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Modelos de Iluminacao

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Marco Silva
Marco Silva

O documento discute os conceitos fundamentais de iluminação em computação gráfica, incluindo a interação da luz com objetos, modelos de iluminação local e global, e implementação em OpenGL. Aborda tópicos como emissão, reflexão, refração, modelos de iluminação, componentes do modelo de Phong e cálculo de normais e vetores.

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Introdução à Computação Gráfica Iluminação Adaptação: João Paulo Pereira António Costa Autoria: Claudio Esperança Paulo Roma Cavalcanti
Iluminação • Estudo de como a luz interage com os objectos de uma cena  Emissão  Transmissão  Absorção  Refracção  Reflexão 21-11-2007 2
Iluminação • Modelos físicos  Luz modelada como radiação electromagnética  Leva em conta todas as interacções (todos os caminhos da luz)  Intratável computacionalmente 21-11-2007 3
Modelos de Iluminação em CG • Tipicamente, luz é amostrada num número discreto de primárias (cor) • Modelos locais  Apenas caminhos do tipo fonte luminosa → superfície → olho são tratados  Simples  Ex.: OpenGL • Modelos globais  Muitos caminhos (ray tracing, radiosidade)  Complexos 21-11-2007 4
Iluminação em OpenGL • Assume fontes pontuais de luz  Omnidireccionais  Spot • Interacções de luz com superfície modeladas em componentes (modelo de Phong):  Emissão  Ambiente  Difusa  Especular 21-11-2007 5
Iluminação em OpenGL • Suporte de efeitos atmosféricos como  Fog  Atenuação • Modelo de iluminação é computado apenas nos vértices das superfícies  Cor dos restantes pixels é interpolada linearmente (sombreamento de Gouraud) 21-11-2007 6
Fontes de Luz • Para ligar uma fonte: glEnable (source);  source é uma constante cujo nome é GL_LIGHTi, começando com GL_LIGHT0  Quantas? Pelo menos 8, mas para ter certeza: • glGetIntegerv( GL_MAX_LIGHTS, &n ); • Não esquecer de ligar o cálculo de cores pelo modelo de iluminação  glEnable (GL_LIGHTING); 21-11-2007 7
Fontes de Luz • Para configurar as propriedades de cada fonte: glLightfv(source, property, value);  Property é uma constante designando: • Coeficientes de cor usados no modelo de iluminação – GL_AMBIENT, GL_DIFFUSE, GL_SPECULAR • Geometria da fonte – GL_POSITION, GL_SPOT_DIRECTION, GL_SPOT_CUTOFF, GL_SPOT_EXPONENT • Coeficientes de atenuação – GL_CONSTANT_ATTENUATION, GL_LINEAR_ATTENUATION, GL_QUADRATIC_ATTENUATION 21-11-2007 8
Propriedades de Material • Especificados por glMaterialfv (face, property, value)  Face designa quais os lados da superfície que se quer configurar: • GL_FRONT, GL_BACK, GL_FRONT_AND_BACK  Property designa a propriedade do modelo de iluminação: • GL_AMBIENT, GL_DIFFUSE, GL_SPECULAR, GL_EMISSION, GL_SHININESS 21-11-2007 9
Geometria • Além das propriedades da luz e do material, a geometria do objecto é também importante  A posição dos vértices em relação ao olho e à fonte luminosa contribui para o cálculo dos efeitos atmosféricos  A normal é fundamental • Não é calculada automaticamente • Precisa de ser especificada com glNormal () 21-11-2007 10
Cálculo do Vector Normal A • Triângulo  Dados três vértices,  n  normalizar(( A  B)  (C  A)) B C • Polígono planar  Uma opção é usar a fórmula do triângulo para quaisquer 3 vértices • Sujeito a erros (vectores pequenos ou quase colineares)  Outra opção é determinar a equação do plano • ax + by + cz + d = 0 • Normal tem coordenadas (a, b, c) 21-11-2007 11
Cálculo do Vector Normal • Polígono planar (cont.)  Coeficientes a, b, c da equação do plano são proporcionais às áreas do polígono projectado nos planos yz, zx e xy 1 y (xi+1, yi+1) AreaXYi  ( yi  yi 1 )( xi  xi 1 ) 2 c   AreaXYi (xi, yi) 21-11-2007 x 12
Cálculo do Vector Normal de Superfícies Implícitas • Normal é dada pelo vector gradiente f ( x, y , z )  0  f / x     n   f / y   f / z    f (x,y,z) = c1 f (x,y,z) = c2 f (x,y,z) = c3 21-11-2007 13
Cálculo do Vector Normal de Superfícies Paramétricas • Normal é dada pelo produto vectorial dos  gradientes em relação n f aos parâmetros u e v u f  f x (u , v)  v   P   f y (u , v)   f (u , v)   z   f x / u   f x / v   f f     n    f y / u    f y / v  u v   f z / u   f z / v     21-11-2007 14
Componentes do Modelo de Phong • Emissão: contribuição que não depende de fontes de luz (fluorescência) • Ambiente: contribuição que não depende da geometria • Difusa: contribuição correspondente ao espalhamento da reflexão lambertiana (independente da posição do observador) • Especular: contribuição referente ao comportamento de superfícies polidas 21-11-2007 15
Componentes do Modelo de Phong Difusa Especular Ambiente 21-11-2007 16
Iluminação Ambiente • Componente que modela como uma constante o efeito da reflexão de outros objectos do ambiente • Depende dos coeficientes GL_AMBIENT tanto das fontes luminosas quanto dos materiais • É ainda possível usar luminosidade ambiente não relacionada com fontes luminosas  glLightModelfv (GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, params) • Contribuição é dada por A  I AM A 21-11-2007 17
Iluminação Difusa • Iluminação recebida por uma superfície e que é reflectida uniformemente em todas as direcções • Característica de materiais baços ou foscos • Esse tipo de reflexão é também designada por reflexão lambertiana • A luminosidade aparente da superfície não depende do observador, mas apenas do cosseno do ângulo de incidência da luz 21-11-2007 18
Iluminação Difusa • Contribuição é dada por L N D  I D M D cos   I D M D ( ) LN N  L 21-11-2007 19
Iluminação Especular • Simula a reflexão à maneira de um espelho (objectos altamente polidos) • Depende da posição do observador, objecto e fonte de luz • Num espelho perfeito, a reflexão dá-se em ângulos iguais  Observador só veria a reflexão de uma fonte pontual se estivesse na direção certa • No modelo de Phong simulam-se reflectores imperfeitos, assumindo que luz é reflectida segundo um cone cujo eixo passa pelo observador 21-11-2007 20
Iluminação Especular • Contribuição é dada por S  I S M S cos n   I S M S ( R  E ) n N R    L E 21-11-2007 21
Coeficiente de Especularidade • Indica quão polida é a superfície  Espelho ideal tem coeficiente de especularidade infinito  Na prática, usam-se valores entre 5 e 100 21-11-2007 22
Cálculo do vector da luz reflectida R  Ln  Lp  ( N  L) N  ( L  Ln )  2( N  L) N  L N –Lp Lp R Ln L 21-11-2007 23
Componente Especular em OpenGL • Utiliza o ângulo entre a normal e o vector halfway S  I S M S cos n   I S M S ( H  N ) n H N  R L E EL H  normalizar    2   normalizar E  L  21-11-2007 24
Atenuação • Para fontes de luz posicionais (w = 1), é possível definir um factor de atenuação que leva em conta a distância d entre a fonte de luz e o objecto iluminado • Coeficientes são definidos pela função glLight () • Por omissão não há atenuação (c0=1, c1=c2=0) 1 aten  c0  c1d  c2 d 2 21-11-2007 25
Juntando tudo • A atenuação só é aplicada sobre as componentes difusa e especular • A fórmula que calcula a cor de um vértice devida a uma fonte luminosa i é dada por Ci  Ai  aten Di  Si  • No final, a cor é dada pela contribuição da iluminação ambiente (parcela não associada com fontes de luz) somada à luz emitida e às contribuições Ci C  Amb  E   Ai  aten Di  Si  21-11-2007 26

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  • 7. Fontes de Luz • Para ligar uma fonte: glEnable (source);  source é uma constante cujo nome é GL_LIGHTi, começando com GL_LIGHT0  Quantas? Pelo menos 8, mas para ter certeza: • glGetIntegerv( GL_MAX_LIGHTS, &n ); • Não esquecer de ligar o cálculo de cores pelo modelo de iluminação  glEnable (GL_LIGHTING); 21-11-2007 7
  • 8. Fontes de Luz • Para configurar as propriedades de cada fonte: glLightfv(source, property, value);  Property é uma constante designando: • Coeficientes de cor usados no modelo de iluminação – GL_AMBIENT, GL_DIFFUSE, GL_SPECULAR • Geometria da fonte – GL_POSITION, GL_SPOT_DIRECTION, GL_SPOT_CUTOFF, GL_SPOT_EXPONENT • Coeficientes de atenuação – GL_CONSTANT_ATTENUATION, GL_LINEAR_ATTENUATION, GL_QUADRATIC_ATTENUATION 21-11-2007 8
  • 9. Propriedades de Material • Especificados por glMaterialfv (face, property, value)  Face designa quais os lados da superfície que se quer configurar: • GL_FRONT, GL_BACK, GL_FRONT_AND_BACK  Property designa a propriedade do modelo de iluminação: • GL_AMBIENT, GL_DIFFUSE, GL_SPECULAR, GL_EMISSION, GL_SHININESS 21-11-2007 9
  • 10. Geometria • Além das propriedades da luz e do material, a geometria do objecto é também importante  A posição dos vértices em relação ao olho e à fonte luminosa contribui para o cálculo dos efeitos atmosféricos  A normal é fundamental • Não é calculada automaticamente • Precisa de ser especificada com glNormal () 21-11-2007 10
  • 11. Cálculo do Vector Normal A • Triângulo  Dados três vértices,  n  normalizar(( A  B)  (C  A)) B C • Polígono planar  Uma opção é usar a fórmula do triângulo para quaisquer 3 vértices • Sujeito a erros (vectores pequenos ou quase colineares)  Outra opção é determinar a equação do plano • ax + by + cz + d = 0 • Normal tem coordenadas (a, b, c) 21-11-2007 11
  • 12. Cálculo do Vector Normal • Polígono planar (cont.)  Coeficientes a, b, c da equação do plano são proporcionais às áreas do polígono projectado nos planos yz, zx e xy 1 y (xi+1, yi+1) AreaXYi  ( yi  yi 1 )( xi  xi 1 ) 2 c   AreaXYi (xi, yi) 21-11-2007 x 12
  • 13. Cálculo do Vector Normal de Superfícies Implícitas • Normal é dada pelo vector gradiente f ( x, y , z )  0  f / x     n   f / y   f / z    f (x,y,z) = c1 f (x,y,z) = c2 f (x,y,z) = c3 21-11-2007 13
  • 14. Cálculo do Vector Normal de Superfícies Paramétricas • Normal é dada pelo produto vectorial dos  gradientes em relação n f aos parâmetros u e v u f  f x (u , v)  v   P   f y (u , v)   f (u , v)   z   f x / u   f x / v   f f     n    f y / u    f y / v  u v   f z / u   f z / v     21-11-2007 14
  • 15. Componentes do Modelo de Phong • Emissão: contribuição que não depende de fontes de luz (fluorescência) • Ambiente: contribuição que não depende da geometria • Difusa: contribuição correspondente ao espalhamento da reflexão lambertiana (independente da posição do observador) • Especular: contribuição referente ao comportamento de superfícies polidas 21-11-2007 15
  • 16. Componentes do Modelo de Phong Difusa Especular Ambiente 21-11-2007 16
  • 17. Iluminação Ambiente • Componente que modela como uma constante o efeito da reflexão de outros objectos do ambiente • Depende dos coeficientes GL_AMBIENT tanto das fontes luminosas quanto dos materiais • É ainda possível usar luminosidade ambiente não relacionada com fontes luminosas  glLightModelfv (GL_LIGHT_MODEL_AMBIENT, params) • Contribuição é dada por A  I AM A 21-11-2007 17
  • 18. Iluminação Difusa • Iluminação recebida por uma superfície e que é reflectida uniformemente em todas as direcções • Característica de materiais baços ou foscos • Esse tipo de reflexão é também designada por reflexão lambertiana • A luminosidade aparente da superfície não depende do observador, mas apenas do cosseno do ângulo de incidência da luz 21-11-2007 18
  • 19. Iluminação Difusa • Contribuição é dada por L N D  I D M D cos   I D M D ( ) LN N  L 21-11-2007 19
  • 20. Iluminação Especular • Simula a reflexão à maneira de um espelho (objectos altamente polidos) • Depende da posição do observador, objecto e fonte de luz • Num espelho perfeito, a reflexão dá-se em ângulos iguais  Observador só veria a reflexão de uma fonte pontual se estivesse na direção certa • No modelo de Phong simulam-se reflectores imperfeitos, assumindo que luz é reflectida segundo um cone cujo eixo passa pelo observador 21-11-2007 20
  • 21. Iluminação Especular • Contribuição é dada por S  I S M S cos n   I S M S ( R  E ) n N R    L E 21-11-2007 21
  • 22. Coeficiente de Especularidade • Indica quão polida é a superfície  Espelho ideal tem coeficiente de especularidade infinito  Na prática, usam-se valores entre 5 e 100 21-11-2007 22
  • 23. Cálculo do vector da luz reflectida R  Ln  Lp  ( N  L) N  ( L  Ln )  2( N  L) N  L N –Lp Lp R Ln L 21-11-2007 23
  • 24. Componente Especular em OpenGL • Utiliza o ângulo entre a normal e o vector halfway S  I S M S cos n   I S M S ( H  N ) n H N  R L E EL H  normalizar    2   normalizar E  L  21-11-2007 24
  • 25. Atenuação • Para fontes de luz posicionais (w = 1), é possível definir um factor de atenuação que leva em conta a distância d entre a fonte de luz e o objecto iluminado • Coeficientes são definidos pela função glLight () • Por omissão não há atenuação (c0=1, c1=c2=0) 1 aten  c0  c1d  c2 d 2 21-11-2007 25
  • 26. Juntando tudo • A atenuação só é aplicada sobre as componentes difusa e especular • A fórmula que calcula a cor de um vértice devida a uma fonte luminosa i é dada por Ci  Ai  aten Di  Si  • No final, a cor é dada pela contribuição da iluminação ambiente (parcela não associada com fontes de luz) somada à luz emitida e às contribuições Ci C  Amb  E   Ai  aten Di  Si  21-11-2007 26