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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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aula 02 PEE 5789 2
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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aula 02 PEE 5789 3
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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aula 02 PEE 5789 4
Porque EstudarSíntese de Imagens?
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aula 02 PEE 5789 5
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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aula 02 PEE 5789 6
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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aula 02 PEE 5789 7
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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aula 02 PEE 5789 8
método de projeção
• projeção paralela • projeção perspectiva
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aula 02 PEE 5789 9
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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aula 02 PEE 5789 10
método de amostragem
• ray tracing
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aula 02 PEE 5789 11
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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aula 02 PEE 5789 12
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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aula 02 PEE 5789 13
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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aula 02 PEE 5789 14
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aula 02 PEE 5789 15
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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aula 02 PEE 5789 16
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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aula 02 PEE 5789 17
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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aula 02 PEE 5789 18
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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aula 02 PEE 5789 19
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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aula 02 PEE 5789 20
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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aula 02 PEE 5789 22
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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aula 02 PEE 5789 23
• 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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aula 02 PEE 5789 24
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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aula 02 PEE 5789 25
RenderMan
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aula 02 PEE 5789 26
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aula 02 PEE 5789 30
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