Iluminação e Sombreamento

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1 Iluminação e Sombreamento
35T56 – Sala 3F4 Bruno Motta de Carvalho DIMAp – Sala 15 – Ramal 227

2 Introdução Na produção de uma imagem deveria-se considerar a luz que atinge o observador vinda de todos os pontos de todas as superfícies da cena Como existem infinitos pontos em uma cena, o objetivo acima não pode ser atingido Ao invés de tratar pontos, considera-se como unidades da cena pedaços de superfícies, diminuido o tamanho do problema para o cálculo de quanta luz vinda destes pedaçõs de superfícies atingem o observador

3 Superfícies Aproximação pelo plano tangente. A maioria das superfícies não são planas, mas se as subdividirmos em pequenos pedaços, as mesmas podem ser aproximadas por polígonos Normais destes pedaços de superfícies são calculadas e utilizadas na determinação das cores dos pedaços Raios de luz vindos de outras partes da cena atingem um pedaço de uma superfície e seguem em outras direções O objetivo é o cálculo dos valores de intensidade e cromaticidade da luz que atinge o observador vindo deste pedaço de superfície (isso é a “iluminação” deste pedaço de superfície)

4 Iluminação Global A maior parte da luz que atinge objetos em geral vem de fontes de emissão de luz na cena Entretanto, pode haver sombreamento de objetos em outros e reflexões entre diferentes objetos Em reflexões entre diferentes objetos, a luz emitida atinge um objeto, é desviada e atinge um outro objeto, gerando a chamada iluminação indireta Modelos de iluminação global simula o que acontece quando outros objetos afetam a luz que atingem um pedaço de superfície Muito caros computacionalmente, pois a luz que atinge um elemento de superfícies pode ser afetada por vários objetos na cena

5 Iluminação Não-Global
Em métodos de iluminação não-globais, o cálculo da iluminação de um pedaço de superfície é feito ignorando-se os efeitos de raios de luz que venham de outros objetos da cena que não sejam fontes de luz Cena pode ser renderizada muito mais rapidamente mas imagem resultante perde em realismo Perde-se efeitos de iluminação global como sombras, reflexão entre objetos, refração em superfícies transparentes e efeitos volumétricos de meios como ar, água e névoa

6 Luz No cálculo da quantidade e cor da luz que é refletida em um pedaço de superfície leva-se em conta: O relacionamento geométrico da superfície com as fontes de luz A cor e a intensidade incidente na superfície vinda dos emissores e reflectores de luz na cena O relacionamento geométrico da superfície com a posição do observador e outros objetos (oclusão) Propriedades físicas (material) do objeto (quanta luz absorve, reflete ou refrata)

7 Modelos de Iluminação Um “modelo de iluminação” define parâmetros e restrições usadas no cálculo da iluminação de pedaços de superfícies, como por exemplo: Escolha entre simulação global parcialmente global ou não-global Quais parâmetros podem ser especificados na criação da cena Define valores para parâmetros que não podem ser especificados Especifica a função que calcula a iluminação

8 Iluminação e Sombreamento
Modelos de iluminação físicos são modelos que se baseiam na física Requerem dados de entrada precisos e fazem poucas suposições Muito tempo gasto para se calcular a iluminação Modelos de iluminação não-físicos Modelo que busca gerar imagens que sejam boas o suficiente levando-se em conta o hardware disponível Modelo de Phong é um modelo simples, não-físico e não-global que gera imagens boas e pode ser calculado de modo eficiente, inclusive em hardware Raytracing é uma técnica que calcula interseções de raios que emanam do ponto de observação (olho) para cada ponto na cena

9 Modelo Simplificado Tipos de interação luz-material: Componente difuso
Componente especular Componenete do ambiente, que representa a luz global não-específica Este modelo é não-físico, logo ele não tenta calcular precisamente iluminação global, mas sim simular alguns dos efeitos observáveis de interação de luz mais importantes Pode ser calculado rápida e eficientemente, e ainda é usado em renderizadores de software e hardware

10 Reflexões A reflexão difusa (Lambertiana) é típica de superfícies opacas, sendo independente da posição de observação Pode ser calculda usando-se a lei de coseno de Lambert, onde Ip é a intensidade da fonte de luz pontual onde Ip é a intensidade da fonte de luz pontual, N é a normal do pedaço de superfície, L é o veotr unitário da direção da luz e kd é o coeficiente de reflexão difusa, que especifica a fração de Ip que é refletida Aproximação não muito boa

11 Reflexões Para uma melhor aproximação deve-se modelar também diminuição da densidade de energia, que é inversamente proprorcional ao quadrado da distância entre a fonte de luz e o objeto (dL) Isso faz com que superfícies com iguais tenham valores de iluminação diferentes se estiverem a distâncias diferentes da fonte de luz Esta fórmula ainda produz efeitos não muito bons. Ao invés disso, usa-se a fórmula onde c1, c2, c3 são constantes definidas empiricamente

12 Reflexões Superfícies difusas refletem luz em várias direções, sendo que parte dessa luz acaba atingingo outros objetos que podem refletir novamente em outros objetos, e assim por diante É muito caro computacionalmente o cálculo de múltiplas reflexões, então usa-se um componente de iluminação ambiente que descreve a luz que atinge os objetos vindo de todas as direções O componenete de iluminação ambiente é uma aproximação básica a quantidade de iluminação indireta presente em uma cena. Usa-se a fórmula onde Iaé a intensidade da luz ambiente e kaé a fração desta luz refletida, 0<ka<1, logo a intensidade total de luz refletida é igual a soma dos componentes ambiente e difuso

13 Reflexões Para usar luzes e superfícies coloridas, usa-se equações diferentes para cada componente do modelo de cores, representando a a cor ambiente da cena ou a cor difusa de um objeto Od pelos seus componentes em RGB OdR, OdG, OdB A avaliação da equação de iluminação em somente três pontos do espectro não é correta mas geralmente produz boas imagens. Para solucionar este problema, transforma-se a equação acima para que seja dependente do comprimento de onda , gerando

14 Reflexões A reflexão especular é a reflexão mais direcionada comum em superfícies brilhosas, como metais, espelhos, etc. A cor aparente depende do material e como dispersam luz Dependente das posições da fonte de luz e de obsevação Para um refletor perfeito, só se vê luz se α = 0 Para um refletor real a luz refletida diminui com o aumento de

15 Reflexões Aproximação de Phong Reflexão especular proporcional ao cosn
Com o aumento de n a reflexão é mais concentrada e a superfície aparenta ser mais brilhosa

16 Modelo Simplificado Equação de iluminação não-física que codifica a energia de uma fonte de luz refletida por um pedaço de superfície como onde ks é o coeficiente especular (a fração de luz especular refletida) e é a cor especular do objeto (não necessariamente igual a ) No caso de múltiplas fontes de luz, soma-se as contribuições Equação fácil de avaliar (usada na maioria das aplicações de tempo real) e que produz bons resultados mas não é baseada em teoria e não modela reflexões corretamente