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I – Modelos Locais de Iluminação

Escola Politécnica da USPEngenharia de Sistemas EletrônicosMarcio Lobo Netto http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789

Conceitos Avançados de Síntese de Imagens

Marcio Lobo Netto2002

AULA 02Modelos Locais de Iluminação

Universidade de São PauloEscola PolitécnicaEngenharia de Sistemas Eletrônicos


Escola Politécnica da USPEngenharia de Sistemas EletrônicosMarcio Lobo Netto

set. 2002 Conceitos Avançados de Síntese de Imagens 2http://www.lsi.usp.br/~lobonett/courses/graduation/PSI5789

Objetivo desta aula

• Apresentar o modelo da câmera fotográfica

• Estudo da luz, de sua interação com a superfície de objetos e o processo de obtenção de imagens

• Modelos físicos




O que é Síntese de Imagens?

• Síntese de imagens é uma forma de gerar imagens usando simulação computacional.

• A qualidade da imagem depende da qualidade do modelo usado para a simulação– acuidade geométrica do modelo– acuidade da representação do fenômeno físico de

iluminação– outras




Porque estudar síntese de imagens?




Conceito da simulaçãoprocesso físico de obtenção de imagens

• Analogia da câmera fotográfica / filmadora• Estudo dos processos de

– emissão de luz (fontes luminosas)– interação da luz com superfícies (reflexão, especular e

difusa)– interação da luz com o meio em que se propaga

(dispersão)– o processo de formação da imagem como registro da

informação trazida pela luz




Conceito da simulaçãoprocesso físico de obtenção de imagens [...]

• Métodos computacionais p/ simulação do conceito acima– formas de obtenção de imagens a partir do cenário 3D

• projeção• amostragem

– níveis de complexidade da simulação• modelos locais de iluminação• modelos globais de iluminação




Analogia da câmera fotográfica

• Processo de formação da imagem– registro de um espaço 3D virtual (cena) num espaço 2D

(imagem)– método de projeção– método de amostragem– simulação dos parâmetros da câmera como foco,

abertura, ... (RenderMan)




Analogia da câmera de cinema

• Em animação– analogia da câmera de cinema– consideração do movimento na síntese da imagem– movimento da câmera ou de objetos no cenário




Método de projeção

• Artifício, iluminação simulada parcialmente(somente alguns aspectos)

• Transformação geométrica 3D => 2D (multiplicação matricial)

• Projeção: paralela / perspectiva– Divisão por z (profundidade), se perspectiva




Método de projeção

• Espaço 3D: cálculo da iluminação (modelos de iluminação)– quantidade de luz em determinados pontos da cena

(vértices)• Espaço 2D: sombreamento

– interpolação da iluminação nos pontos acima para determina-la em todos os pontos da cena




Método de projeçãoProgramas

• RenderMan

• OpenInventor / OpenGL




Método de amostragem

• Simulação física da propagação da luz ou da energia

• Observação da cena via luz ou transporte de energia

• Iluminação integrada no processo de simulação




Método de amostragemTécnicas

• Ray Tracing




Conceito Físico da Luz

• Modelo de onda eletromagnética– fenômenos previstos– fenômenos não previstos

• Modelo de partículas– fenômenos previstos– fenômenos não previstos




Estudo da luz (1)

• Natureza ondulatória da luz– campo eletromagnético (H x E)– equações de Maxell– E = Eoe-j(kx + wt) H = Hoe-j(kx + wt)

– propagação via frente de onda:• difração

– polarização– componentes espectrais




Estudo da luz (2)

• Natureza de partículas da luz– fluxo de luz

• partículas / seção / segundo

• Dualidade partícula - onda– pacote de onda




Estudo da luz (3)

• Emissão de luz– fontes de luz

• Interação da luz com o meio em que se propaga– atmosfera ou líquidos– dispersão

• fenômeno que ocorre na dimensão do comprimento da luz




Estudo da luz (4)

• Interação da luz com superfícies (matéria)– reflexão

• especular, difusa, combinada, lustro

especular difusa mista lustro BRDF

BRDF: bi-directional reflection distribution function




Estudo da luz (5)

• Interação da luz com superfícies (matéria)– refração

• mudança da velocidade da luz => lei de Fresnel• especular, difusa, combinada, lustrada (gloss)




• Interação luz - matéria– análise microscópica

• Espalhamento (scatering)– análise macroscópica

• modelo especular• modelo difuso• modelo combinado BRDF

dLr (ωr) = fr (ωi ωr) dLi (ωi) cosi dωi

Estudo da luz (6)




Radiometria e Fotometria

• Radiometria– ciência da medida física da energia eletromagnética– unidades do SI: energia Joules potência Watts

• Fotometria– medida psico-física da sensação visual




Radiometria e Fotometria

física radiometria fotometriaenergia radiante J energia luminosa talbot

fluxo potência radiante W potência luminosa lumens

densidade angular de fluxoradiance W/m2sr luminancia lumens/m2sr

densidade de fluxo irradiance W/m2 iluminancia lux

densidade de fluxo radiosity W/m2 luminosidade lux

intensidade radiante W/sr intensidade luminosa candela




Simulação usando modelos locais de iluminação

• Conceito da iluminação direta (local)– interação direta e exclusiva entre objetos e fontes de luz

• Modelos de interação superfície - luz– BRDF: modelos simples e refinados– métodos de iluminação e sombreamento

• flat• Gouraud (escalar) - difusa• Phong (vetorial) - difusa e especular• métodos de interpolação (escalares e vetoriais)




• Conceito de geração da imagem– métodos de projeção (usado p/ modelos locais)– métodos de amostragem (usado p/ modelos globais)

• Bom exemplo: Renderman / produção: Toy Story




Modelos locais de iluminação

• Conceito da iluminação direta (local)– interação direta e exclusiva entre objetos e fontes de luz

Lr(ωr) = fr(ωi ωr)Li (ωi) cosi dωi




Modelos de interação superfície – luz

• Métodos de iluminação e sombreamento– flat– Gouraud (escalar) - difusa– Phong (vetorial) - difusa e especular– Métodos de interpolação (escalares e vetoriais)




Modelos de interação superfície – luz

Normal

Luz

Gouraud

Phong




Dependência do observador

• reflexão difusa– pode ser calculada sem conhecimento da posição do

observador– view independent (radiosity)– valor escalar atribuído pela integral de toda a luz

incidente naquelaparte da superfície, sem considerar direção de reflexão

• consideração do ângulo de incidência de cada componente• a luz é refletida igualmente em todas as direções





• reflexão especular– para ser calculada depende da posição do observador– view dependent (ray tracing)– valor vetorial atribuído pela integral de toda a luz incidente

naquela parte da superfície, considerando o ângulo da componente refletida

• consideração do ângulo de incidência para cada componente incidente

• consideração do ângulo de reflexão para cada componente refletida• a luz é refletida preferencialmente numa única direção





• reflexão especular– valor vetorial atribuído pela integral de toda a luz incidente

naquela parte da superfície, considerando o ângulo da componente refletida

• consideração do ângulo de incidência para cada componente incidente

• consideração do ângulo de reflexão para cada componente refletida• a luz é refletida preferencialmente numa única direção

– para observação desta componente é necessário conhecer sua relação com a orientação do observador




• Relação entre métodos de geração de imagens e modelos de iluminação– métodos de projeção (usado p/ modelos locais)

– métodos de amostragem (usado p/ modelos globais)

• bom exemplo: Renderman / produção: Toy Story• FIGURA




Limitações de métodos baseados em modelos locais

• realismo da imagem

• fidelidade da simulação do processo físico

• decorrências– efeitos de sombra e penumbra– efeitos de iluminação secundária (indireta)– efeitos do meio




ExemploRenderMan – Controle de Efeitos




ExemploRenderMan – Toy Story




Bibliografia (1)

• Principles of Digital Image Syntesis (2 vols.)– Andrew Glassner

• Radiosity & Global Energy Simulation– Francois Silion

• Radiosity and Realistic Image Synthesis– Michel Cohen




Bibliografia (2)

• Realistic Ray Tracing– Peter Shirley

• Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping– Henrik Wann Jensen

• Practical Parallel Rendering– Alan Chalmers




• Notas de aula

• Notas de cursos e papers do SIGGRAPH




Trabalho

• p/ próxima aula• Redigir um texto (~5 pag.) sobre

– RenderMan– OpenGL / OpenInventor

• Analisando– suas características– aplicações– limitações




Comentários

• Incluir algo sobre visibilidade

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