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Iluminação e Sombreamento
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Iluminação e Sombreamento
Soraia Musse
https://www.youtube.com/watch?v=Qx_AmlZxzVk
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Introdução
• Objetivo/Motivação
– Realismo nas imagens
– Fotorealismo
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Sumário
• Introdução
• Modelos de Iluminação– Luz Ambiente
– Reflexão Difusa
– Atenuação Atmosférica
– Reflexão Especular
– Modelo de Iluminação de Phong
• Modelos de Sombreamento para Polígonos– Flat Shading
– Interpolated Shading
– Polygon-Mesh Shading• Gouraud Shading
• Phong Shading
– Problemas com o Sombreamento por Interpolação
• Iluminação Global: Ray-tracing
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Introdução
• Objetivo principal
– Mostrar como sombrear superfícies baseando-se na posição, orientação e características das superfícies e fontes de luz que as iluminam
• Modelo de Iluminação
• Modelo de Sombreamento
– Determina quando o modelo de iluminação é aplicado e quais argumentos ele recebe
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Intensidade dos objetos
• Modelo de iluminação mais simples
– Utiliza apenas a intensidade do objeto, sem fontes de luz externas
– Objeto com iluminação própria
• Equação de iluminação
– I = Ki
• Onde I é a intensidade final e K é constante do objeto i
• Processo de calcular a equação de iluminação em um ponto também chama-se iluminar um objeto
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Luz Ambiente
• Agora, ao invés de luminosidade própria, consideremos a existência de uma fonte de luz sem direção específica, resultante das reflexões entre as muitas superfícies presentes no ambiente
• Esta luz é constante pois não tem origem
• Conhecida como luz ambiente
– I = Ia.Ka
• Ia - intensidade da luz ambiente
• Ka - coeficiente de reflexão ambiente
– Propriedade do material
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Luz Ambiente
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Reflexão Difusa
• Objetos iluminados pela luz ambiente são mais ou menos iluminados de acordo com a intensidade do ambiente (Ia)
• Mas são uniformemente iluminados ao longo de suas superfícies
• Agora, consideraremos uma fonte de luz pontual, cujos raios emanam uniformemente de um único ponto
• A iluminação do objeto varia de acordo com a direção e a distância desta fonte de luz
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Reflexão Difusa
• Alguns materiais apresentam reflexão difusa
• Essas superfícies refletem a energia luminosa igualmente, sob qualquer ângulo de visão, porque elas refletem luz com igual intensidade em todas as direções
• O brilho dependerá somente do ângulo formado entre a direção da fonte da luz e a normal da superfície
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Reflexão Difusa
• A reflexão difusa independe da direção do observador sendo proporcional somente ao cosseno de .
– I = Ip Kd cos
– Ip= Intensidade da fonte de luz
– Kd= coeficiente de reflexão difusa (constante [0,1])
– Normalizando vetores:
• I = Ip Kd (N.L)
• Combinando com componente de ambiente
– I = Iaka + IpKd (N.L)
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Reflexão Difusa
Kd=0.4, 0.55, 0.7, 0.85, 1.0
Ia=Ip=1.0, Kd=0.4, Ka=0.0, .015, 0.3, 0.45, 0.6
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Atenuação da Fonte de Luz
• Sem atenuação: Caso projetemos duas superfícies paralelas de material idêntico, iluminadas a partir do observador, a equação atual não distinguirá onde termina uma superfície e onde começa outra, não importando a distância
• Para simular esta diferença de distância, criou-se um fator de atenuação da fonte de luz (fatt)
– I = Iaka + fattIpKd (N.L)
• fatt é definido como
– Inverso do quadrado da distância ao ponto de luz
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Reflexão Especular
• Círculos brilhantes (highlight) que aparecem em superfícies
• Para observar:
– Ilumine uma maçã vermelha com uma luz branca
– Aparecerá um highlight, causado pela reflexão especular
– Neste ponto, a maçã não parece vermelha, e sim branca, a cor da luz incidente
• Movimentando a cabeça nota-se que o highlighttambém move-se
– Superfícies refletem luz de forma diferente em diferentes direções
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Reflexão Especular de Phong
• Phong desenvolveu em 1975, um modelo para a parcela de reflexão especular que assumia que:
– Máxima reflexão especular ocorre quando * é zero e cai rapidamente quando cresce
– Essa mudança é representada por cosn , onde n é o expoente de reflexão especular
• Valores de n variam de 1 até centenas, dependendo do material simulado
...Ks(R.V)n
N não tem significado Físico...
R = reflexão e V=viewpoint
* é ângulo entre R e V
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Reflexão Especular de Phong
• Phong desenvolveu em 1975, um modelo para a parcela de reflexão especular que assumia que:
– Máxima reflexão especular ocorre quando * é zero e cai rapidamente quando cresce
– Essa mudança é representada por cosn , onde n é o expoente de reflexão especular
• Valores de n variam de 1 até centenas, dependendo do material simulado
• A equação de iluminação fica (O=cor)
Compondo em uma só equação:
I = Ambiente + fatt Ip[Difusa + Ks(R.V)n]
incluindo a cor especular
I = Ambiente+ fattIp[Difusa + KsOs(R.V)n]
considerando vetores normalizados,
I = IakaOd + fattIp[KdOd(N.L) + KsOs(R.V)n]
R = reflexão e V=viewpoint
* é ângulo entre R e V
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Reflexão Especular
Ia=Ip=1.0, Ka=0.1, Kd=0.45
n=3.0, 5.0, 10.0, 27.0, 200.0 (Componente da reflexão especular)
Ks=0.1, 0.25, 0.5
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Múltiplas Fontes de Luz
• Existindo m fontes de luz, basta somarmos os termos de cada fonte de luz
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Modelos de Sombreamento para Polígonos
• Idéia Central: Poderíamos “sombrear” qualquer superfície calculando a normal em cada ponto visível e aplicando o modelo de iluminação naquele ponto
• Porém esta operação teria um custo computacional extremamente elevado
• Modelos de Sombreamento (Shading Models) surgiram para executar esta tarefa de maneira eficiente
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Flat Shading
• Aplica o modelo de iluminação uma única vez para cada polígono, gerando uma intensidade que é usada para sombrear o polígono
• Não representa variações ao longo do polígono
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Sombreamento de Malhas Poligonais
• Aplica-se a cada polígono individualmente
• Problemas de superficíes curvas
– Aparência facetada
• Flat Shading e Interpolated Shading geram resultados com essas características
• Efeito de Mach Band
– Diferença da intensidade em uma aresta é acentuada se existe uma descontinuidade de uma intensidade
– Causado por um fenômeno ótico
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Sombreamento de Malhas Poligonais
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Sombreamento de Malhas Poligonais
• Existem dois modelos para malhas poligonais que aproveitam as informações fornecidas pelos polígono adjacentes para simular uma superfície suave
• Gouraud Shading
• Phong Shading
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Gouraud Shading
• Também conhecido como sombreamento por interpolação de intensidade ou sombreamento por interpolação de cor
• Elimina descontinuidades de intensidade
• Não elimina completamente mudanças de intensidade
• Estende conceito de sombreamento interpolado, considerando a superfície e não cada polígono individualmente
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Gouraud Shading
• Necessita da normal de cada vértice
• Pode-se calcular através do produto vetorial entre vetores que representam as arestas ou
• Pode-se obter esta normal fazendo a média entre as normais das superfícies às quais o vértice pertence
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Gouraud Shading
• Próximo Passo:
– Calcular a intensidade no vértice, aplicando o modelo de iluminação.
– Após isso, calcular a interpolação destas intensidades
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Gouraud Shading
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Comparando Flat e Gouraud
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Phong Shading
• Também conhecido como interpolação do vetor normal
• Interpola a normal da superfície, ao invés da intensidade
• Normais obtidas a partir das normais dos vértices
• Processo:
– Encontra a normal para o ponto dado
– Calcula-se a intensidade com aquela normal
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Phong Shading
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Gouraud / Phong
• Resultados obtidos com Phong shading são mais realistas que Gouraud
• Gouraud pode apresentar problemas, principalmente com componente especular. Porque?
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Métodos de sombreamento
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Iluminação Direta
• Luz direta aplicada aos objetos
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Iluminação Global
• Complexidade do problema– Objetos
– Fontes de Luz
– Interação entre os 2
– Percepção Humana
• Soluções empíricas x baseadas em física
• Truques que funcionam visualmente– Exemplo cosn para o reflexo especular
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reflexão
transmissão
absorção
refração
especular difusa
Principais fenômenos que podem
Acontecer na interação entre luz e
objetos
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Iluminação Local
• O cálculo de iluminação num ponto da superfície independe da energia recebida indiretamente
• Toda informação necessária para este cálculo é LOCAL
• Exemplos: Flat shading, Gouraud, Phong
• Parcela Ambiente simula este efeito
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Iluminação Global
• Leva em consideração a iluminação indireta
• Decorrente das inter-reflexões entre luz e objetos na cena
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Traçado de Raios
• Primeiras idéias em 1968 (Ray Casting)
• 1980 Turner Whitted
– Communications of the ACMN. 23, V. 6, June 1980, p. 343-349)
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Traçado de Raios
Seguir raios de luz
no ambiente, a partir
do observador
Árvore de Raios
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Múltiplos Níveis de Reflexão
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Iluminação e Sombreamento
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Traçado de Raios
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Modelo Iluminação Local
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Iluminação e Sombreamento
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Traçado de Raios
• Gargalo é cálculo de intersecções (até 95% do tempo total)
• Métodos para aceleração principais
– Menos Intersecções
– Intersecções mais rápidas
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Iluminação e Sombreamento
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Galeria
Kirschner, AndreRENDERER USED: 3d studio max
RENDER TIME: approx 6 hours 30 minutes
HARDWARE USED: AMD1600+, ti4200
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Galeria – Mental Ray
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Maiores Referências
• An Introduction to Ray Tracing - A. GlassnerAcademic Press, 1989
• Internet Ray Tracing Competitionwww.irtc.org
• Softwares
– http://www.povray.org/
– Rayshade
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Iluminação e Sombreamento
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Bump Mapping
• Conforme visto, o vetor normal é importante no processo de renderização.
• No entanto, o cálculo do vetor normal a cada vértice é um processo custoso e piora conforme aumenta o número de vértices dos objetos
• James Blinn primeiramente propôs o Bump Mapping(alteração aleatória nas normais dos polígonos de maneira a prover rugosidade a um objeto plano)
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Normal Maps
• Assim, os normal maps foram propostos com o mesmo fim, mas sendo providos de um modelo high poly e não aleatoriamente
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https://youtu.be/yHzIx41eiD4
Bump X Normal Maps