An Improved Illumination Model for Shaded Display

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An Improved Illumination Model for Shaded Display
Turner Whitted

• António Oliveira
• Paula Rego

Iluminação e FotoRealismo
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Estrutura da Apresentação

• Introdução
• Modelo de Iluminação
• Modelos Convencionais
• Modelo Melhorado
• Reflexão Especular
• Transmissão Refractiva
• Índices de Refracção
• Geração de Árvores de Raios
• Cálculo de Visibilidade
• Ray Tracing Recursivo
• Resultados
• Conclusões

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Introdução

• O cálculo eficiente (e correcto) da iluminação de
  uma cena é um problema fundamental da computação
  gráfica
• Um modelo de iluminação determina a luz que chega
  ao observador a partir de um ponto visível numa
  superfície
• O shading é o processo de realizar cálculos de
  iluminação e determinar a cor dos pixeis a partir
  desses cálculos
• O modelo de Shading determina quando é aplicado o
  modelo de Iluminação e que argumentos recebe
• Os cálculos de shading podem ser efectuados a
  escalas diferentes
• microscópica
• local
• global

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Modelo de Iluminação

• A luz recebida é função de
• direcção e intensidade da fonte de luz
• posição do observador
• orientação e propriedades da superfície

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Modelo de Iluminação

• As interacções luz - superfície são de natureza
  microscópica
• Contudo, os modelos são normalmente bastante
  limitados
• consideram apenas a interacção fonte de luz e
  orientação da superfície, ignorando o ambiente
  que a rodeia
• Os algoritmos de determinação de superfícies
  visíveis tradicionais não fornecem os dados
  globais necessários

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Modelos Convencionais

• Reflexão Difusa
• Os difusores ideais comportam-se de acordo com a
  Lei de Lambert (do coseno)
• a luz reflectida, por uma pequena superfície é
  determinada pelo co-seno do ângulo entre a normal
  à superfície e a direcção da luz

• As superfícies reflectem luz com igual
  intensidade em todas as direcções
• surgem igualmente brilhantes a partir de todos os
  pontos de vista
• I Ipkd (N.L)
• Ipkdcos ?

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Modelos Convencionais

• Reflexão Especular
• Modelo de Phong
• fontes de luz a distância infinita
• não considera a luz reflectida por outros
  objectos
• os objectos não funcionam como fontes de luz
• não afecta o realismo da reflexão difusa

fontes luz fontes luz I
Ia kd ? (N . Lj) ks ? (R . V)n
j1 j1
I intensidade reflectida Ia reflexão devida
à luz ambientekd coeficiente reflexão difusaN
normal à superfície (unitária) Lj vector na
direcção da fonte de luz iks coeficiente
reflexão especular n expoente de reflexão
especular do material
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Modelos Convencionais

• O Modelo de Phong afecta significativamente a
  qualidade das reflexões especulares
• Não é incluída a luz reflectida por outros
  objectos
• Formulação Alternativa (Blinn e Newell, 1976)
• esfera de raio infinito
• fontes de luz e observador a distância infinita

jls jls I
Ia kd ? (N . Lj) ks ? (N . Hj )n
j1 j1
H (LV)/2 normal na direcção a metade da
distância entre L e V
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Modelos Convencionais

• Sombras
• É um dos aspectos mais importantes no modelo de
  iluminação
• Um ponto numa superfície está em sombra se for
  visível ao observador, mas não à fonte de luz
• Transparência
• A transmissão da luz através de objectos
  transparentes tem sido simulada em algoritmos que
  desenham as superfícies segundo a ordem inversa
  de profundidade (Algoritmo Depth-Sort Newell
  et al., 1972)
• Produção de imagens interessantes, mas não simula
  a refracção
  

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Modelo Melhorado

• Introduzido por Turner Whitted (1980)

• onde
• S intensidade da luz incidente a partir de R
  (raio reflectido)
• ks coeficiente de reflexão especular do
  material
• ks coeficiente de transmissão
• T intensidade da luz na direcção P (raio
  refractado)

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Reflexão Especular
Intensidade da Luz
N V
V
N
R
Superfície reflectora
V V / VN R V 2N P kf (N V) -
N onde kf função do índice de
refracção kn
P
-N
(N V)
k
f
Refracção
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Reflexão Especular

• A reflexão especular de uma superfície rugosa
• Produzida por faces microscópicas
• Intensidade proporcional à distribuição das
  normais da superfície
• Simulando esta reflexão (baseado no trabalho de
  J.F. Blinn)
• Variações aleatórias na normal da superfície
• Simular faces microscópicas orientadas
  aleatoriamente
• Impraticável em termos computacionais
• Escolher a adição do termo de Phong

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Transmissão Refractiva

• Dados os índices de refracção dos 2 lados de uma
  superfície, pode-se calcular o ângulo para V e P
  usando a Lei de Snell

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Índices de Refracção

• Razão entre a velocidade da luz no vácuo e a
  velocidade da luz numa substância

Substância Índice
Vácuo 1,0
Ar 1,00029
Água 1,33
Vidro 1,52
Diamante 2,417
Safira 1,77
Sal 1,54
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Geração de Árvores de Raios

• A luz é reflectida a partir de várias superfícies
• O comportamento dos raios de luz podem ser
  modelados através de uma árvore
• O shader percorre a árvore, aplicando a equação
  em cada nodo para calcular a intensidade (esta é
  atenuada por uma função linear da distância entre
  os pontos de intersecção)

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Cálculo da Visibilidade

• Um algoritmo de Ray Tracing constitui uma boa
  aproximação
• Abordagem inicial traçar raios de luz desde as
  fontes de luz até ao observador forward Ray
  Tracing
• Whitted desenvolve um modelo aproximado
  considerando os raios de luz que chegam ao
  observador no sentido inverso backward Ray
  Tracing
• O cálculo não termina com o primeiro objecto
  intersectado pelo raio
• Considera também os raios reflectidos e
  refractados
• Objectos são visíveis através de reflexões em
  outros objectos

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Cálculo da Visibilidade

• Simplificações
• Considerar um volume envolvente para cada objecto
  na cena
• Se não for intersectado, o objecto pode ser
  eliminado
• Por questões de simplicidade de representação e
  facilidade de cálculo de intersecção, são usadas
  esferas

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Cálculo da Visibilidade

• O algoritmo faz anti-aliasing
• Aliasing é mais aparente em 3 casos
• Mudanças bruscas de intensidade
• Objectos pequenos localizados entre os pontos de
  amostragem
• Textura mapeada a uma superfície
• O Anti-aliasing é aplicado apenas nas regiões
  afectadas pelos 3 casos

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Ray Tracing Recursivo

• Para cada pixel da imagem
• Calcular raio que passa pelo pixel e observador
• Determinar objecto intersectado pelo raio
• Ponto de intersecção
• Normal
• Propriedade do material
• Propriedade de textura
• Calcular contribuição da iluminação ambiente
• Para cada fonte de luz determinar visibilidade
  (raios sombra)
• Se fonte visível, adicionar contribuição reflexão
  difusa
• Se não foi atingido limite de recursividade
• Adicionar contribuição da reflexão especular
• Adicionar contribuição da refracção

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(No Transcript)
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Ray Tracing Recursivo

• seleccionar o centro de projecção e a janela no
  plano de visualização
• for(cada scan line na imagem)
• for (cada pixel na scan line)
• determinar raio a partir do centro de projecção
  através do pixel
• pixelRT_trace(raio,1)

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Ray Tracing Recursivo

• RT_cor RT_trace(RT_ray raio, int depth)
• determinar a intersecção mais proxima do raio com
  um objecto
• if (objecto foi intersectado)
• calcular normal na intersecção
• return RT_shade(objecto de intersecção mais
  próxima, intersecção, normal, depth)
• else
• return BACKGROUND_VALUE

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Ray Tracing Recursivo Iluminação Directa

• Cor termo ambiente
• for (cada luz)
• SRaio raio para a luz a partir do ponto
• If (produto escalar da normal e direcção para a
  luz é positivo)
• Calcular quanta luz é bloqueada por superfícies
  opacas e transparentes, e usar termos difusos e
  especulares para escalar antes de os adicionar à
  cor

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Ray Tracing Recursivo Iluminação indirecta

• if (depthltmaxDepth)
• If (objecto é reflectivo)
• RRaioraio na direcção de reflexão a partir do
  ponto
• rCorRT_trace(rRaio, depth 1)
• escalar rCor pelo coeficiente especular e
  adicionar a cor
• if (objecto é transparente)
• tRaio raio na direcção de refracção a partir do
  ponto
• if (reflexão interna total não ocorre)
• tCorRT_trace(tRaio, depth1)
• escalar tCor pelo coeficiente de transmissão e
  adicionar a cor
• return cor

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Ray Tracing Recursivo

• Condições de terminação
• Se os raios reflectidos ou refractados não
  intersectam qualquer objecto
• Se a profundidade máxima definida foi atingida

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Resultados

• Algoritmo programado em C
• S.O. UNIX
• PDP-11/45 e VAX-11/780
• Resolução da imagem 480x640 pixeis
• 9 bits por pixel

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Fig.1
Fig.3
Fig.2
Fig.4
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Resultados

• Imagens
• Fig.1 3 objectos polidos com sombras e
  reflexões objecto-objecto (44 min.)
• Fig.2 refracção através de um objecto
  transparente (74 min.)
• Fig. 3 sem descrição (122 min.)
• Fig. 4 não referida
• Distribuição do tempo de processamento
• Inicialização 13
• Cálculo de intersecções 75
• Shading 12

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Resumo

• Produz efeitos realísticos nas imagens
• Não considera reflexões difusas a partir de
  fontes de luz distribuídas
• Não trata de forma correcta a reflexão especular
  a partir de superfícies menos polidas
• Há ainda muito espaço para melhoria