do espaço espectral (contínuo) para o espaço discreto

Realismo e Iluminação Outro fator muito importante a ser considerado na geração de imagens que possuem um grande número de detalhes (imagens mais realistas) é a iluminação que ela está recebendo. Pode-se ter infinitas representações de um objeto pela variação na direção ou intensidade de luz que ele está recebendo.

Realismo e Iluminação No realismo efeitos que tornam as imagens reais, como reflexões, transparências, texturas e sombras. São descritos através de modelos de iluminação.

Realismo e Iluminação Um grande problema na geração de imagens foto-realistas é o cálculo da interação da luz com os objetos existentes na cena. Até hoje, não conseguimos desenvolver um modelo computacional de iluminação que consiga descrever perfeitamente esse fenômeno. Quando conseguirmos isso, teremos dado um grande passo rumo ao realismo total. Dentre os diversos modelos de iluminação existentes, destacamos o de Phong [Phong73]. Nele, consideramos três componentes de iluminação: Ambiente, difusa e especular.

Realismo e Iluminação Modelo de Iluminação de Phong Ambiente X Difusa X Especular

Realismo e Textura Os objetos presentes no mundo real,além de uma forma específica, que geralmente não é homogênea, possuem várias outras características que os tornam únicos, como no caso da textura. A textura pode ser vista como um padrão de imagem que, podendo não ser homogênea, como por exemplo o mármore, se repete por toda a extensão do objeto.

Realismo e Textura A textura é uma técnica que quando aplicada junto à iluminação, procura dar às superfícies dos objetos características que os façam parecer mais reais, quando comparados a simples técnicas de iluminação e sombreamento.

Realismo e Texturas A pergunta que surge é: os métodos de iluminação não são bons o suficiente para dar as superfícies um alto grau de realismo? A resposta é sim. Na síntese de imagens baseada apenas em iluminação apenas variações de intensidades das cores são notadas. Neste momento, entra em cena a textura, que pode agir sobre diversos parâmetros que definem a superfície com características mais próximas do real (exemplo rugosidade)

Realismo e Texturas Resumindo ... Os modelos de iluminação não são capazes de descrever todas as propriedades da superfície de um objeto, tais como suas características de rugosidade e alguns padrões mais complexos do objeto.

Realismo e Texturas Exemplo de texturização

Realismo e Texturas Aplicações práticas Nintendo 64: efeitos especiais como o mipmapping (técnica de textura) e anti-aliasing foram usados pela primeira vez em um videogame.

Realismo Transparência e Reflexo Relacionado também com a luz , o tipo de material e sua textura, pode-se verificar que certos objetos são transparentes, ou seja, deixam a luz passar por ele. A luz por propriedades físicas, sofre mudanças na sua direção (refrações e reflexões). Aplicar estas técnicas dão um toque de realismo à figura . Elas mostram a influência da luz entre os objetos da imagem vista pelo observador. Para tratar a interação da luz com objetos de forma um tanto realista pode-se utilizar a técnica de Ray-tracing. A luz por propriedades físicas, sofre mudanças na sua direção (refrações e reflexões), assim em qualquer imagem realista é necessário incorporar estas propriedades.

Ray Tracing Este processo é atualmente o modelo mais completo de simulação de iluminação-reflexão em computação gráfica [WATT 93]. Neste método a luz refletida não é verificado somente na reflexão de objetos que interagem diretamente com a fonte de luz (reflexão local), mas também com a luz proveniente por reflexão de outros objetos que compõem o ambiente de iluminação. A luz que incide em um objeto pode ser proveniente de iluminação direta, luz transmitida, refletida, dentre outros. Isso é conhecido como iluminação global.

Realismo e Transparência Objetos com está propriedade deixam a luz transpor. Mesmo com a transparência ainda existe o efeito de refração, então o objeto atrás aparece distorcido. Cena com transparência gerada atráves da técnica de Ray Tracing

Reflexo Reflexão gerada pela técnica de Ray- tracing

Realismo e Sombras A projeção de sombras consiste em um processo de simulação da obstrução da passagem de luz por objetos opacos, escurecendo parcial ou totalmente outros objetos. O efeito das sombras possui duas funções: eliminar a sensação de que os objetos estão flutuando no espaço; enfatizar a mudança de direção da fonte de luz. A radiosidade é uma técnica de realismo que permite a visualização de sombras e penumbras de forma mais realística.

Realismo e Radiosidade Considerado, juntamente com o Ray Tracing, como o melhor método para gerar imagens realistas, o método de Radiosidade consegue tratar de forma correta a reflexão da luz em superfícies difusas (superfícies irregulares), coisa que não é possível com o Ray Tracing tradicional. Deste modo, efeitos como penumbras e fontes de luz com área são avaliadas corretamente. No entanto, este método não consegue tratar superfícies especulares (superfícies perfeitamente polidas), o que é feito em Ray Tracing. Superfície especular: superfície perfeitamente polida, no qual os raios luminosos são refletidos numa única direção.Ex: bloco de vidro. *Superfície difusa: superfície irregular em que os raios refletidos se propagam em diversas direções.Ex: paredes, folhas, móveis.  

Realismo e Radiosidade Imagens geradas pelo modelo de radiosidade. Podemos observar a ausência de objetos espelhados ou transparentes. Em contrapartida as regiões de sombra e penumbra são muito realistas.

Realismo e Antialiasing Ao gerarmos imagens no computador, notamos o desagradável efeito “escada”. Este fenômeno, conhecido como aliasing, acontece principalmente porque nossos dispositivos de vídeo e nossos computadores possuem uma resolução limitada. Exemplo: quando desenhamos um círculo na tela, o que estamos fazendo na verdade é aproximar por um conjunto limitado de pixels uma entidade geométrica que possui infinitos pontos, ou seja, estamos fazendo uma discretização do círculo. Isso pode ser resolvido também com Ray-tracing

Antialiasing Podemos ativar no RayTracing a opção para o tratamento de aliasing que é conhecido como anti-aliasing. Solucionar o problema é impossível, já que corresponde a um problema físico (a discretização do monitor), mas usar a técnica diminui de forma muito satisfatória o problema de aliasing.

Realismo (técnica Antialiasing)

Realismo (técnica Antialiasing)

Realismo (exemplos de evolução aplicando as diversar técnicas) Não há tratamento de superfícies ocultas Sem preenchimento dos polígonos

Realismo (exemplos de evolução aplicando as diversar técnicas) Remoção de elementos ocultos Cor Iluminação ambiente

Realismo (exemplos de evolução aplicando as diversar técnicas) Considerando o sombreamento das superfícies devido à presença de luz e propriedades do material

Realismo (exemplos de evolução aplicando as diversar técnicas) Considerando Superfícies curvas Mais de uma fonte de luz

Realismo (exemplos de evolução aplicando as diversar técnicas) Incorporação de texturas Incorporação de Sombras

Realismo (exemplos de evolução aplicando as diversar técnicas) Wirefrime (modelo em linhas de arame)

Realismo (exemplos de evolução aplicando as diversar técnicas) Sólidos com sombreamento

Realismo (exemplos de evolução aplicando as diversar técnicas) Texturização

Realismo (exemplos de evolução aplicando as diversar técnicas) Sombreamento e Reflexo (usando modelo local de iluminação – considera somente a luz direta.)

Realismo (exemplos de evolução aplicando as diversar técnicas) Sombreamento e Reflexo (utilizando Ray Tracing – modelo global de iluminação – considera todas as fontes de luz, inclusive a de outros objetos)

Referências Eduardo Azevedo e Aura Conci – Computação Gráfica Teoria e prática. Ph.D. in Computer Science - Carla M.D.S.Freitas - Introdução a computação gráfica 3D. Disponível em http://www.inf.ufrgs.br/~carla/OpenGL/ Professor. Dr. Alexandre Berg – Ulbra – Aulas de computação gráfica Disponível em www.ulbra.tche.br/~berg/grafica/aula08/CGaula08.html