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Iluminação e Sombreamento

35T56 – Sala 3F4

Bruno Motta de Carvalho

DIMAp – Sala 15 – Ramal 227

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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

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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 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

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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)

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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 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

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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 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

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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

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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

I Ipkdcos , i.e.

I IpkdN L

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Reflexões

o 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

I fatt

IpkdN L , onde f

att1 d

L

2

kdN L

fattmin

1

c1c

2dLc

3dL

2,1

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Reflexões

o 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 ekaé 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 IakafattIpkdN L

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Reflexões

o 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

IRIaRkaOdR

fattIpRkdOdRN L

I IakaOd

fattIpkdOdN 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 α = 0

• Para um refletor real a luz refletida diminui com o aumento de

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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

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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

I IakaOd

fattIpkdOdN L k

sOsR V n

Os

Os

I IakaOd

ambiente

mfattIpkdOdN L

difusa

ksOsR V n

especular