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Iluminação e FotoRealismo
Síntese de Imagens de Alta Fidelidade
Luís Paulo Peixoto dos Santos
Competências
GERAIS :• Caracterizar a iluminação global e descrever os vários estágios do processo de
síntese e visualização de imagens;
Iluminação e Fotorealismo 2007/082
ESPECÍFICAS :• Enunciar as diferenças entre modelos de síntese de imagem empíricos e
baseados nas leis da física;• Identificar potenciais aplicações para métodos de Iluminação Global de Alta
fidelidade;• Listar e descrever os vários estágios do processo de síntese e visualização de
imagens;
Síntese de Imagens de Alta Fidelidade
Síntese de imagens (rendering) é o processo de produção de uma imagem bidimensional a partir de uma descrição tridimensional de uma cena.
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Síntese interactiva – sacrifica precisão (realismo) por tempo de resposta, recorrendo a abordagens top-down, onde o processo é guiado pelos resultados pretendidos;
Síntese baseada na física – as leis físicas que governam o transporte da luz e a sua interacção com a matéria determinam as regras da simulação;
Síntese expressiva (não fotorealista) – liberdade artística e grande poder de expressão
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Síntese de Imagens de Alta Fidelidade
Objectivo
“… desenvolver modelos de iluminação e transporte de luz baseados nas leis da física e processos de visualização perceptuais que produzam imagens sintéticas visual e/ou mensuravelmente indistinguíveis de imagens do mundo real…”.
[Greenberg97]
Estas imagens podem ser usadas de forma preditiva, em oposição com imagens que apenas pretendem ter um grande impacto visual.
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Iluminação Global e Fotorealismo5
Iluminação Global de Alta Fidelidade
• Simulação baseada na física de todos os trajectos de luz – desde as fontes até ao observador - que contribuem de forma significativa para a iluminação de um ponto
• Implica considerar o impacto que a presença de outros objectos tem na iluminação de um ponto, por oposição a métodos de iliuminação local
• Iluminação directa
• com oclusões (sombras)
• Reflexão
• Transmissão
Modelos empíricos versus físicos
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Y
X
Z
Modelosempíricos
Modelo do Mundo
Modelos empíricos versus físicos
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Y
X
Z
Modelos baseados na Física
Modelo do Mundo
Síntese de Imagens de Alta Fidelidade
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Top-down (empírico)
Bottom-up(baseado nas leis da física)
O resultado desejado guia a implementação
As leis da física que originam o fenómeno guiam a implementação
Métodos empíricos garantem um resultado perceptualmente aceitável
O fenómeno desejado é o resultado lógico, inevitável da simulação
Apesar da semelhança com a realidade os resultados não podem ser usados de forma preditiva, pois não têm relação com o mundo real
A imagem é a visualização dos dados gerados usando modelos baseados na física, podendo ser usados de forma preditiva
Precisão sacrificada por velocidade Velocidade sacrificada por precisão
Aplicações
• Simulação fisicamente correcta da iluminação e transporte de luz:
– Arquitectura e Herança Cultural
– Engenharia de Iluminação
– Publicidade e Marketing
– Simuladores
– Ciência e Medicina
– Cinema
– Visualização Científica
– Jogos
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Aplicações: Arquitectura e Herança Cultural
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Aplicações: Engenharia de Iluminação
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Aplicações: Ciência e Medicina
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Aplicações: Visualização Científica
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Aplicações: Jogos
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O processo de síntese de imagem
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O processo de síntese de imagem: modelação
• Modelo geométrico
• Materiais: modelo de iluminação (shading model)– Descreve a forma como a luz incidente num objecto interage com o mesmo: proporções da
radiância absorvida, reflectida e/ou transmitida (função do comprimento de onda)
– No caso geral, L(Pi←i) no instante ti e comprimento de onda λi, pode ser reflectida, ou transmitida, no instante tr, ponto Pr, direcção r e comprimento de onda λr.Restrições comuns:
• tr =ti, impossibilita a modelação da fosforescência
• λr = λi, impossibilita a modelação da fluorescência
• Pr = Pi, impossibilita a modelação da dispersão da luz numa superfície
– Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF)
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O processo de síntese de imagem: modelação
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Ref
lexã
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rans
mis
são
N
Li Lrθi θr
Especular
N
Li
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θi
Especular
N
Li
Difusa N
Liθi
Difusa
N
Li
Glossy N
Liθi
Translúcida
O processo de síntese de imagem: síntese
• A síntese da imagem (rendering) corresponde ao cálculo da distribuição da potência radiante na cena, i. e., à resolução da Equação de Transporte de Luz (rendering equation)
• A Equação de Transporte de Luz é um integral sem resolução analítica, pelo que os algoritmos de síntese de imagem são integradores numéricos que calculam soluções aproximadas
• Estes integradores calculam o transporte de luz na cena – os fenómenos de iluminação simulados dependem do subconjunto efectivamente amostrado do domínio de integração
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O processo de síntese de imagem: visualização
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Síntese HDR
display
imagem
10-5 cd/m2
108 cd/m2
100 cd/m2
102 cd/m2
Renderers baseados na física produzem imagens com alta gama dinâmica (HDR), cujas luminâncias cobrem tipicamente um intervalo de 14 ordens de magnitude:[10-5 .. 108] cd/m2
Os monitores convencionais cobrem tipicamente um intervalo de luminância de 2 ordens de magnitude:[100 .. 102] cd/m2
Visualização
Estes algoritmos mapeiam os tons do mapa HDR nos tons do monitor usando um operador designado por tone mapping
O processo de síntese de imagem: visualização
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Sub-Exposição Sobre-Exposição
O processo de síntese de imagem: visualização
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Os algoritmos de tone mapping tentam preservar contraste, visibilidade e brilho aparente, num balanceamento entre estes objectivos contraditórios.