Simulação de Iluminação Volumétrica Trabalho de Graduação em Computação Gráfica Aluno – Saulo A. Pessoa, sap@cin.ufpe.br Orientador – Sílvio de B. Melo, sbm@cin.ufpe.br 28 de agosto de 2007

Roteiro Introdução Contextualização Solução Proposta “Visultados” Motivação Objetivos Relevância Contextualização Solução Proposta Interação entre luz e partículas Espalhamento da luz Modelo de shading Técnica de renderização “Visultados” Conclusões Problemas Encontrados Trabalhos Futuros Referências

Motivação Indústrias demandam imagens e efeitos realistas Cinema Jogos eletrônicos [Pixar] [OffsetSoftware]

Motivação Advento das GPUs Grande capacidade de processamento gráfico Alguns fenômenos naturais ocorrem devido ao meio ser participativo Iluminação Volumétrica

Objetivos Revisão bibliográfica Implementação Evolução e estado da arte sobre efeitos atmosféricos Implementação Escolha e adaptação do modelo de shading Estudo das tecnologias de desenvolvimento OpenGL, C++ Codificação do simulador interativo

Relevância Efeitos de iluminação volumétrica transmitem: Atmosfera sombria Clima de mistério Ideal para ser aplicado em jogos e filmes de terror/suspense Atualmente, alguns motores de jogo já possuem luzes volumétricas] Torque Game Engine[Torque] CryENGINE 2[Crytek] [AlanWake]

Contextualização Inúmeros tipos de efeitos atmosféricos ocorrem na natureza[Cowley03] Variação da cor do céu durante o crepúsculo Iluminação Volumétrica Arco-íris Raios crepusculares Nuvens Neblina Etc.

Contextualização O que já foi feito? [CosmicArk82] [Nishita87] [Jensen98] [Dobashi00] [Dobashi02] [James03] [Torque] [Mitchell04] [Zhu04]

Contextualização O que já foi feito? [CosmicArk82] [Nishita87] [Jensen98] [Dobashi00] [Dobashi02] [James03] [Torque] [Mitchell04] [Zhu04]

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Contextualização O que já foi feito? [CosmicArk82] [Nishita87] [Jensen98] [Dobashi00] [Dobashi02] [James03] [Torque] [Mitchell04] [Zhu04]

Solução Proposta Interação entre luz e partículas[Biri02] Modelo de shading Baseou-se em Dobashi[Dobashi00] Técnica de renderização Similar as técnicas de renderização volumétrica Utiliza texturas projetivas[Segal92]

Interação entre Luz e Partículas

Interação entre Luz e Partículas ‘

Interação entre Luz e Partículas Absorção Expressa pela equação de Beer-Lambert: Onde = coeficiente de extinção (proporcional à densidade das partículas) = distância

Interação entre Luz e Partículas Espalhamento da luz Espalhamento de Mie Ocorre quando o tamanho das partículas é grande comparado com o comprimento de onda da luz Modelado por uma função de fase Onde = constante = ângulo de fase α fonte de luz P Io Ip

Modelo de Shading Sem espalhamento atmosférico fonte de luz câmera Ic objeto câmera Ic Io

Modelo de Shading Com espalhamento atmosférico Onde = função de visibilidade = intensidade luminosa que alcança o ponto α t T r fonte de luz objeto câmera volume de luz P Ic Ip Io

Discretizando

Função de Visibilidade e de Iluminação

“Visultados” = 50, QUADs = 30x30, = 0.9, = 20, = 0.04, fps = 28

“Visultados” = 40, QUADs = 30x30, = 0.5, = 30, = 0.07, fps = 37

“Visultados” = 55, QUADs = 10x10, = 0.2, = 25, = 0.05, fps = 28

Conclusões Método proposto obtém bons resultados visuais Modelo fisicamente mais correto O método é adequado para aplicação em jogos eletrônicos Custo Computacional x Qualidade Visual

Problemas Encontrados Faixas Interseção entre planos de amostragem e geometria da cena Aliasing Mapas de iluminação com altas freqüências Quantização Baixa precisão do color buffer Função de visibilidade Perpendicularidade entre direção da luz e planos de amostragem

Problemas Encontrados Faixas Interseção entre planos de amostragem e geometria da cena Aliasing Mapas de iluminação com altas freqüências Quantização Baixa precisão do color buffer Função de visibilidade Perpendicularidade entre direção da luz e planos de amostragem

Problemas Encontrados Faixas Interseção entre planos de amostragem e geometria da cena Aliasing Mapas de iluminação com altas freqüências Quantização Baixa precisão do color buffer Função de visibilidade Perpendicularidade entre direção da luz e planos de amostragem

Problemas Encontrados Faixas Interseção entre planos de amostragem e geometria da cena Aliasing Mapas de iluminação com altas freqüências Quantização Baixa precisão do color buffer Função de visibilidade Perpendicularidade entre direção da luz e planos de amostragem

Trabalhos Futuros Tratar o caso em que densidade das partículas é variável Utilizar shaders programáveis para aumentar a performance Resolver os problemas visuais encontrados Tratar o caso em que a fonte de luz é onidirecional Combinar o efeito de iluminação volumétrica com outros efeitos

Referências [Pessoa07]. “Simulação de Iluminação Volumétrica”. Trabalho de Graduação em Computação Gráfica. [Pixar]. Disponível em: http://www.pixar.com/index.html. Último acesso: 26/07/2007. [OffsetSofware]. Disponível em: http://www.projectoffset.com/. Último acesso: 27/07/2007. [AlanWake]. Disponível em: http://www.alanwake.com/. Último acesso: 26/07/2007. [Cowley]. L. Cowley. “Atmospheric Optics”. Disponível em: http://www.atoptics.co.uk/. Último acesso: 31/07/2007. [Nishita87]. T. Nishita, Y. Miyawaki e E. Nakamae. “A shading model for atmospheric scattering considering luminous intensity distribution of light sources”. In SIGGRAPH ’87: Proceedings of the 14th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pages 303–310, New York, NY, USA, 1987. ACM Press. [Jensen98]. H. Jensen e P. Christensen. "Efficient Simulation of Light Transport in Scenes with Participating Media using Photon Maps". In Proceedings of SIGGRAPH'98, pages 311-320, Orlando, July 1998. [Dobashi00]. Y. Dobashi, T. Yamamoto e T. Nishita. “Interactive rendering method for displaying shafts of light”. In PG ’00: Proceedings of the 8th Pacific Conference on Computer Graphics and Applications, page 31, Washington, DC, USA, 2000. IEEE Computer Society.

Referências [Dobashi02]. Y. Dobashi, T. Yamamoto e T. Nishita, "Interactive Rendering of Atmospheric Scattering Effects Using Graphics Hardware," Graphics Hardware, 2002.  [James03]. R. James. “Graphics programming methods”, cap. 3.12 “True volumetric shadows”. Charles River Media, Rockland, MA, USA. 2003. [Torque]. Disponível em: http://www.garagegames.com/. Último acesso: 16/08/2007. [Zhu04]. Y. Zhu, G. Owen, F. Liu e A. Aquilio. “Gpu-based volumetric lighting simulation”. In CGIM ’04: Proceedings of The 7th IASTED International Conference on COMPUTER GRAPHICS AND IMAGING, page 479, Kauai, Hawaii, USA, 2004. IASTED/ACTA Press.  [Mitchell04]. J. Mitchell. “ShaderX3: Advanced Rendering with DirectX and OpenGL”, cap. 8.1 “Light Shaft Rendering”. Charles River Media. 2004. [Biri02]. V. Biri, S. Michelin e D. Arquès. “Real-Time Animation of Realistic Fog”. Thirteenth Eurographics Workshop on Rendering, 2002. [Segal92] M. Segal, C. Korobkin, R. V. Widenfelt, J. Foran e P. E. Haeberli. “Fast Shadows and Lighting Effects Using Texture Mapping”. Computer Graphics, Vol. 26, No. 2, pages 249-252, 1992.

Simulação de Iluminação Volumétrica Trabalho de Graduação em Computação Gráfica Aluno – Saulo A. Pessoa, sap@cin.ufpe.br Orientador – Sílvio de B. Melo, sbm@cin.ufpe.br 28 de agosto de 2007