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Iluminação e Sombreamento
35T56 – Sala 3E3Bruno Motta de CarvalhoDIMAp – Sala 15 – Ramal 227
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Introdução Na produção de uma imagem deveriase
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, considerase 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
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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)
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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
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Iluminação NãoGlobal
Em métodos de iluminação nãoglobais, o cálculo da iluminação de um pedaço de superfície é feito ignorandose 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
Perdese efeitos de iluminação global como sombras, reflexão entre objetos, refração em superfícies transparentes e efeitos volumétricos de meios como ar, água e névoa
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Luz No cálculo da quantidade e cor da luz
que é refletida em um pedaço de superfície levase 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)
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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 nãoglobalQuais parâmetros podem ser especificados
na criação da cenaDefine valores para parâmetros que não
podem ser especificadosEspecifica a função que calcula a iluminação
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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 nãofísicos Modelo que busca gerar imagens que sejam boas o
suficiente levandose em conta o hardware disponível Modelo de Phong é um modelo simples, nãofísico e nãoglobal
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
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Modelo Simplificado Tipos de interação luzmaterial:
Componente difuso Componente especular Componenete do ambiente, que representa
a luz global nãoespecífica Este modelo é nãofísico, 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
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Reflexões A reflexão difusa (Lambertiana) é típica de superfícies
foscas, sendo independente da posição de observação Pode ser calculda usandose a lei do cosseno 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
I=I p k d cos , i.e.
I= I p kd N L
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Reflexõeso Para uma melhor aproximação devese 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, usase a fórmula
onde c1, c2, c3 são constantes definidas empiricamente
I= f att I p kd N L , onde f att=1d L
2
k d N L
f att=min 1c1c2 d Lc3 dL
2, 1
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Reflexõeso 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 usase 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. Usase 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
I=I a k aF att I p kd N L
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Reflexões
o Para usar luzes e superfícies coloridas, usase 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, transformase a equação acima para que seja dependente do comprimento de onda , gerando
λ
I R=I aR K a OdR f att I pR k d OdR N L
I =I a K a Od f att I p kd Od N L
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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 = 0
• Para um refletor real a luz refletida diminui com o aumento de
α
α
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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
α
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Modelo Simplificado Equação de iluminação nãofísica 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, somase 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
I =I a K a Od f att I p [kd Od N L k s Os R V n ]O s
Os
I =I a K a Od ambiente
f att I p[k d Od N L
difusa
k s Os R V nespecular ]