Fotorealismo

FotorealismoMarlus Souza [email protected]

Samuel Arcoverde [email protected]

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Fotorealismo (Hiper-Realismo)•Movimento artístico surgido nos Estados

Unidos no final dos anos 60.•É um estilo baseado em fazer pinturas a

partir de fotografias.▫Grande abrangência de detalhes.▫Mais explorados: reflexões e geometria.▫“Too perfect to be real.”

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3

Richard Estes

4

Glennray Tutor

5

Audrey Flack

6

Duane H

anson

E a computação?

POV-Ray 3.6

Computação Gráfica

Campo da Ciência da Computação que estuda métodos para sintetização e manipulação digital de conteúdo visual.

ISO (International Standards Organization): Conjunto de métodos e técnicas utilizados para converter dados para um dispositivo gráfico, via computador.

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Necessidade humana de visualização de dados.

Computação Gráfica10

Modelagem

Geométrica

Computação Gráfica

Visão Computacion

al

Processamento

de imagens

Dados Imagens

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Tríade Fundamental da CG

Geometria

RenderizaçãoAnimação

Geometria

Renderizaç

ãoAnimação

•Superfícies.•Malhas.•Curvas.•Parametrização.•Reconstrução.•Processamento de malhas out-of-

core.

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Como representar os objetos?

•Transporte / Visibilidade.•Shading – variar cor e brilho.•Scattering – interação da luz em um

ponto.

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Geometria

Renderizaçã

oAnimação

Como representar as cores e texturas?

•Animação de personagens.•Simulações físicas:

▫Tecido.▫Fluidos.

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Geometria

RenderizaçãoAnimação

Como representar o movimento?

O Começo• Sketchpad

▫ Tese de doutorado de Ivan Sutherland (1962 – MIT).

▫ Editor gráfico▫ CAD

"A display connected to a digital computer gives us a chance to gain familiarity with concepts not realizable in the physical world. It is a looking glass into a mathematical wonderland."

http://www.youtube.com/watch?v=mOZqRJzE8xg




Aplicações [1]• Física Computacional

Aplicações [2]• Jogos

Aplicações [3]• Medicina

Aplicações [4]• CAD

Aplicações [5]• Cinema

http://www.youtube.com/watch?v=5f-MYl-HzNw






E várias outras áreas…•Biologia Computacional•Arte Digital•Educação•Design•RA/RV•Meteorologia•Análise de Dados•…

História•1968

▫Ray Casting

•Década de 70▫Renderização Scanline (Scanline Rendering) ▫Modelo de Sombreamento de Goraud e Phong▫Mapeamento de Textura (Texture Mapping) ▫Mapeamento de Ambiente (Environment

Mapping)▫Mapeamento de relevo (Bump Mapping)▫Z-buffering ▫Volumes de Sombra (Shadow Volumes) ▫Buffer de Sombra (Shadow Buffer)

Ray Casting• Arthur Appel, 1968.• O Termo “Ray Casting” foi usado pela primeira

vez em 1982 por Scott Roth.• Técnica de renderização que cria uma

perspectiva 3D em um mapa 2D.• Idéia:

▫ Lançamento de raios a partir do observador de forma a perceber qual a distância a que estão os objetos que compõem a cena.

• A alta velocidade de cálculo tornou este modelo muito popular na implementação de jogos 3D.

Exemplos

http://pixellove.eu/wega/



Exemplos

http://www.youtube.com/watch?v=C00n4rDUMNo



História•1968

▫Ray Casting

•Década de 70▫Renderização Scanline (Scanline Rendering) ▫Modelo de Sombreamento de Gouraud e Phong▫Mapeamento de Textura (Texture Mapping) ▫Mapeamento de Ambiente (Environment


Renderização Scanline•Bouknight, 1970.•Algoritmo para determinar quais

superfícies ou partes de superfícies não são visíveis de um determinado ponto de vista.▫Renderização feita linha por linha em vez de

polígono por polígono ou pixel por pixel.•Vantagem:

▫Não é necessário traduzir as coordenadas de todos os vértices da memória principal para a memória em uso.

Exemplos

História•1968

▫Ray Casting

•Década de 70▫Renderização Scanline (Scanline Rendering) ▫Modelo de Sombreamento de Gouraud e

Phong▫Mapeamento de Textura (Texture Mapping) ▫Mapeamento de Ambiente (Environment Mapping)▫Mapeamento de relevo (Bump Mapping)▫Z-buffering ▫Volumes de Sombra (Shadow Volumes) ▫Buffer de Sombra (Shadow Buffer)

Flat Shading•Calcula a cor de 1 ponto e sua cor é a

mesma para toda a face.•É bastante rápido, já que elimina todos os

efeitos dos modelos de sombreamento.•Porém, os modelos ficam com uma

aparência quadrada.

Exemplos

Gouraud Shading• Henri Gouraud, 1971.• Suavidade na exibição de objetos com superfícies

curvas representados por polígonos.• Em cada vértice é calculado um vetor normal

estimado, que é a média das normais das faces que compartilham o vértice.

• A cor é calculada para cada vértice.▫ O cálculo da cor dos pontos internos da face é feita por

interpolação.• Problema – efeitos luminosos muito localizados:

▫ Pontos de brilho especular são atenuados.▫ Efeitos luminoso no meio do polígono podem ser

complicados.

Exemplos

Phong Shading•Bui Tuong Phong, 1975.•Funcionamento semelhante ao do

Gouraud Shading.•Normal da superfície é interpolada

linearmente para se obter a cor final de cada pixel.

•Melhora o modelo de Gouraud:▫Mantém o brilho especular.▫Resolve problema do meio do polígono.

•Mais custoso que os dois anteriores.

Exemplos

Exemplos

Outros modelos:http://www.youtube.com/watch?v=YKCyquHPidQ

Flat

Phong

Gouraud

http://www.youtube.com/watch?v=YKCyquHPidQ



História•1968

▫Ray Casting



Mapeamento de Textura•Edwin Catmull, 1974.•Método para adicionar textura (imagem

2D) a um polígono, modelo ou gráfico 3D.•Assim promove o aumento de realismo e a

redução da complexidade do modelo.•Problema: Perspectiva.

Exemplos

Exemplos

http://www.youtube.com/watch?v=CZLGsTmB3sk&feature=related







História•1968

▫Ray Casting



Mapeamento de Ambiente•Blinn e Newell, 1976.•Simulação de objetos refletindo o seu

arredor.•Método eficiente de simular uma superfície

espelhada através de texturas pré-calculadas.•Mais comuns:

▫Spherical E.M.▫Cubic E.M.

•Problema comum:▫O objeto não se reflete.

Exemplos

Exemplos

http://www.youtube.com/watch?v=uhNFiiRMOtU



História•1968

▫Ray Casting



Mapeamento de Relevo•Blinn, 1978.•Técnica da CG para simulação de

superfícies irregulares.▫Superfícies com rugosidades, saliências,

etc.•É feita através da alteração do vetor

normal de cada pixel da imagem

Exemplos

Exemplos

http://www.youtube.com/watch?v=njFurl4uwm8



História•1968

▫Ray Casting



Z-buffering•Edwin Catmull, 1974.•Gerenciamento das coordenadas de

profundidade de uma imagem em gráficos 3D.

•Geralmente implementado em hardware.•Uma das soluções para o “Problema da

Visibilidade”.•Problema:

▫Z-fighting.

Exemplos

Exemplos

http://www.youtube.com/watch?v=UVGdOFVbvBo



História•1968

▫Ray Casting



Volumes de Sombra•Frank Crow, 1977.•Técnica utilizada em gráficos 3D para

acrescentar sombras em cenas já renderizadas.▫Sombras proporcionam maior realidade às

cenas.▫Divide o mundo virtual em dois: com

sombra e sem sombra.•“Sombra perfeita”.

Exemplos

http://www.youtube.com/watch?v=utdoRSeKg64




História•1968

▫Ray Casting



Buffer de Sombra•Lance Williams, 1978.•Buffer de sombras de forma a tornar mais

rápida a renderização de sombras.▫Garantir qualidade e/ou precisão da

imagem se torna mais caro.▫Requerem grande quantidade de memória.▫GeForce 4 e Blender.

•Self-shadowing.

Exemplo

História•Década de 80

▫Traçado de Raios (Ray Tracing) ▫Traçado de Raios Distribuído (Distributed

Ray Tracing) ▫Traçado de Caminhos (Path tracing)▫Radiosidade (Radiosity)

•Década de 90▫Subsurface Scattering▫Mapeamento de Fótons (Photon Mapping)

Ray Tracing• Turner Whitted, 1980.• Algoritmo para síntese de imagens 3D.• Simulação do trajeto que a luz faria no mundo

real.▫ Algoritmo reverso:

Alto custo computacional.• Alto grau de realismo.• Método recursivo.

▫ Computação lenta: Número de interseções entre raios e objetos. Custo de cada cálculo de interseção.

▫ Ideal para aplicações em que a imagem pode ser renderizada lentamente, ou previamente.

▫ Não recomendado para aplicações em tempo real. Será?

Exemplos


▫Traçado de Raios (Ray Tracing) ▫Traçado de Raios Distribuído

(Distributed Ray Tracing) ▫Traçado de Caminhos (Path tracing)▫Radiosidade (Radiosity)

•Década de 90▫Subsurface Scattering ▫Mapeamento de Fótons (Photon Mapping)

Ray Tracing Distribuído•Robert Cook, Thomas Porter e Loren

Carpenter, 1984.•Ray Tracing – Limitações:

▫Sombras bem delineadas.▫Todos os objetos em foco.▫Objetos em movimento aparecem

congelados.▫Reflexão e refração “perfeitas”.

Materiais perfeitamente lisos.

Ray Tracing Distribuído•Ray Tracing Distribuído:

▫Evita simplificações para que a imagem se torne mais suave e real.

•Efeitos:▫Borramento por movimento (Motion Blur).▫Profundidade de Campo (Depth of Field).▫Penumbra (Soft Shadows).▫Superfícies Brilhosas (Glossy Surfaces).▫Superfícies Translúcidas.

Borramento por movimento

http://www.youtube.com/watch?v=R9FfkIGWoC4



Profundidade de Campo

Penumbra

Superfície Brilhosa

4 raios

16 raios 64 raios

30% reflexãoSem

superfície brilhosa

Superfície Translúcida

Transparente Translúcido4 raios

Translúcido16 raios

Path Tracing•James Kajiya, 1986.

▫Apresentado no mesmo artigo da “Equação de Renderização”.

•Técnica para renderização de gráficos fotorealísticos.

•Tenta resolver a equação de renderização.•Imagem de qualidade superior às

renderizadas com RayTracing.▫Maior custo computacional.

Exemplo

Ray-traced:Resolução: 500 x 500Tempo de renderização: 132sObjetos/Polígonos: 10 / 7Raios Primários/Secundários: 250000 / 76435Velocidade: 2470 raios/sCaminho máximo: 10 jumps

Path-traced:Resolução : 500 x 500Tempo de renderização : 2h 10mObjetos/Polígonos : 10 / 7Raios Primários/Secundários : 250000 / 1979333402Velocidade: ~254000 raios/sRaios por Pixel: 2000Caminho máximo : 30 jumps

Radiosidade•Cindy Goral, Kenneth Torrance, Donald

Greenberg e Bennett Battaile, 1984.•Algoritmo de Iluminação Global.

▫Tenta resolver a equação de renderização.•Baseado em conceitos de transferência de

calor e conservação de energia.•Não modela reflexão especular.•Elevado realismo.

Exemplos

http://vimeo.com/3741726



Exemplos

Subsurface Scattering•Pat Hanrahan, Wolfgang Krueger, 1993.•Mecanismo em que a luz penetra a

superfície de um objeto translúcido em um ponto, se dispersa e deixa a superfície em outro ponto.

•Ideal para renderizar materiais como mármore, leite e pele.

•Dá ao objeto uma aparência mais leve.

Exemplo

http://www.youtube.com/watch?v=pLeymBNSMu8






•Década de 90▫Subsurface Scattering ▫Mapeamento de Fótons (Photon

Mapping)

Mapeamento de Fótons•Henrik Jensen, 1995.•Algoritmo de dois passos que resolve a

equação de renderização.•Mais rápido que o Path Tracing.•Efeitos:

▫Cáusticas.▫Interreflexões Difusas.▫Meios Participativos.

Cáustica•Efeito de refração da luz em um meio

transparente.

Interreflexão Difusa•Energia luminosa atinge a superfície e

reflete em todas as direções.▫“Color Bleeding”.

Meios Participativos•Cálculos necessários para representar

imagens com vapor, fumaça, poeira, etc.

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Renderizadores• Mental Ray• V-Ray• Kerkythea• 3Delight• Indigo• LightRay• POV-Ray• Fryrender• Brasil R/S• Light Studio

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MENTAL RAY• Criado pela Mental Images, comprada pela

NVIDIA.• Tem como clientes:

▫ Audi, Honda, Renault, Volkswagen.▫ DreamWorks, SONY.

Hulk, Matrix, O dia depois de amanhã.▫ Electronic Arts.

• Scanline rendering, photon mapping, final gathering, motion blur (vários tipos), programmable shaders, shade trees…

Maya

3DS Max

SolidWorks

Houdini

MENTAL RAY88

89

V-RAY•Engine de Renderização criado pelo

ChaosGroup em 1997.•Iluminação global: Path Tracing, Photon

Mapping, Irradiance Cache e Light Cache.•É usado na produção de filmes, jogos e

em arquitetura.

Maya

3DS Max

•Free, “physically based renderer”.•Renderização em rede (TCP/IP).•Spectral sky e sunlight.•Horas do dia realísticas (pôr do sol,

nascer do sol, etc).•Algumas bibliotecas usadas:

▫TinyXML, Intel Jpeg library, Lib3ds, Libpng.

Indigo

•Primeira versão em 2005, depois de 8 meses de trabalho.

•Freeware.•Kernel e bibliotecas do Phos (render

engine antigo).•Bump mapping, Clip mapping e Edge

Outlining.•Path Tracing, Photon Maps/Mesh Maps.

3DS Max

SketchUp

Kerkythea

Brazil R/S•Brazil Rendering System criado pela

SplutterFish.•Photon Mapping, Irradiance Cache,

Cartoon Shading, Skin Shader, Sub-surface Scattering, Rendertime Displacement Mapping, 3D Motion Blur.

•Hulk, Os incríveis, Sin City, Aeon Flux, Van Helsing, X-Men 2, Minority Report.

3DS Max

Brazil R/S

Hardwares Gráficos•Retirando o processamento de imagens do

processador, ganha-se em velocidade.•Mais fácil de fazer Pipeline e de

Paralelizar.•No começo: Rasterização. Depois,

Geometria.

Evolução dos Hw Gráficos• IBM(87’): Controladores VGA (Video Graphics Array).

▫ Processamento ainda na CPU. VGA é usado como frame buffer.• 90’: GPU (Graphics Processing Unit).

▫ Termo introduzido pela NVIDIA: “VGA” já era inapropriado.• 91’: Super Nintendo, Neo Geo.

▫ Rasterização de 1 triângulo 3D por frame.• 1ª Geração de GPUs.

▫ 94-98 (NVIDIA TNT2, ATI Rage, 3dfx Voodoo).▫ Rasterização de triângulos pré-transformados.

• 2ª Geração de GPUs.▫ 1999-2000 (GeForce).▫ Transformação de vértices (OpenGL e DirectX 7).▫ Cálculo de Iluminação por vértice.

GEOMETRIA

Evolução dos Hw Gráficos• 3ª Geração de GPUs.

▫ 2001 (GeForce 3, GeForce 4 Ti, Radeon 8500).▫ 600-800 estágios de pipeline.▫ Programação ao nível de vértice/fragmento.▫ DirectX 8.x e diversas extensões proprietárias do OpenGL.

• 4ª Geração de GPUs.▫ 2002-2003(GeForce FX, ATI Radeon 9700).▫ Programação ao nível do pixel.▫ Introdução das linguagens de alto nível para placas gráficas

Cg (C for graphics), GLSL.▫ Número de instruções por programa (vértice/fragmento)

aumenta drasticamente.▫ DirectX 9.x, OpenGL 2.0.

Evolução dos Hw Gráficos•MULTI-GPU/SLIs (Scalable Link

Interface).•NVIDIA, 2004.•Split Frame Rendering, Alternate Frame

Rendering e SLI Antialiasing.

ATI Crossfire

Evolução dos Hw Gráficos•Physics Processing Units (PPUs).

▫Unidades de processamento dedicadas a cálculos de física.

•AGEIA, criou a Physx, e foi comprada pela NVIDIA em Fevereiro/08.▫Age of Empires III, Gears of War.

•Havok FX.▫Crossfire e SLI.▫Half-Life 2, Dead Rising.▫Depois da compra pela Intel, sumiu.

Ageia Physx PPU

102

Futuro•Avanços de hardware trazem, cada vez

mais, o fotorealismo a vários segmentos.▫Medicina.▫Arquitetura.▫Indústria de Games.▫Indústria do Cinema.▫...

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Futuro •Uso intensivo da computação distribuída

na Computação Gráfica.

Futuro•http://www.youtube.com/watch?v=vg0lzlgu

HmE

http://www.youtube.com/watch?v=vg0lzlguHmE

http://www.youtube.com/watch?v=vg0lzlguHmE

Perguntas?

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