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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas:Aplicações e Desafios

Luís Paulo Peixoto dos Santos

Abril, 2005

Departamento de InformáticaUniversidade do Minho

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Síntese de Imagens por Computador

Objectivo

A partir de uma descrição geométrica de um mundo pretende-se sintetizar uma imagem correspondente a esse mundo observado a partir de determinado ponto.


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Síntese de Imagens:O modelo de iluminação

O modelo de iluminação utilizado influencia a qualidade da imagem final: este determina quais os fenómenos relacionados com o transporte da luz que são incluídos no processo de síntese.

Os modelos de iluminação mais simples incluem pouquíssimos efeitos relacionados com a luz:

• Iluminação local: apenas a interacção de cada objecto com as fontes de luz é considerada (luz directa)

• Iluminação global: o efeito da luz reflectida por outros objectos (que não as fontes de luz) também é considerado para calcular a iluminação de cada ponto.


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Síntese de Imagens:Iluminação local

• Os modelos de iluminação local consideram apenas a iluminação directa:

Interacção entre cada objecto e as fontes de luz

• Fenómenos resultantes da interacção entre objectos são ignorados:

– Sombras

– Reflexão especular (ex.: espelhos)

– Transmissão especular (ex.: vidros)


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Síntese de Imagens:Iluminação local

[Foley90]


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Síntese de Imagens:Iluminação Global

• Na iluminação de cada ponto é incluída, além da componente directa, a luz reflectida ou transmitida por outros objectos que não as fontes de luz.

Observador

Directa

Indirecta


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Síntese de Imagens:Iluminação Global – Sombras

[Peter Milner, AccuRender3]


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Síntese de Imagens:Iluminação Global – Reflexão Especular

[Greg Ward, Radiance]


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Síntese de Imagens:Iluminação Global – Transmissão Especular

[Graeme Watt, Radiance]


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Síntese de Imagens:Iluminação Global – Transmissão Especular e Refracção

[Radiance]


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Síntese de Imagens:correcção física vs. fotorealismo

• No processo de síntese de imagens são muitas vezes usados modelos de iluminação empíricos que produzem imagens foto-realistas, mas que não correspondem ao que seria realmente visto se aquele mundo existisse!

[Gilles Tran, POVRay]


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas

Objectivo

“… desenvolver modelos de iluminação baseados na física e processos de visualização perceptuais que produzam imagens sintéticas visual e/ou mensuravelmente indistinguíveis e imagens do mundo real…”.

[Greenberg, 1997]

Estas imagens podem ser usadas de forma preditiva, em oposição a imagens que apenas têm um grande impacto visual.


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas

• Os modelos de iluminação e os mecanismos de transporte de luz utilizados para sintetizar estas imagens devem ser fisicamente correctos, não podendo utilizar aproximações empíricas.

• Todas as grandezas utilizadas na modelação do mundo virtual, devem ser grandezas físicas.

• A síntese de imagens fisicamente correctas é, portanto, uma simulação de um processo físico.


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas:Aplicações

• Arqueologia• Arquitectura• Engenharia da Iluminação• Publicidade e Marketing• Simuladores• Cinema• Jogos para Computador


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas:Aplicações - Arqueologia

[Temple of Kalabsha, V. Sundstedt, P. Ledda, A. Chalmers, Univ. of Bristol]


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas:Aplicações - Arquitectura

[London Underground Control Centre, A. Sedgwick, S. Walker, O. Arup, Radiance]


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas:Aplicações – Engenharia da Iluminação

[Greg Ward, Radiance]

Imagem original Linhas de iso-luminância


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Iluminação Global:Evolução Histórica

• Ray tracingTurner Whitted, Agosto 1979

Baseado em métodos já usados na Física Óptica, este algoritmo engloba de uma forma elegante sombras, reflexões e transmissões especulares.


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• RadiosidadeGoral, Torrance and Greenberg, 1984

Simula as interreflexões difusas, assumindo que todos os materiais são reflectores difusos perfeitos.


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A radiosidade simula o “color bleeding”


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• Ray Tracing DistribuídoCook, Porter and Torrance, 1984

Suaviza os resultados do ray tracing, permitindo simular reflexões glossy, sombras suaves, translucência, motion blur e profundidade de campo.

Ray tracing clássico Reflexões glossy


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Ray tracing clássico Sombras suaves


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Ray tracing clássico Translucência


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Motion blur


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• Equação de rendering e path tracingKajiya, 1986

A equação de rendering descreve matematicamente o transporte da luz, permitindo o aparecimento de novos algoritmos que tentam obter uma solução aproximada para o integral.

s

xre NxLxfxLxL ),cos()(),()()(


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• Path tracingKajiya, 1986

Aproximação estocástica à solução da equação de rendering, que é capaz de seguir todos os caminhos da luz: fenómenos especulares, difusos e cáusticas.


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• Photon MappingHenrik Wann Jensen, 1996

Aproximação estocástica à solução da equação de rendering, que permite calcular cáusticas, interreflexões difusas, meios participativos (ex.: fumo, nevoeiro), etc., de uma forma muito mais rápida do que o path tracing.


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• Photon Mapping – Iluminação GlobalHenrik Wann Jensen, 1996


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• Photon Mapping – CáusticasHenrik Wann Jensen, 1996


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• Photon Mapping – Cáusticas e Meios ParticipativosHenrik Wann Jensen, 1996


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• Photon Mapping – Meios ParticipativosHenrik Wann Jensen, 1996


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• Dispersão da LuzHenrik Wann Jensen, 2001


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• Dispersão da LuzHenrik Wann Jensen, 2001


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas:Desafios

• Este é um processo computacionalmente muito exigente;

• A síntese de cada imagem requer um elevado tempo de computação

• O tempo de rendering inviabiliza a utilização em contextos interactivos, onde se exigem de 10 a 30 imagens por segundo(100 a 33 ms por imagem)

• Exemplo: o filme SHREK exigiu 10 milhões de horas de rendering


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas: Optimizações

As abordagens à resolução deste problema têm passado por:

• Algoritmos mais eficientes

• Computação Paralela

• Coprocessadores gráficos

• Rendering progressivo

• Rendering selectivo


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas:Computação Paralela

• O processo de síntese é distribuído por várias máquinas


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas:Computação Paralela

• Limitações nas acelerações devido a custos de:– Comunicações e sincronização

– Repetição de trabalho

– Gestão do paralelismo

Tempos de processamento

0

200

400

600

800

1000

1200

1 10 100 1000

Número de processadores

Tem

po

de

exec

uçã

o


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas:CoProcessadores Gráficos

• As placas gráficas são coprocessadores gráficos que podem ser usados para acelerar partes do processo de síntese

• Modelo de computação diferente do associado aos CPUs

• Grande evolução nos últimos anos, tanto ao nível do desempenho, como funcionalmente

• Existem ray tracers, com modelos de iluminação simplificados a correr na placa gráfica

http://www.gpgpu.org


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas:Rendering progressivo

• Síntese de imagens progressivamente com maior qualidade: – os resultados iniciais, mais grosseiros, podem ser imediatamente

apresentados ao utilizador


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Síntese de Imagens Fisicamente Correctas: Rendering selectivo

• As regiões da imagem mais relevantes para o observador são sintetizadas com maior qualidade

• A restante imagem pode ser sintetizada com parâmetros de qualidade inferior, requerendo menor tempo de execução

• Esta abordagem apoia-se em limitações do Sistema Visual Humano, que tem tendência para se concentrar apenas em alguns aspectos das imagens que lhe são apresentadas


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Saliency maps


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Task Maps


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Alan Chalmers, Universidade de Bristol


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Alan Chalmers, Universidade de Bristol

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