Sistemi Multimediali II

Marco Tarini

Università dell’Insubria

Facoltà di Scienze MFN di Varese

Corso di Laurea in Informatica

Anno Accademico 2004/05

Lezione 10: la L di T&L

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 2/40

Lighting

• L’altra metà del rendering• Determinare la luce

– quanta luce– di che colore

che arriva – da un punto della scena – all’occhio

• Problema complesso...

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 3/40

Lighting: alcuni fattori

LUCE

OCCHIOOGGETTO

trasmissione (con rifrazione)

assorbimento

riflessione interna

assorbimentoda parte del mezzo

(e.g. nebbia)

scattering sotto la superficie

ALTRA LUCE

blocker

inombra

rifelssione

raggio incidente

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Lighting: alcuni fattori

LUCE

OCCHIOOGGETTO

riflessioni multiple(illuminazione indiretta)

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Lighting: globale VS locale

– tiene conto solo di:• condizioni di luce

– N. luci– loro pos– loro colore

• pezzetto della superficie da illuminare

– orientamento (normale)– caratteristiche ottiche

» per es, colore

– il resto del mondo non c’è

– riflessioni multiple– ombre– scattering

sottosuperficiale– rifrazione– ...

Illuminazione locale Illuminzione globale

torna molto più

facile da farecon il nostro

Hardware

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Lighting locale

LUCE

OCCHIOOGGETTO

rifelssione

raggio incidente

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Cosa è facile fare

• Illuminazione locale:– riflessioni della luce su oggetti

• con proprietà ottiche molto semplici

– con multiple fonti di luci• ma molto semplici: puntiformi

• Illuminazione globale:– riflessioni multiple

• in maniera BRUTALMENTE approssimata

– assorbimento da parte del mezzo• assunzioni semplificanti (nebbia uniforme)

– tutto il resto solo "a fatica"• escogitando algoritmi ad-hoc che si adattano al nostro l'HW

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I 3 fattori che consideriamo

luce finale=

ambiente+

riflessione+

emissione

per ogni addendo, ho una componente R, G e B.

definite sia per l'oggetto, (sotto forma di attributi per

vertice)sia per ogni luce che uso

le proprieta ottiche dell'oggetto,

(di solito sono attributi per vertice)

nel loro insieme sono detteil suo "materiale"

terminologia OpenGL

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Componente emissione

• LEDs, lampadine...• Non dipende dalle luci

– solo dall'oggetto

• E’ solo una componente additiva – costante per R, G e B

• Nota: non manda mica luce ad oggetti vicini– non e’ illuminazione globale– per fare cio’, devo settare una altra luce

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I 3 fattori che consideriamo

luce finale=

ambiente+

riflessione+

emissione

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 11/40

Componente ambiente

• Modella (grossolanamete)la luce che arriva attraverso rifelssioni multiple

• Assunzione: "un po di luce arriva da tutte le direzioni in ogni superficie"– anche quelle in ombra

• Piccola costante additiva– non dipende dalla normale della superficie

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Componente ambiente

• prodotto fra:– colore “ambient” del materiale ( RM GM BM)

– colore “ambient” della luce ( RL GL BL)

• Nota: possono essere colori RGB diversi– prodotto componente per componente

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Componente ambiente

• Modella (grossolanamete)la luce che arriva da tutte le direzioniattraverso rifelssioni multiple

senza

con

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I 3 fattori che consideriamo

luce finale=

ambiente+

riflessione+

emissione

riflessione diffusa

+

riflessione speculare

solo componenteambient

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I 4 fattori che consideriamo

luce finale=

ambiente+

riflessione diffusa +

riflessione speculare+

emissione

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 16/40

Componente riflessione diffusa

• Esibita nella realtà da (per es):– gesso – legno (quasi)– materiali molto opachi (non lucidi)

• Detta anche– diffuse reflection– Lambertian reflection

Johann Heinrich Lambert 1728 - 1777

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Componente riflessione diffusa

• La luce che colpisce una superficie lambertiana si riflette in tuttele direzioni (nella semisfera)– nello stesso modo

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 18/40

Componente riflessione diffusa

• La luce che colpisce una superficie lambertiana si riflette in tuttele direzioni (nella semisfera)– nello stesso modo

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 19/40

Componente riflessione diffusa

• La luce che colpisce una superficie lambertiana si riflette in tuttele direzioni (nella semisfera)– nello stesso modo

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 20/40

Componente riflessione diffusa

• Dipende solo da:– l'orientamento della superficie

• (la "normale")

– la direzione della luce• del raggio incidente

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 21/40

Componente riflessione diffusa

• Dipende solo da:– l'orientamento della superficie N

• (cioè la sua "normale")

– la direzione della luce L• (cioé del raggio incidente)

cos diffmaterialedifflucediff kII

R, G, B(di solito bianco: 1,1,1)

R, G, B(il "colore" dell'oggetto)

moltiplicazione componente per componente

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fa parte del"materiale"

(caratteristica dell'oggetto)

Componente riflessione diffusa

• Dipende solo da:– l'orientamento della superficie N

• (cioè la sua "normale")

– la direzione della luce L• (cioé del raggio incidente)

cos diffmaterialedifflucediff kII

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 23/40

Componente riflessione diffusa

• Dipende solo da:– l'orientamento della superficie N

• (cioè la sua "normale")

– la direzione della luce L• (cioé del raggio incidente)

cos diffmaterialedifflucediff kII

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 24/40

Componente riflessione diffusa

• Dipende solo da:– l'orientamento della superficie N

• (cioè la sua "normale")

– la direzione della luce L• (cioé del raggio incidente)

)L̂N̂( diffmaterialediffluce kI

cos diffmaterialedifflucediff kII

angolo compreso fra 0⁰ e 90⁰,senno fa 0,

(oggetto in ombra di se stesso)

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Componente riflessione diffusa

L

N

componente diffusapiccola⍬=70⁰

L

N

componente diffusagrande⍬=35⁰

L

N

componente diffusamassima⍬=0⁰

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Componente riflessione diffusa

L

N

componente diffusaZERO⍬=90⁰

L

N

componente diffusaZERO⍬>90⁰

(la superficieè nella propria stessa ombra)

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Componente riflessione diffusa

• Proprietà– modello fedele

delle caratteristiche ottichedi alcuni materiali reali

– ma di pochi materiali

– modello fisicamente coerente • per es, conserva l'energia

– molto semplice da calcolare

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 28/40

I 4 fattori che consideriamo

luce finale=

ambiente+

riflessione diffusa +

riflessione speculare+

emissione

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 29/40

Componente riflessione speculare

• "Specular" reflection

• Per materiali lucidi– con riflessi brillanti– ("highlights")

senza con

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Componente riflessione speculare

• Idea base:la luce non viene riflessa da materiali lucidiin maniera eguale in tutte le direzioni

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 31/40

Componente riflessione speculare

L: raggio incidenteN: normaleR: raggio riflessoV: dir. di vista

NL R

V

in 3D

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 32/40

Componente riflessione speculare

• Phong light model – by Bui-Tuong Phong, 1975

in 3Dcos specmaterialespeclucespec kII

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 33/40

Componente riflessione speculare

• Elevando il coseno ad una potenza,si ottengono riflessi piu' piccoli e brillanti

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 34/40

fanno parte del "materiale"(caratteristiche dell'oggetto)

Componente riflessione speculare

• Phong light model – by Bui-Tuong Phong, 1975

in 3D

nspecmaterialespeclucespec kII cos

cos specmaterialespeclucespec kII

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 35/40

Componente riflessione speculare

• Phong light model – by Bui-Tuong Phong, 1975

in 3D

nspecmaterialespecluce VRkI )ˆˆ(

cos specmaterialespeclucespec kII

nspecmaterialespeclucespec kII cos

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 36/40

Componente riflessione speculare

1n 5n 10n 100n

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 37/40

Componente riflessione speculare

• Blinn-Phong light model:• semplificazione del Phong light model• risultati simili, formula diversa:

nspecmaterialespeclucespec VRkII )ˆˆ( phong:

blinn-phong:n

specmaterialespeclucespec NHkII )ˆˆ(

NL R

V

H = L + V / |L+V|

"half-way" vector

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 38/40

Componente riflessione speculare

• Blinn-Phong light model:• semplificazione del Phong light model• risultati simili, formula diversa:

Jim Blinn

(MEGA-MEGA-GURU)

nspecmaterialespeclucespec VRkII )ˆˆ( phong:

blinn-phong:n

specmaterialespeclucespec NHkII )ˆˆ(

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 39/40

I 4 fattori che consideriamo

luce finale=

ambiente+

riflessione diffusa +

riflessione speculare+

emissione

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 40/40

Equazione di lighting in totale

nspacularmaterialespacularluce NHkI )(

)( NLkI diffusematerialediffuseluce

ambientmaterialeambientluce kI

emissionmaterialek

totI

propretà del materiale propretà della luce

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 41/40

Materiali...

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 42/40

Equazione di lighting:modellazione delle luci

nspacularmaterialespacularluce NHkI )ˆˆ(

)ˆˆ( NLkI diffusematerialediffuseluce

ambientmaterialeambientluce kI

emissionmaterialek

totI

propretà della luce

VL

VLˆˆ)ˆˆ(

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 43/40

Modellazione delle luci

• Come varia L?– costante nella scena: fonti di luci "direzionali"

• buono per fonti di luce molto distanti, e.g. il sole

– varia nella scena: fonti di luci "posizionali" • buono per fonti di luci vicine, e.g. lampadine

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 44/40

Modellazione delle luci: luci posizionali

• Nelle luci posizionali, si può attenuare l'intensità in funzione della distanza

• In teoria (per la fisica) intensità = 1 / distanza2

2L

1

dcf luceoneattentuazi

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 45/40

Modellazione delle luci: luci posizionali

• In pratica, questo porta ad attenuazioni della luce troppo repentine

• Invece usiamo:

1,1

min2L3L21 dcdcc

f luceoneattentuazi

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 46/40

Equazione di lighting

nspacularmaterialespacularluce HLkI )(

)( NLkI diffusematerialediffuseluce

ambientmaterialeambientluce kI

emissionmaterialek

totI luceoneattentuazif

1,1

min2L3L21 dcdcc

f luceoneattentuazi

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 47/40

Tipi di luci

• Tipi di luci:– posizionali– direzionali– spot-lights

• (faretti)

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 48/40

Spotlights

• Definite da tre parametri:

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 49/40

Equazione di lighting

nspacularmaterialespacularluce HLkI )(

)( NLkI diffusematerialediffuseluce

ambientmaterialeambientluce kI

emissionmaterialek

totIluceoneattentuazif

1,1

min2L3L21 dcdcc

f luceoneattentuazi

spotlighteffettof

widthbeamAnglecutoffdirectionspotlighteffetto spotspotspotLf ,,,f

M a r c o T a r i n i ‧ S i s t e m i M u l t i m e d i a l i I I ‧ 2 0 0 4 / 0 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 50/40

Prossimamente:

Fram

men

ti&

att

rib

uti

in

terp

ola

ti

Vert

ici

& loro

att

rib

uti

Screen buffer

Vert

ici

pori

ett

ati

& a

ttri

bu

ti

com

pu

tati

rasterizer

triangoli

com

puta

zioni

per

fram

mento

set-up

rasterizer

segmenti

set-up

rasterizer

punti

set-up

com

puta

zioni

per

vert

ice

lighting: DOVE?

x

y

z

v0v1

v2

v0v1

v2