Computação Gráfica www.dca.ufrn.br/~lmarcos/courses/compgraf.

Apresentação em tema: "Computação Gráfica www.dca.ufrn.br/~lmarcos/courses/compgraf."— Transcrição da apresentação:

1 Computação Gráfica

2 Modelos de Iluninação Luz real Como seres humanos percebem a luz
Enganando seres humanos no computador Luzes e superfícies Tudo em openGL

3 Entendendo a luz

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6 Intervalos aproximados
Violeta m (mili-micron) Azul Verde Amarelo Laranja Vermelho

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15 RGB 1=700 m (Red) 2=546 m (Green) 3=435.8 m (Blue)

16 XYZ

17 Sistemas complementares (CMY)
Ideal para impressoras Subtrai do branco (processo subtrativo) Ciano = verde+azul=> elimina vermelho Magenta=azul+vermelho=> elimina verde Amarelo=vermelho+verde=> elimina azul

18 Tom, Saturação, Luminância

19 Por que diferentes modelos?

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23 Iluminação Fontes de luz emitem luz: Espectro eletro-magnético
Posição e direção Superfícies refletem luz Reflectância Geometria (posição, orientação, micro-estrutura) Absorção Transmissão Iluminação é determinada pela interação entre fontes de luzes e superfícies

24 Tipos de fontes de luz Ambiente: luz igual em todas as direções
um “hack” para modelar interrelações Direcional: raios todos na mesma direção fontes de luz distantes (sol) Pontual: raios divergem de um ponto aproxima uma lâmpada

25 Mais fontes de luzes Spotlight: feixe de luz pontual direcionada
intensidade é máxima numa certa direção parâmetros: cor, ponto, direção, espalhamento Fonte área: superfície 2D luminosa radia luz de todos os pontos de sua sueprfície gera sombras suavizadas

26 Reflexão difusa Modelo mais simples de reflexão (lambertiano)
Modela superfície opaca rugosa a nível microscópico Refletor difuso ideal luz recebida é refletida igualmente em todas as direções o brilho visto não depende da direção de visualização brilho não depende da direção de visualização

27 Lei de Lambert = intensidade da fonte de luz
= coeficiente de reflexão [0.0,1.0] = ângulo entre a direção da luz e a normal

28 Exemplos de iluminação difusa
A mesma esfera com iluminação difusa com luz em diferentes ângulos

29 Reflexão ambiente + difusa
Modelo Lambertiano não é suficiente para CG. = luz ambiente (global) = reflectância ambiente (local) [0,1] Iluminação difusa mais termo ambiente. Um truque para contar a luz de background causada por reflexão múltipla de todos os objetos na cena

30 Outros efeitos simples
Atenuação da luz intensidade da luz diminui com o quadrado da distância da fonte Luzes coloridas e superfícies 3 equações separadas para RBG (ou XYZ, ou YIQ, etc). Atenuação atmosférica usar a distância observador-superfície para dar efeitos extras tornar a radiância do objeto mais turva ou menos definida com um fator de cinza. , com

31 Reflexão especular Superfícies brilhantes mudam a aparência de acôrdo com a posição de visualização reflexão especular depende da posição de visualização causada por superfícies lisas (smooth) ao nível microscópico Em superfícies brilhantes, grande parte da luz incidente reflete coerentemente um raio é refletido numa direção única (ou quase) direção é definida pela direção de incidência e pela normal Um espelho é um refletor especular perfeito Refletores especular aproximados dão espalham pouco

32 Modelo de Phong Aproxima reflexão especular
= ângulo entre raio refletido e observador = reflectância especular [0,1] = taxa de decaimento da reflexão (espalhamento)

33 Calculando o raio refletido

34 Curvas de iluminação de Phong
O expoente especular é quase sempre muito maior que 1. Valores = 100 são encontrados

35 Exemplos de iluminação Phong

36 Combinando tudo Combinando ambiente, difusa e especular
Para multiplas fontes: repita cálculos para difusa e especular some as componentes de todas as fontes termo ambiente contribui apenas uma vez Coeficientes de reflectância podem diferir metal simples: ka e kd compartilham cor, ks é branco plástico simples: ks inclui também a cor do material

37 Alguns exemplos

38 Outros modelos de reflectância
Phong/Blinn Diffuse using Lambertian Specular using a hack Cook-Torrance Specular Useful for metals, sheens Seeliger Diffuse Skin, softer than Lambertian Hair Anisotropic Uses grain direction

39 Vectors N H (R) N – Normal Fonte L – Source V – View Refl. (L)
R – Reflection H – Halfway R = 2(NL)N – L H = (V+L)/||V+L|| Fonte Refl. (L) L R V Obs x

40 Phong e Blinn Phong L(V) = ka La + kd Li (NL) + ks Li (VR)n Blinn
L(V) = ka La + kd Li (NL) + ks Li (NH)n In general ignore ambient term and assume a diffuse/specular decomposition

41 Cook-Torrance Models specular BRDF component F – Fresnel term
D – Roughness term G – Geometry term

42 Fresnel Term Derived from Maxwells equations Coefficients
qr – angle of reflection w.r.t. H qt – angle of transmission w.r.t. H c = cos qr = LH = VH g2 =2 + c2 – 1 Index of refraction actually complex!

43 Efeito de Fresnel Luz incidente normal reflete cor da superfície
Luz incidente tangencial reflete cor da luz Reflexão aumenta à medida que a incidência se torna tangencial

44 Roughness Term Statistical model of light reflectance
Centered around reflection direction R Blinn model Beckman function (a = NH) m

45 Geometry Term Shadowing (sombreando) Masking (mascarando) Use minimum
Luz incidente não alcança o material Gs = 2(NH)(NV)/(VH) Masking (mascarando) Luz refletida não alcança o observador Gm = 2(NH)(NL)/(VH) Use minimum Gm = min Gs, Gm

46 Seeliger fr = NL/(NL + NV) Modelo para reflexão difusa da pele
Aparência mais suave que o lambertiano Derivada de princípios primários Usada como base para shading em multi-camada See Hanrahan & Krueger SIGGRAPH 93

47 fs = (TL) (TV) + sin(T,L) sin(T,V)
Hair T Anisotropic Uses tangent vector T Diffuse anisotropic fd = sin(T,L) Specular anisotropic fs = (TL) (TV) + sin(T,L) sin(T,V)

48 Definindo coeficientes em OpenGL

49 Iluminando em OpenGL

50 Considerando refração
Refração: inclinação que a luz sofre para diferentes velocidades em diferentes materiais Índice de refração luz viaja à velocidade c/n em um material com índice n c é a velocidade da luz no vácuo (n=1) varia de acordo com o comprimento de onda prismas e arco-iris (luz branca quebrada em várias)

51 Transmissão com refração
A luz inclina pelo princípio físico do tempo mínimo (princípio de Huygens) luz viaja de A a B pelo caminho mais rápido se passar de um material de índice n1 para outro de índice n2, a lei de Snell define o ângulo de refração: Quando entra em materiais mais densos (n maior), a inclinação é mais perpendicular (ar para a água) e vice-versa se os índices são os mesmos, a luz não inclina Quando entra num material menos denso, reflexão total pode ocorrer se

52 Sombras Sombras ocorrem quando objetos são protegidos da luz
objeto não influi na iluminação da cena (não reflexão) Calcular o que está oculto é um problema de visibilidade a luz consegue ver o objeto? use um algoritmo z-buffer para sombreamento rode o alguritmo do ponto de vista da luz salve o z-buffer como shadow-buffer rode o algoritmo z-buffer real, mapeando cada ponto nas coordenadas da fonte de luz e comparando o valor contra o shadow-buffer (OK, ainda não estudamos z-buffer:-)...

53 Shadow-buffer

54 Shading Dada uma equação para calcular a radiância da superfície, ainda é necessário aplicá-la ao modelo real geralmente executado durante “scan conversion” (rasterização) há modelos eficientes para fazer isso (Gouraud, Phong shading) Mapeamento de textura melhora tudo isso coloca radiância baseado numa imagem Ainda melhor: uso de “procedural shaders” para especificar funções gerais para a radiância gera radiância on-line, durante o “shading” Pixar Renderman: usado em Toy Story, Bug´s Life, etc

55 Mapeando texturas (paramétrica)
Superfícies coloridas ou sombreadas uniformemente ainda são irreais Objetos reais possuem superfícies com textura (features) Opção: ter uma grande quantidade de polígonos com características de cor e reflectância; ou Usar imagens de textura para produzir superfícies reais pegar texturas da natureza (nuvens, madeira, terra); pinte-as você mesmo; mapeie a imagem na superfície usando uma função paramétrica que mapeia pontos (u,v) em coordenadas de imagem (x,y) quando visualizando um ponto, olhe no píxel correspondente na imagem de textura e use isto para afetar a cor final

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57 Especificando função de textura
Parametrização 2D: alguns objetos têm parametrização natural esferas: usam coordenadas esféricas cilindro:usar coordenadas cilíndricas superfícies paramétricas (B-splines, Bézier): (u,v) Parametrização menos óbvia: polígonos precisam de correspondência entre triângulos superfícies implícitas: difícil de parametrizar (use textura sólida) Parametrização 3D (textura sólida): crie um mapa 3D de textura: volume parametrizado por (u,v,w) crie texturas sólidas de imagens, projetando-a em profundidades diferentes (efeito do projetor de slides).

58 Para cada triângulo no modelo,
estabeleça uma região correspondente na foto-textura Durante rasterização, interpole os índices das coordenadas no mapa de texturas

59 Uso de mapeamento de textura
Você pode afetar uma série de parâmetros como: cor da superfície: cor (radiância) de cada ponto na superfície reflectância: coeficientes de reflectância (kd, ks, nshiny) vetor normal: “bump mapping” geometria: mapa de deslocamentos transparência: mapa de transparência radiância considerando fonte de luz: mapeamento ambiente (ka)

60 Bump mapping: um truque sujo
Quais objetos são convexos e quais são côncavos? Resposta: nenhum, estas imagens são todas planas. Sistema visual humano é treinado para esperar luz de cima Em CG, pode-se perturbar o vetor normal sem ter que fazer nenhuma mudança real na forma (apenas usando um mapa de texturas).

61 Bump mapping Mapeamento básico de textura pinta numa superfície suave
Tornando a superfície rugosa: Opção 1: modelar a superfície com muitos polígonos pequenos Opção 2: perturbar o vetor normal antes de calcular sombreamento Esfera com mapa de texturas difuso + bump map Bump map Esfera com mapa de texturas difuso

62 Bump mapping Mapeamento básico de textura pinta numa superfície suave
Tornando a superfície rugosa: Opção 1: modelar a superfície com muitos polígonos pequenos Opção 2: perturbar o vetor normal antes de calcular sombreamento A superfície não muda realmente, sombreamento faz parecer mudada bump map causa deslocamentos acima e abaixo da superfície pode-se usar mapas de textura para isso: imagem de textura diz quantidade de perturbação na normal que tipo de anomalia pode ser produzida? Esfera com mapa de texturas difuso + bump map Bump map Esfera com mapa de texturas difuso

63 “Bump mapping”, outro exemplo
Cilindro c/ mapa de texturas difuso Cilindro c/ mapa de texturas difuso + bump map

64 Radiância x reflectância
Textura especifica a radiância (isotrópica) para cada ponto na superfície Textura especifica a cor (difusa, coeficiente kd) para cada ponto na superfície: 3 coef, um para cada canal de radiância (R, G, B).

65 Mapa de deslocamentos Uso do mapa de texturas para deslocar cada ponto na superfície valor de textura diz quanto mover na direção normal à superfície Qual a diferença do “bump mapping”?

66 Mapa de texturas sólidas
Um array 3D de valores de textura (algo como um bloco de mármore) usa uma função (x,y,z)->(R,G,B) para mapear cores em pontos do espaço Na prática, o mapa é definido de forma procedimental (funcional) não precisa armazenar array de cores 3D definir uma função para gerar cor para cada ponto 3D As texturas sólidas mais interessantes são as aleatórias Avalia coordenadas de textura em coordenadas de objeto - caso contrário movendo o objeto, muda a textura

67 Mapa ambiente (ou de reflexão)

68 Mapa ambiente (ou de reflexão)
Coloque sua cena dentro de um cubo Pinte imagens nas faces do cubo para criar uma imagem de fundo que envolva o objeto. Podem ser nuvens, montanhas, uma sala, etc... Use o cubo para iluminar a cena dentro dele

69 Pintando o objeto Durante o cálculo do shading (sombreamento):
jogue um raio do observador fora para o objeto num ponto P Intercepte o raio com o mapa do ambiente (o cubo) no ponto E tome a cor do mapa ambiente em E e ilumine P como se houvesse uma luz virtual na posição E obtém-se uma imagem do ambiente refletida em superfícies brilhantes Modelo alternativo ao ray-tracing real.

70 Mais truques: mapeamento de luz
Um efeito “quake” pode usar um mapa de luz em adição a um mapa de texturas (radiância) Mapas de textura são usados para adicionar detalhes a superfícies, e mapas de luz são usados para armazenar iluminação pré-calculadas. Os dois são multiplicados juntos, em tempo de execução, e colocados num “cache” para maior eficiência.

71 Texturas em OpenGL Construa sua imagem de textura
Dimensões da imagem devem ser 2n por 2m Este código assume imagens coloridas usando RGB Pic *in; Gluint texname; in = tiff_read(filename,NULL); glGenTexture(1,&texname); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D,texname); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAP_S,GL_REPEAT); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_WRAP_T,GL_REPEAT); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MAG_FILTER,GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D,GL_TEXTURE_MIN_FILTER,GL_NEAREST); glTexImage2D(GL_TEXTURE,0,GL_RGB,in->nx,in->ny,0,GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE,in->pix);

72 Texturas em OpenGL Colocando em modo textura 2D: Para cada vértice:
glEnable(GL_TEXTURE_2D); glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV,GL_TEXTURE_ENVMODE, GL_MODULATE); gl_BindTexture(GL_TEXTURE_2D,texname); Para cada vértice: glTexCoor2f(vert.s,vert.t); Retira modo textura após terminar de desenhar: glDisable(GL_TEXTURE_2D);

73 Uma rosquinha

74 Uma rosquinha com textura

75 Removendo superfícies ocultas
while (1) { get_viewing_point_from_mouse_position(); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT); draw_3d_object_A(); draw_3d_object_B(); }

76 Usando o buffer de profundidade
glutInitDisplayMode (GLUT_DEPTH | .... ); glEnable(GL_DEPTH_TEST); ... while (1) { glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); get_viewing_point_from_mouse_position(); draw_3d_object_A(); draw_3d_object_B(); }

77 Programa exemplo (esfera)
#include <GL/gl.h> #include <GL/glu.h> #include <GL/glut.h>

78 Programa exemplo (esfera)
void init(void) { GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 }; GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 }; glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glShadeModel (GL_SMOOTH); glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular); glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position); glEnable(GL_LIGHTING); glEnable(GL_LIGHT0); glEnable(GL_DEPTH_TEST); }

79 Programa exemplo (esfera)
void display(void) { glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); glutSolidSphere (1.0, 20, 16); glFlush (); }

80 Programa exemplo (esfera)
void reshape (int w, int h) { glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h); glMatrixMode (GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); if (w <= h) glOrtho (-1.5, 1.5, -1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w, 1.5*(GLfloat)h/(GLfloat)w, -10.0, 10.0); else glOrtho (-1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, 1.5*(GLfloat)w/(GLfloat)h, -1.5, 1.5, -10.0, 10.0); glMatrixMode(GL_MODELVIEW); }

81 Programa exemplo (esfera)
int main(int argc, char** argv) { glutInit(&argc, argv); glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB | GLUT_DEPTH); glutInitWindowSize (500, 500); glutInitWindowPosition (100, 100); glutCreateWindow (argv[0]); init (); glutDisplayFunc(display); glutReshapeFunc(reshape); glutMainLoop(); return 0; }

82 Comentários Definir vetores normais para todos vértices: glutSolidSphere() faz isso. Criar, posicionar e habilitar uma (ou mais) fontes de luz: glLightfv(), glEnable(), glLight*() Ex: GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 }; glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position); default: GL_POSITION é (0, 0, 1, 0), eixo-Z negativo Selecionar um modelo de iluminação: glLightModel*() Definir propriedades materiais para os objetos na cena

83 Lembre-se Voce pode usar valores defaults para alguns parâmetros, de iluminação; outros devem ser modificados Não se esqueça de habilitar todas as luzes que pretende usar e também habilitar o cálculo de iluminação Voce pode usar “display lists” para maximizar eficiência quando é necessário mudar as condições de iluminação