Iluminação e FotoRealismo Síntese de Imagens de Alta Fidelidade Luís Paulo Peixoto dos Santos Iluminação e FotoRealismo

Competências GERAIS : Caracterizar a iluminação global e descrever os vários estágios do processo de síntese e visualização de imagens; ESPECÍFICAS : Enunciar as diferenças entre modelos de síntese de imagem empíricos e baseados nas leis da física; Identificar potenciais aplicações para métodos de Iluminação Global de Alta fidelidade; Listar e descrever os vários estágios do processo de síntese e visualização de imagens; Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Síntese de Imagens de Alta Fidelidade Síntese de imagens (rendering) é o processo de produção de uma imagem bidimensional a partir de uma descrição tridimensional de uma cena. Síntese interactiva – sacrifica precisão (realismo) por tempo de resposta, recorrendo a abordagens top-down, onde o processo é guiado pelos resultados pretendidos; Síntese baseada na física – as leis físicas que governam o transporte da luz e a sua interacção com a matéria determinam as regras da simulação; Síntese expressiva (não fotorealista) – liberdade artística e grande poder de expressão Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Síntese de Imagens de Alta Fidelidade Objectivo “… desenvolver modelos de iluminação e transporte de luz baseados nas leis da física e processos de visualização perceptuais que produzam imagens sintéticas visual e/ou mensuravelmente indistinguíveis de imagens do mundo real…”. [Greenberg97] Estas imagens podem ser usadas de forma preditiva, em oposição com imagens que apenas pretendem ter um grande impacto visual. Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Iluminação Global de Alta Fidelidade Simulação baseada na física de todos os trajectos de luz – desde as fontes até ao observador - que contribuem de forma significativa para a iluminação de um ponto Implica considerar o impacto que a presença de outros objectos tem na iluminação de um ponto, por oposição a métodos de iliuminação local Iluminação directa com oclusões (sombras) Reflexão Transmissão Iluminação Global e Fotorealismo

Modelos empíricos versus físicos Modelo do Mundo Y Z X Modelos empíricos Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Modelos empíricos versus físicos Modelo do Mundo Y Z X Modelos baseados na Física Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Síntese de Imagens de Alta Fidelidade Top-down (empírico) Bottom-up (baseado nas leis da física) O resultado desejado guia a implementação As leis da física que originam o fenómeno guiam a implementação Métodos empíricos garantem um resultado perceptualmente aceitável O fenómeno desejado é o resultado lógico, inevitável da simulação Apesar da semelhança com a realidade os resultados não podem ser usados de forma preditiva, pois não têm relação com o mundo real A imagem é a visualização dos dados gerados usando modelos baseados na física, podendo ser usados de forma preditiva Precisão sacrificada por velocidade Velocidade sacrificada por precisão Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Aplicações Simulação fisicamente correcta da iluminação e transporte de luz: Arquitectura e Herança Cultural Engenharia de Iluminação Publicidade e Marketing Simuladores Ciência e Medicina Cinema Visualização Científica Jogos Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Aplicações: Arquitectura e Herança Cultural Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Aplicações: Engenharia de Iluminação Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Aplicações: Ciência e Medicina Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Aplicações: Visualização Científica Iluminação e Fotorealismo 2007/08

Aplicações: Jogos Iluminação e Fotorealismo 2007/08

O processo de síntese de imagem Modelação Síntese Visualização display Iluminação e Fotorealismo 2007/08

O processo de síntese de imagem: modelação Modelo geométrico Materiais: modelo de iluminação (shading model) Descreve a forma como a luz incidente num objecto interage com o mesmo: proporções da radiância absorvida, reflectida e/ou transmitida (função do comprimento de onda) No caso geral, L(Pi←i) no instante ti e comprimento de onda λi, pode ser reflectida, ou transmitida, no instante tr, ponto Pr, direcção r e comprimento de onda λr. Restrições comuns: tr =ti, impossibilita a modelação da fosforescência λr = λi, impossibilita a modelação da fluorescência Pr = Pi, impossibilita a modelação da dispersão da luz numa superfície Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) Iluminação e Fotorealismo 2007/08

O processo de síntese de imagem: modelação Li Lr θi θr Especular N Li Difusa N Li Glossy Reflexão N Li Lt θt θi Especular N Li θi Difusa N Li θi Translúcida Transmissão Iluminação e Fotorealismo 2007/08

O processo de síntese de imagem: síntese A síntese da imagem (rendering) corresponde ao cálculo da distribuição da potência radiante na cena, i. e., à resolução da Equação de Transporte de Luz (rendering equation) A Equação de Transporte de Luz é um integral sem resolução analítica, pelo que os algoritmos de síntese de imagem são integradores numéricos que calculam soluções aproximadas Estes integradores calculam o transporte de luz na cena – os fenómenos de iluminação simulados dependem do subconjunto efectivamente amostrado do domínio de integração Iluminação e Fotorealismo 2007/08

O processo de síntese de imagem: visualização 108 cd/m2 display Visualização Estes algoritmos mapeiam os tons do mapa HDR nos tons do monitor usando um operador designado por tone mapping Síntese 102 cd/m2 HDR imagem 100 cd/m2 10-5 cd/m2 Renderers baseados na física produzem imagens com alta gama dinâmica (HDR), cujas luminâncias cobrem tipicamente um intervalo de 14 ordens de magnitude: [10-5 .. 108] cd/m2 Os monitores convencionais cobrem tipicamente um intervalo de luminância de 2 ordens de magnitude: [100 .. 102] cd/m2 Iluminação e Fotorealismo 2007/08

O processo de síntese de imagem: visualização Sub-Exposição Sobre-Exposição Iluminação e Fotorealismo 2007/08

O processo de síntese de imagem: visualização Os algoritmos de tone mapping tentam preservar contraste, visibilidade e brilho aparente, num balanceamento entre estes objectivos contraditórios. Iluminação e Fotorealismo 2007/08