fcg resumo do capitulo8

8/2/2019 FCG resumo do Capitulo8

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Capitulo 8 - Iluminao

Se no aplicarmos iluminao, a imagem final, vai parecer plana, falhando ento naapresentao 3D que pretendemos, as gradaes de cor originadas pela iluminao que dos imagens bidimensionais o aspeto de serem 3d. importante adicionar aos modelos 3d ainterao entre a luz e as superfcies. Os modelos aplicados as fontes de luz e a interaoentre luz e matria, devem ser separados.Modelos de iluminao local: permitem calcular a gradao de cor a atribuir a cada ponto da

superfcie, independente de outros objetos ou superfcies na cena.Estes clculos dependem de: propriedades atribudas superfcie; geometria local dasuperfcie; localizao e propriedade das fontes de luzModelos de iluminao global: permitem calcular a gradao de cor a atribuir a cada ponto nasuperfcie, atendendo interferncia de outros objetos ou superfcies na cena.Iluminao:- Luz matria- Fontes de luz: representao da luz; luz ambiente; pontos de luz; holofotes; fontes de luzdistantes.- Modelos de reflexo de phong: reflexo ambiente; reflexo difusa; reflexo especular.- Clculo de vetores: vetores normais [N]; ngulo de reflexo [R]; uso do vetor a meia

distncia [V]; luz transmitida [L]- Sombreamento polinomial: sombreamento plano; sombreamento interpolativo ou deGouraud; sombreamento de phong; opes de sombreamento para a apresentao- rendering global: ray tracing; radiosidade.Luz e material: esta interao regulada por leis fsicas, como a conservao da energia, parareduzir equaes que descrevem como a luz reflectida pela superfcie. Uma superfcie poderefletir luz proveniente de outras superfcies que a iluminam, ou ser origem para a luzconstituda pela adio de pois processos (emisso e reflexo). Quando temos um objeto, acor que vemos determinada por mltiplas interaes entre fontes de luz e as superfciesrefletoras. Essa interao pode ser vista como um processo recursivo.Esta interao responsvel por efeitos de sombreamento subtil, como a penetrao de

cores entre superfcies adjacente, este processo recursivo pode ser descritomatematicamente por uma equao integral, a equao de apresentao (rendering)Existem aproximaes, como o traamento de raios e a radiosidade, que so adequadas paraequaes de apresentao para tipos particulares de superfcies. Mas estas duasaproximaes no so adequadas para fazer a apresentao a uma taxa alta, e por isso usa-seum modelo de reflexo de phong, que fornece um compromisso entre correo fsica eclculo eficiente.S precisam de ser considerados os raios que atingem o cop, depois de passarem pelo ngulode recorte.Quando a luz atinge uma superfcie, alguma absorvida, outra reflectida;Para uma superfcie opaca, toda a luz absorvida ou refletida;

Se a superfcie translcida, alguma luz transmitida atravs do material e ir interagir comoutros objetos;As interaes dependem dos comprimentos de onda;Um objeto vermelho iluminado por uma luz branca absorve a maioria da luz incidente, masreflete a luz com frequncias na zona de vermelho.Um objeto brilhante aparece assim, porque a superfcie lisa (smooth)Um objeto bao (dull) tem uma superfcie rugosaO efeito de iluminao dos objetos tambm depende da orientao das suas superfcies

Tipos de superfciesSuperfcies difusas: so caracterizadas por uma a luz refletida ser discreta em todas asdirees. Superfcies perfeitamente difusas dispersam a luz igualmente em todas as direes,

tendo o mesmo aspeto para todos os observadores.Superfcies especulares: parecem brilhantes porque a maioria da luz que refletida dispersanuma gama apertada dos ngulos prximos do ngulo de reflexo. Os espelhos sosuperfcies perfeitamente especulares. A luz pode ser parcialmente absorvida, mas toda a luzrefletida faz um mesmo ngulo, igual ao ngulo de incidncia.Superfcies translcidas: permitem alguma luz penetrar no objeto e emergir desse objeto


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noutro ponto. O processo chama-se refraco, que caracteriza matrias como a gua e ovidro.Fontes de luz: embora uma fonte de luz possa tambm emitir luz refletida que incidiuproveniente do ambiente circundante, este termo negligenciado em modelos simples. Podeser considerada como uma superfcie, em que cada ponto emite luz caracterizada peladireo de emisso e pela intensidade em cada frequncia.Do ponto de vista de uma superfcie iluminada por esta fonte, para se obter a contribuiototal da luz incidente, tem que:

- Integra-se a funo de iluminao sobre toda a superfcie da fonte;- Integrar-se a funo de iluminao sobre todos os comprimentos de onda;- Considerar-se ainda a distncia a que fica a fonte da superfcie.Para uma fonte de luz distribuda, o clculo deste integral muito difcil, mesmo usandomtodos numricos.- O uso do mtodo analtico seria quase impossvel;- mais fcil modelar a fonte de luz com polgonos, constituindo cada um uma fonte simples,ou com uma aproximao de um conjunto de pontos de luz.Representao da luz:A quantidade de luz e as suas propriedades direcionais variam com o comprimento de onda, oque tornaria o modelo muito complexo se a quisssemos representar como uma funo

continua.Como a teoria das trs cores concordante com o sistema visual humano, podemos modelaras fontes de luz como tendo trs componentes (R,G,B).Uma fonte de luz descrita por uma funo intensidade ou luminncia.Os clculos podem ser feitos para cada componente, e habitualmente utiliza-se uma equaoescalar nica, com o conhecimento de que pode representar qualquer das 3 componentes.Luz ambiente: obtida por:- Distribuio adequada das fontes de luz; escolha do tipo de luz; utilizao de difusores que adispersam em todas as direes.Uma simulao precisa de um sistema destes, com clculo em tempo real de todos osmodelos com integrao de toda a luz em cada ponto seria uma tarefa dantesca para um

sistema grfico.A utilizao de pontos de luz, forma imagens com muito contrasteAs fontes de luz no so assim to pontuais, por isso na realidade as gradaes de sombra somais suaves.Holofotes(spotlight): so caracterizados por uma gama estreita de ngulos de emisso.- A intensidade da luz dentro do cone no tem uma distribuio uniforme, estando maisconcentrada no centro do cone.- Em concluso, a intensidade de luz em cada ponto uma funo do ngulo entre a direodo holofote e a direo de um vector que aponta da luz para o ponto da superfcie iluminada.Fontes de luz distantes: se a fonte de luz distante, o ngulo incidente numa superfcie novaria muito de ponto para ponto. O clculo similar ao de projees paralelas, em que se

substitui um ponto por uma direo. Em coordenadas homogneas, um ponto de luz prximoser representado por um ponto e um ponto de luz distante representado por um vetor.As fontes de luz distantes permitem clculos mais rpidos que as fontes prxima, e as cenastero um aspecto um pouco diferente.Modelo de reflexo de phong;Embora se possa aproximar a modelizao das interaes luz-matria atravs de modelosfsicos, existe um modelo que permite uma computao mais eficiente.Este modelo tem mostrado ser uma boa aproximao realidade fsica para produzir boasapresentaes sob uma variedade de condies de iluminao e propriedades dos materiais.Este modelo usa 4 vetores (L-luz, N-normal superfcie, V-observador, R-ngulo de reflexo)para calcular a cor dum ponto P, arbitrrio, numa superfcie.

Suporta os seguintes 3 tipos de interao luz-matria: ambiente, difusa, especular.Cada fonte de luz ter trs componentes separadas (ambiente, difusa, especular) para cadauma das cores primrias e assim, pode- se calcular para cada ponto p uma matriz deiluminao.Reflexo ambiente: a intensidade de luz ambiente a mesma em cada ponto da superfcie,alguma luz absorvida e outra refletida, a quantidade de luz refletida depende somente das


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constantes de reflexo ambiente, h um termo global ambiente, h um tempo para cadafonte de luz que depende da sua distncia ao ponto da superfcie.Reflexo difusa: um refletor difuso perfeito dispersa a luz igualmente em todas as direesoriginando que as superfcies iluminadas dessa forma parecem iguais a todos osobservadores, podemos chamar a este tipo de superfcies, superfcies lambertinas. Asreflexes difusas so caractersticas de superfcies rugosas. N o entanto a quantidade de luzreflectida por uma superfcie depende do seu material (alguma luz absorvida) e da posioda fonte de luz relativamente superfcie.Reflexo especular: empregando somente reflexes ambiente e difusa as imagens serosombreadas com aspeto tridimensional, mas tero um aspeto bao (dull). Acrescentando areflexo especular os objetos passam a ficar com a possibilidade de ter brilho. A cor refletidapor uma superfcie especular, diferente das cores refletidas por uma superfcie iluminadapor uma luz ambiente e por uma luz difusa. Uma superfcie especular lisa, e quanto mais lisafor mais se assemelha a um espelho, sendo a luz refletida concentrada numa gama estreita dengulos prximos do ngulo de reflexo perfeito. A modelao realstica de reflexo especularpode ser complexa, porque o padro de disperso da luz no simtrico, dependente docomprimento de onda da luz incidente e muda com o ngulo de reflexo. O modelo de phongconsidera as superfcies como sendo rugosa para o termo difuso, e lisa para o termoespecular. Pode parecer estranho associar uma luz ambiente, componentes especular edifusas diferentes a cada fonte de luz, mas como no se pode resolver diretamente a equaode rendering, tem que se usar de algumas habilidades para tornar a cena mais real.Quando uma luz incide em objetos, alguma dessa luz dispersa em mltiplas reflexes, demodo que a luz dispersa em mltiplas reflexes, de modo que a luz ambiente e a luz difusavo depender da cor dos objetos na cena.Clculo de vetoresOs vetores de iluminao e reflexo desenvolvidos so to reais que podem ser aplicados aqualquer tipo de superfcies (curvas ou planas, distantes ou prximas, e vistas paralelas ouperspetivas).A maior parte dos clculos para fazer o rendering de uma cena, requerem a determinao devetores e de produtos internos.Podem ser feitas simplificaes para cada caso especial. A normal a uma superfcie plana igual para todos os pontos; para fontes de luz distantes, a sua direo paralela.Vetores normais [N]Para superfcies lisas, existe o vetor normal superfcie em cada ponto, que d a orientaoda superfcie em cada ponto, que d a orientao da superfcie.Dever ser dada ateno ordem dos vetores, pois trocando a ordem, o vetor resultado temsentido inverso, o que vai determinar as faces de fora e de dentro.Esse clculo depende da forma de representar as superfcies.ngulo de reflexo [R]Calculada a normal a um ponto, esta pode ser usada com a direo da luz incidente para obtera direo de reflexo perfeita.Num espelho plano, o ngulo de reflexo igual ao ngulo de incidncia.Em 2d, h um s ngulo de reflexo que satisfaz a condio, mas em 3d h um grandenmero. Por isso tem de ser acrescentada a restrio de que os vetores que representam aluz de incidente e a luz reflectida esto no mesmo plano.Uso do vetor a meia distancia [V]Com esta aproximao diminui-se substancialmente o peso de clculo e o erro introduzido limitado.A componente especular s influencia os pontos em que o vetor de visualizao est dentrode um determinado cone alinhado com o vetor de reflexo perfeita.Luz transmitida [L]Se a luz for transmitida atravs de uma superfcie, e se a velocidade da luz nesse material fordiferente da velocidade da luz no material de onde a luz est a sair, d-se o fenmenochamado de refraco, em que a luz muda de direo. Alguma luz transmitida, outrarefletida e o resto absorvido. Uma parte da luz transmitida dispersa de forma semelhante reflexo da luz especular, excepto que aqui a luz concentrada na direo do vetor t. Ummodelo de transmisso podia incluir um termo proporcional a t.v, para observadores do ladoda superfcie que recebe a luz transmitida. Pode-se simplificar os clculos usando a analogia


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de um ngulo a meia distncia, como na reflexo.Sombreamento poligonalOs modelos de fontes de luz e de iluminao desenvolvidos podem ser aplicados a todos ospontos de uma superfcie. No entanto, mesmo que tenhamos equaes simples paradeterminar os vetores normais, pode haver um grande volume de clculo. H toda avantagem em usar modelos poligonais dos objetos, pois podemos considerar uma normal porpolgono. No s o nmero de normais a calcular grandemente reduzido, como tambmexistem facilidades de muitos sistemas (incluindo o blender) em decompor superfcies curvas

em pequenos polgonos planos.Formas de sombreamento poligonal: sombreamento plano (ou constante); sombreamentointerpolativo ou de gouraud; sombreamento de phong.Sombreamento plano: sendo os trs vetores constantes, s precisam de ser calculados umavez para cada polgono, que ter atribudo a mesma cor a todos os seus pontos. Normalmenteser usada a normal associada com o primeiro vrtice de cada polgono para o clculo dosombreamento. Cada polgono vai ter um sombreado diferente, e mesmo que essa diferenaseja pequena, o nosso sistema visual nota muito essa diferena, devido a uma propriedadechamada inibio lateral. A soluo para este problema usar tcnicas que alisem asdiferenas de sombreado entre polgonos adjacentes.Sombreamento interpolativo ou de gouraud: este sombreado divide-se nas seguintes fases:

-Calcula-se a intensidade em cada vrtice do polgono;-A intensidade em cada ponto do polgono calculada por interpolao bilinear dasintensidades nos vrtices do polgono-No clculo da intensidade de cada vrtice intervm a normal, a qual por sua vez calculadapela mdia das normais aos polgonos que se encontram nesse vrtice.Para encontrar que faces se encontram nos vrtices, tem de ser feita alguma coisa, como porexemplo definir uma estrutura de dados onde possa ser includa essa informao, eeventualmente outra informao til, como propriedades dos materiais.Sombreado de phongCalcula-se as normais aos vrtices (mdia das normais aos polgonos limtrofes; calcula-se anormal em cada ponto do polgono fazendo a interpolao bilinear das normais nos vrtices

vizinhos.Essa normal em cada ponto da superfcie vai permitir o clculo da cor individual em cada umdesses pontos.Opes de sombreamento para apresentao:Existem opes de sombreamento onde se faz um compromisso entre o tempo deprocessamento e a quantidade do resultado. Dessas opes destacam-se as seguintes:Wideframe; sombreamento plano (flat shading) com polgonos; sombreamento de gouraud(gouraud shading); sombreamento de phong (phong shading); mistura de sombreamento dephong e de gouraud.A opo wireframe:No tem sombreamento. Pode ser usada para posicionar objetos numa cena, interagindo com

os parmetros de visualizao. tambm usada em sistemas de animao, onde os objetosso movidos integralmente uma opo de execuo rpida.Sombreamento plano com polgonos:S calculada uma normal por polgono. O mesmo sombreado usado para cada polgono domesmo plano e no usada interpolao. , tambm, uma opo de execuo rpida.Sombreamento de gouraud: a opo que produz uma variao da intensidade atravs da face dos polgonos. Como nopode tratar devidamente a parte especular, normalmente s calcula a reflexo difusa.Sombreamento de phong: a opo padro para sombreamento de qualidade, devido interpolao de vetores e aoclculo da equao de sombreamento em cada pixel. 4 a 5 vezes mais lento que sombreadode gouraud.Mistura de sombreado phong e de gouraud usada a opo gouraud para a parte difusa e a phong para a parte especular.Rendering globalH limitaes ao modelo de iluminao local que temos usado.Acontece que, quando a fonte de luz projeta sombra de uns objetos sobre outros, esse


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modelo no considera este fato, pois cada objeto tratado independentemente. A dispersode luz de objetos para outros quando estes so especulares, assim como a produo desombras, no so efectuadas.Para contemplar estes aspetos existem tcnicas mais sofisticadas, como o traamento deraios e a radiosidade. O ray tracing funciona bem com as superfcies altamente especulares,em cenas compostas por superfcies muito refletivas e translcidas, como bolas de cristal.A radiosidade mais apropriada para cenas com superfcies difusas, como interiores deedifcios.

Ray tracingEm muitos aspetos, ray tracing uma extenso aproximao do modelo de iluminao local.Dos raios que saem de uma fonte de luz, s contribuem para a imagem aqueles que entramna cmara e passam pelo centro de projeo. Os raios que saem de uma fonte de luz, scontribuem para a imagem aqueles que entram na cmara e passam pelo centro de projeo.Os raios podem entrar na lente diretamente a partir da fonte, depois de sofrerem mltiplasreflexes, depois de interagirem com uma superfcie visvel para a cmara, ou depois datransmisso atravs de uma ou mais superfcies.Tenta-se seguir os raios que nos sero teis, comeando do centro de projeo e usando s osque passam atravs da rea de recorte. necessrio projetar pelo menos um raio por cadapixel. Cada raio intersectar uma superfcie ou uma fonte, ou ir para o infinito. Os pixelscorrespondentes a este ltimo caso tero a cor de background. Os raios que intersetamsuperfcies (opacas) necessitam de um clculo de gradao de intensidade. Se todas assuperfcies forem opacas, e no se considerar a luz dispersada de superfcie para superfcie,tm-se uma imagem que apresenta sombras adicionadas ao que aconteceria sem ray tracing. como estar a fazer um clculo adicional de faces escondidas, para cada ponto de interseoentre um raio projetado e uma superfcie. O clculo do ray tracing feito recursivamente,seguindo os raios de superfcies, at atingirem uma fonte ou irem para infinito. O ray tracing especialmente adaptado a manipular superfcies que so refletoras e transmissoras. Usando oparadigma bsico, seguimos um raio projetado sobre uma superfcie com a propriedade de,quando um raio embate num ponto, a sua luz distribui-se sobre as formas de : absoro;reflexo difusa; reflexo especular; transmisso. Do ponto de vista do raio projetado, se umafonte de luz visvel no ponto de interseco, necessrio calcular a contribuio da fonte deluz nesse ponto usando o modelo padro de reflexo; projetar um raio na direo de reflexoperfeita e um raio na direo de transmisso.Pode ser gerada uma rvore de raios construda dinamicamente pelo processo de ray tracing.Pode ser usada uma funo recursiva para seguir um raio e chamar-se a si prpria para osraios refletido e transmitido. A maior parte dos clculos prendem-se com a interseo entreraios e superfcies.O aumento do nmero e tipo de objetos torna a soluo muito pesada sob o ponto de vistacomputacional. A luz dispersa (difusa) em cada ponto de intercepo ignorada em raytracing, pois seria impossvel seguir esses raios difusos.RadiosidadeA radiosidade a tcnica ideal para cenas que tm somente superfcies perfeitamentedifusas. Deve ser obtido um balano geral de energia que determine a cor para cadasuperfcie poligonal.Considerando que todas as superfcies so perfeitamente difusas, existe um mtodonumrico de clculo para obter uma soluo, chamado radiosidade.O mtodo consiste em dividir a cena em fragmentos (patches) que possam ser consideradasperfeitamente difusos e preenchidos com cor constante.Os clculos so efectuados em dois passos:- Determinar fatores de forma entre cada dois fragmentos, para descrever como a energialuminosa, para descrever como a energia luminosa que deixa um deles afeta o outro.- Calculados esses fatores de forma, pode ser calculada por meio de um sistema de equaeslineares, a reflectividade (constante) de cada um dos fragmentos (polgonos) de modo aefetuar um sombreado constante (lat shading). Depois destes clculos, a visualizao pode serfeita de qualquer posio do observador, uma vez que todas as superfcies so perfeitamentedifusas.

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