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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
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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
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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
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Porque estudar síntese de imagens?
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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Método de projeçãoProgramas
• RenderMan
• OpenInventor / OpenGL
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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
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Método de amostragemTécnicas
• Ray Tracing
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Conceito Físico da Luz
• Modelo de onda eletromagnética– fenômenos previstos– fenômenos não previstos
• Modelo de partículas– fenômenos previstos– fenômenos não previstos
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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
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Estudo da luz (2)
• Natureza de partículas da luz– fluxo de luz
• partículas / seção / segundo
• Dualidade partícula - onda– pacote de onda
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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
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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
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Estudo da luz (5)
• Interação da luz com superfícies (matéria)– refração
• mudança da velocidade da luz => lei de Fresnel• especular, difusa, combinada, lustrada (gloss)
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• 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)
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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
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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
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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)
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• 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
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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
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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)
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Modelos de interação superfície – luz
Normal
Luz
Gouraud
Phong
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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
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Dependência do observador
• 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
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Dependência do observador
• 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
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• 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
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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
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ExemploRenderMan – Controle de Efeitos
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ExemploRenderMan – Controle de Efeitos
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ExemploRenderMan – Controle de Efeitos
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ExemploRenderMan – Toy Story
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ExemploRenderMan – Toy Story
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Bibliografia (1)
• Principles of Digital Image Syntesis (2 vols.)– Andrew Glassner
• Radiosity & Global Energy Simulation– Francois Silion
• Radiosity and Realistic Image Synthesis– Michel Cohen
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Bibliografia (2)
• Realistic Ray Tracing– Peter Shirley
• Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping– Henrik Wann Jensen
• Practical Parallel Rendering– Alan Chalmers
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• Notas de aula
• Notas de cursos e papers do SIGGRAPH
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Trabalho
• p/ próxima aula• Redigir um texto (~5 pag.) sobre
– RenderMan– OpenGL / OpenInventor
• Analisando– suas características– aplicações– limitações
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Comentários
• Incluir algo sobre visibilidade