PEE 5789

Conceitos Avançados deSíntese de Imagens

AULA 02Modelos Locais de Iluminação

http://www.lsi.usp.br/~lobonett/academic/pee-5789

Marcio Lobo NettoLSI - PEE - EPUSP

Universidade de São Paulo

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Objetivo desta aula

• Apresentar o modelo da camera 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 EstudarSíntese de Imagens?

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Conceito da simulação do processo físico de obtenção de imagens• analogia da camera 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– o processo de formação da imagem como registro da informação trazida pela

luz

• 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 camera 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 camera como foco, abertura, ...

(RenderMan)

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

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método de projeção

• artifício, iluminação simulada parcialmente(alguns aspectos)

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

• tipos: paralela / perspectiva• divisão por z (profundidade), se perspectiva• no espaço 3D: cálculo da iluminação

(modelos de iluminação)• no espaço 2D: sombreamento

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método de projeção

• projeção paralela • projeção perspectiva

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método de amostragem

• simulação física da propagação da luz ou de energia• observação da cena via luz ou transporte de energia• iluminação integrada no processo de simulação

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método de amostragem

• 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

• natureza ondulatória da luz– campo eletromagnético (H x E)– equações de Maxell

E = Eoe-j(kx+wt)

– propagação via frente de onda:» difração

– polarização– componentes espectrais

• natureza de partículas da luz– fluxo de luz

» partículas / seção / segundo

• dualidade partícula - onda– pacote de onda

E = Eoe-j(kx + wt)

H = Hoe-j(kx + wt)

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Estudo da luz (2)

• Emissão de luz– fontes de luz

• Interação da luz com o meio em que se propaga– atmosfera ou líquidos– scatering (ocorre na dimensão do comprimento da luz)

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Estudo da luz (3)

• Interação da luz com superfícies (matéria)– reflexão

» especular, difusa, combinada, gloss

especular difusa mista gloss BRDFBRDF: bi-directional reflection distribution function

– refração» mudança da velocidade da luz => lei de Fresnel» especular, difusa, combinada, gloss

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Estudo da luz (4)

• Interação luz - matéria– análise microscópica

» scatering

– análise macroscópica» modelo especular» modelo difuso» modelo combinado BRDF

fr(ωi ωr) = dLr(ωr) dLi (ωi) cosi dωi

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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

física radiometria radiometriaenergia radiante J energia luminosa talbot

fluxo potência radiante W potência luminosa lumens

densidade angular de fluxo radiance 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• o 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

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Modelos locais de iluminação

• o 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)

Gouraud

Phong

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Dependência do observador

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

– view dependent (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 independent (ray tracing)

– valor vetorial atribuído pela integral de toda a luz incidente naquelaparte 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 dos métodos baseados em modelos locais de iluminação• 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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RenderMan

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Bibliografia

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

• Radiosity & Global Energy Simulation– Francois Silion

• Radiosity and Realistic Image Synthesis–Michel Cohen

• Notas de aula

• Notas de cursos e papers do SIGGRAPH