Grafika komputerowa Dr in Micha Kruk Modele owietlenia

Grafika komputerowa Dr inż. Michał Kruk

Modele oświetlenia • Reakcja światła z materią: – Odbicie światła – Przenikanie światła • Zależne od właściwości materii • Zarówno dla odbicia jak i przenikania wyróżniamy: – Odbicie lustrzane (kierunkowe) – kąt padania jest równy kątowi odbicia – Odbicie rozproszone (dyfuzyjne) – odbicie może być widoczne pod dowolnym kątem

Odbicia światła • • • Odbicie lustrzane (kierunkowe, idealne) Odbicie kierunkowe rzeczywiste Odbicie powrotne Odbicie rozproszone Odbicie rzeczywiste

Sformułowanie problemu • Jaka będzie wartość piksela, jeżeli na scenie wystąpi źródło światła?

Zależności • Wartość piksela (kolor lub jasność) może zależeć od: – Geometrii układu – Charakterystyki źródła światła – Charakterystyki powierzchni obiektu – Charakterystyki rozchodzenia światła odbitego (tłumienia światła) – Charakterystyki rozchodzenia światła rozproszonego

Światło otoczenia - ambient • Położenie światła nie jest ważne • Położenie kamery nie jest ważne • Orientacja powierzchni (normalne) nie jest ważna • Obiekty oświetlone jedynie światłem otoczenia świecą wprost proporcjonalnie do natężenia tego światła, pozostając oświetlone jednolicie na całej powierzchni

Światło otoczenia - ambient

Grafika komputerowa Michał Kruk

Model Lamberta • Jeśli obiekt jest oświetlony przez punktowe źródło światła, którego promienie rozchodzą się równomiernie we wszystkich kierunkach z jednego punktu, to jasność powierzchni oświetlonego obiektu ulega zmianie w zależności od kierunku i odległości od światła • Model opisany przez Lamberta w 1760 roku • Inaczej zwany jako prawo Cosinusów Lamberta

Model Lamberta • Model ten opisuje zachowanie się światła odbitego dla powierzchni doskonale rozpraszających bez połysku np. kredy, nazywanych powierzchniami lambertowskimi. • Takie powierzchnie wydaja sie tak samo jasne ze wszystkich kierunków obserwacji

Model Lamberta • Kule wyrenderowane za pomoca modelu Lamberta. Od lewej do prawej: kd = 0. 2, 0. 4, 0. 6, 0. 8, 1. 0.

Model Lamberta

Model Lamberta - rozpraszanie

Model Lamberta - tłumienie

Model Lamberta – odległość od obserwatora

Oświetlanie powierzchni lustrzanych

Model oświetlenia Phonga • Rozwinięcie modelu Lamberta poprzez dodanie odbicia zwierciadlanego • Odbicie zwierciadlane można zaobserwować na każdej błyszczącej powierzchni • Błyszczące powierzchnie odbijają światło niejednakowo w różnych kierunkach. • Na idealnie błyszczącej powierzchni, np. zwierciadle, światło odbija sie tylko w kierunku zwierciadlanego odbicia

Model oświetlenia Phonga • Obserwator może widzieć światło odbite zwierciadlanie od lustra tylko wówczas, gdy kąt jest równy zero. • Wraz ze wzrostem chropowatości powierzchni kąt widoczności zwierciadlanego odbicia rozszerza się. • Tym samym, wraz ze wzrostem kąta intensywność odbicia zwierciadlanego ulega zmniejszeniu

Model oświetlenia Phonga • Model Phonga opiera sie na założeniach: – Maksimum odbicia zwierciadlanego występuje dla alfa równego zero i szybko spada ze wzrostem kąta alfa. – Ten szybki spadek jest aproksymowany przez cosn(alfa), przy czym wykładnik n charakteryzuje zachowanie sie odbicia zwierciadlanego dla danego materiału. – Wartości n zmieniają się od 1 do kilkuset, zależnie od symulowanego materiału. – Dla n = 1 występuje szeroki łagodny spadek, natomiast większe wartości symulują ostre, zogniskowane rozświetlenie

Model oświetlenia Phonga

Model oświetlenia Phonga

Model oświetlenia Phonga • Wnioski • Jeśli n jest w nieskończoności uzyskujemy idealne zwierciadło

Model oświetlenia przenikającego obiekt

Przeźroczystość interpolowana

Algorytm bezpośredni • 1. Dla każdego widocznego piksela obrazu obliczyć jego oświetlenie Zalety: - dokładność Wady: - złożoność

Cieniowanie • Wyznaczenie barwy związanej z modelem oświetlenia dla każdego punktu/piksela jest zadaniem kosztownym. • Można zatem rozpatrywać cieniowanie (interpolację) które pozwoli wypełnić barwą wielokąty w sposób uproszczony. Stosuje się trzy warianty takiego wypełnienia – trzy warianty cieniowania. – – Cieniowanie płaskie (cieniowanie stałą wartością), gdy cały wielokąt jest wypełniony taką samą barwą. – Cieniowanie Gouroud. – Cieniowanie Phonga.

Cieniowanie płaskie (ang. flat) • W najprostszym modelu, cieniowaniu płaskim, obliczane jest oświetlenie w jednym punkcie dla każdej ścianki. • Czy wynik jest poprawny jeśli obiekt jest rzeczywiście złożony ze ścianek ? (Dlaczego? ) 27

Grafika komputerowa Michał Kruk

Cieniowanie płaskie • Model oświetlenia jest używany tylko raz w celu obliczenia jednej wartości natężenia, która jest później używana do cieniowania całego wielokąta • Podejście dobre gdy: – Źródło światła jest w nieskończoności – N*L jest stałe na całej powierzchni wielokąta – Obserwator jest w nieskończoności – N*L jest stałe na całej powierzchni wielokąta – Wielokąt reprezentuje faktyczną powierzchnię modelowaną

Cieniowanie płaskie - algorytm

Cieniowanie z interpolacją • Lepszy efekt w porównaniu do cieniowania płaskiego • Na początku dla trójkątów, następnie uogólniona dla wielokątów • Eliminuje nieciągłości jasności (pasma Macha) • Cieniowanie Gourauda • Cieniowanie Phonga • Nie mylić z modelem oświetlenia !!!

Cieniowanie Gourauda • Założeniem podstawowym jest to, aby poszczególne elementy sceny opisane były jako siatki wieloboków • Na brzegach widoczne elementy wielokątów

Cieniowanie Gourauda - algorytm

Cieniowanie Gourauda - właściwości • Nie daje możliwości powstania lokalnego ekstremum (np. rozbłysku światła) w ramach jednego elementu płaskiego. • Powoduje to uśrednienie jasności na powierzchni obiektu – efekt kredy • Cieniowanie Gouraud dopuszcza powstawanie pasm Macha

Cieniowanie Phonga • Cieniowanie Phonga polega na analogicznej interpolacji, tylko że nie barwy ale wektora normalnego • Dwukrotnie większa złożoność obliczeniowa • Praktycznie dopuszcza pojawienia się pasm Macha • Umożliwia pokazanie rozbłysków światła

Grafika komputerowa Michał Kruk

Grafika komputerowa Michał Kruk