Aparência Visual - UNICAMP · Como aumentar o realismo? IA727 – 2s2014 Profa. Ting Como aumentar...

Aparência Visual

IA727 – Segundo Semestre de 2014

Profa. Ting

Aparência Fotorealista

IA727 – 2s2014Profa. Ting

Fontes LuminosasComposição Espectral

IR

IG

IB

RR

RG

RB

Fonte:Composição Espectral?Posição?Direção?Ângulo de abrangência?

Irradiância

I

sensor Radiância

Irradiância: quantidade de energia incidente sobre uma superfície por segundo, dentro de um ângulo sólido numa dada direção.


Iluminância


Fontes LuminosasFonte Direcional ou Distante

Direção paralela


Fontes LuminosasFonte Pontual

Direção radial


Fontes LuminosasFonte Spot (Warn)

θFeixe restrito num ângulo sólido


Fontes de Luz

Fonte de luz de área

Sombras suaves e duras

I

I

I


Material de Superfícies

Dielétricos

Condutores

Polidas Rugosas

Compostos (plástico)

http://www.cs.umbc.edu/~rheingan/435/pages/res/gen-11.Illum-single-page-0.html



Reflexão e Refração

“espalha”para outro lado

“espalha”para mesmo lado


ReflexãoComponentes: difusas e especulares

Uma abordagem simplista:Difusividade ↔ Composição do material Especularidade ↔ Rugosidade


Superfície em diferentes níveis de detalhe


Renderização dos Detalhes de uma Superfície

● Representação ● por dados geométricos

● por dados texturais

● Configuração dos parâmetros de iluminação


Sensores

http://electronics.howstuffworks.com/cameras-photography/tips/aperture.htm

radiância

http://electronics.howstuffworks.com/cameras-photography/tips/aperture.htm


Modelo Simplificado

Luz e sensor representados por pontos espaciais.


Reflexões Difusas

Intensidade luminosa refletida é diretamente proporcional ao coseno

do ângulo θ

φ=

φ=

Intensidade percebida pelo observador independe da sua

posição

Id = kd Id cos θ


Intensidade luminosa refletida é diretamente

proporcional à potência α do coseno do ângulo β

Is = ks Is (cosβ)α

(R)

Reflexões Especulares


Intensidade luminosa comum para todos os pontos do ambiente Ia = ka Ia

Multireflexões


Modelo de Iluminação Phong

Ip = kaIa + kd Id cosθ + ks Is (cosβ)α

N

L RV

βθ

cosθ = N.L /(|N||L|)cosβ = R.V /(|R||V|)

R = 2N(N.L) - L

Vetor Normal no cálculo da componente especular!!


Radiância



Modelo de Iluminação Blinn

Ip = kaIa + kd Id cosθ + ks Is (cosϕ)α’

Intensidade luminosa refletida é diretamente

proporcional à potência α’ do coseno do ângulo θ

Is = ks Is (cosϕ)α ’

ϕϕ

Vantagem: Quando a fonte luminosa e o observador forem distantes, H é constante.


Modelo de Iluminação Blinn


ambiente Modelo de PhongIp = kaIa + kd Id cosθ + ks Is (cosβ)α




ambiente

difusa

Modelo de PhongIp = kaIa + kd Id cosθ + ks Is (cosβ)α


ambiente

difusa

especular

Modelo de PhongIp = kaIa + kd Id cosθ + ks Is (cosβ)α


ka + kd + ks = 1


Absorção: Função de Decaimento

Função de decaimento: a+br+cr2


Tonalização (Shading)Calcular as propriedades

gráficas ou geométricas em algumas amostras e propagá-las

para o restante dos pontos

Cópia (Flat shading) Interpolação (Gouraud shading)


Phong ShadingInterpolação linear de vetores normais

Na(t) = t N1 + (1-t) N2

Nb(t) = t N1 + (1-t) N4

TonalizaçãoInterpolação Linear de Vetores Normais


GOURAUD SHADING

Tonalização


Uma Implementação com GLSL● Frequência no cômputo da equação de iluminação:

● Por primitiva: flat shadingvertex shader: determina a cor em cada vértice.

pixel shader: a cor do provoking vertex é atribuída ao pixel.

● Por vértice: Gouraud shading (Exemplo 7.6 do RedBook)vertex shader: determina a cor em cada vértice.

pixel shader: a cor interpolada é atribuída ao pixel.

● Por pixel: Phong shading (Exemplo 7.5 do RedBook) vertex shader: determina a normal em cada vértice.

pixel shader: vetor normal interpolado é atribuído ao pixel.

http://www.geeks3d.com/20130514/opengl-interpolation-qualifiers-glsl-tutorial/

http://www.geeks3d.com/20130514/opengl-interpolation-qualifiers-glsl-tutorial/


AmostragemEfeito de Borda Serrilhada

Por quê ocorrem estes efeitos?


Aliasing● espacial

● temporal


Amostragem

ImagemVetorial

ImagemDiscreta

ImagemPercebida

Amostragem Reconstrução/Filtragem


Filtro Retangular

https://mynameismjp.wordpress.com/2012/10/



Filtro Triangular




Filtro Sinc




Reamostragem● Magnificação (upsampling)

● Minificação (downsampling)


Transformada de Fourier 1D

Par de transformadas:

(Análise)

(Síntese)

f(x) e-j2πux dx

x

F(u)

F(u) ej2πux duf(x)

|F(u)|

u

Análise Fourier: revela a magnitude das

componentes periódicas

Síntese Fourier: constrói o sinal a partir das componentes


EA978 – 1s2009 - Ting

Aliasing

Amostragem 1D

Aliasing

Frequência de Nyquist: 2x frequência máxima


Reconstruçãodomínio espacial

domínio espectral

Filtro:Área unitária


http://pages.jh.edu/~signals/convolve/

Convolução

http://pages.jh.edu/~signals/convolve/

Amostragem e Reconstrução


Exibiçãodomínio espacial

domínio espectral


Duas AbordagensGeométrica: distribuição espacial das intensidades.

Espectral: distribuição espectral das intensidades.


Anti-aliasing de Linhas

Aumentar a taxa de amostragem– Ponderar o valor do pixel com o “fundo” – Linha fina com uma auréola

Reduzir a um problema de anti-aliasing de textura


Antialiasing baseado no espaço do dispositivo

superamostragem


Esquemas Variantes deSuperamostragem


Multiamostragem MSAA


Multisample Anti-Aliasing



Amostragem Estocástica




Filtragem


● Processo que altera a distribuição espectral (ω) de um sinal.



Antialiasing baseado em Filtragem

Função de Espalhamento Pontual


Refração




Uma Aproximação: Transparência

fator alfa

ou

Ordem dos objetos é importante: primeiro, os opacos; depois os menos transparentes para os mais transparentes.

Uso da função blending: GLSL● Efeito de transparência

● Composição de cenas


OpenGL

http://www.opengl-tutorial.org/intermediate-tutorials/tutorial-10-transparency/




Monitores

L = KVγ

pixel

L: luminância em cada pixelK: constante, ajustado pelo controle de contraste V: tensão de excitação dos feixes de elétronsγ: gamma, tipicamente entre [1.4,2.5]V = Vs

(1/γ): correção gamma


Influência de γ

γ = 1.8 γ = 1.0


Correção de γ


Função de transferência

http://www.eizo.com/global/library/basics/lcd_display_gamma/

http://www.eizo.com/global/library/basics/lcd_display_gamma/


Como aumentar o realismo?

Alternativa 1: modelos geométricos refinados


Alternativa 2: modelos geométricos + modelo de iluminação

http://www.amarhys.com/ressources/tutoriaux/tut01_gb.htm

Modelo de iluminação + Tonalização



IA727 – 2s2014Profa. Ting http://www.amarhys.com/ressources/tutoriaux/tut01_gb.htm

Modelo de iluminação +Tonalização

texturaTexturização

Alternativa 3: modelos geométricos simples texturização





Alternativa 3: modelos geométricos simples texturização

IA727 – 2s2014Profa. Ting http://www.tomshardware.com/reviews/matrox-parhelia,465-5.html

Como aumentar o realismo?Alternativa 4: modelos geométricos simples multitexturização

http://www.tomshardware.com/reviews/matrox-parhelia,465-5.html


Funções ou imagens que alteram os atributos de uma figura geométrica. Tal função ou imagem é chamada de mapa de textura.

Mapa de textura Espaço do Objeto Espaço da imagem

F(s,t) Projeção

pixel

texel

Pré-imagem de pixel

Mapas de Textura


Método Direto

Método Inverso

s

tst

x = x(s,t)y = y(s,t)

s = s(xs,ys)t = t(xs,ys)

Pré-imagem de pixel

Mapeamento


Fluxo de Texturização


A textura 2D é projetada ortogonalmente em uma dada direção.

Direção z: s=x t=y

Projeção Linear


Mapeamento de (u,v)∈[0,1]2 sobre a longitude e latitude de uma esfera.Para uma esfera de raio R com centro em (cx, cy, cz), a equação paramétrica dessa esfera é:

θ

φ

x = xc+Rcosφsinθ,y = yc+Rsenφsenθ,z = zc+Rcosθ.

θ = acos((z-zc)/R)φ = arctg((y-yc)/(x-xc))

s = (φ+π)/2πt = θ/π

[0, π]

[-π, π]

s

t

Projeção Esférica


x = xc+Rcos uy = hvz = zc+Rsen u

u = arctg((z-zc)/(x-xc))v = y

s = vt = u/π

v = [0,1]u = [-π,π]

Projeção Cilíndrica


Parametrização de Malha

http://www.mpi-inf.mpg.de/departments/d4/areas/meshproc/

http://www.mpi-inf.mpg.de/departments/d4/areas/meshproc/


Na direção da normal da superfície intermediária

Na direção da normal da superfície de interesse

A partir do centro do objeto de

interesse

Superfície intermediária

Superfície de interesse

Função Projetora


Um Exemplo


Repetição

Supressão/clamp

Função de Correspondência


Função de Correspondência● Wrap (DirectX), repeat (OpenGL) ou tile● Mirror● Clamp (DirectX) ou Clamp to edge (OpenGL)● Border (DirectX) ou Clamp to border (OpenGL)


Função de Transferência de Valores

http://http.developer.nvidia.com/GPUGems/gpugems_ch39.html

http://http.developer.nvidia.com/GPUGems/gpugems_ch39.html


Representação no domínio espacial

Texel = texture element

http://www.paulsprojects.net/tutorials/simplebump/simplebump.html

Espaço de Textura 2D

http://www.paulsprojects.net/tutorials/simplebump/simplebump.html


Minimizar(Superamostragem)

Magnificar(Subamostragem)

Texels Texels

Pixels Pixels

Ponto mais próximo

Soma Ponderada

Replicação do ponto mais próximo

Interpolação linear

Textura de Imagem


Magnificação

nearest neighbor interpolação bilinear interpolação bicúbica

Efeito de pixelização Efeito de borramento

Aumentar realismo? Textura de detalhes


Textura de Detalhes

http://twhl.info/tutorial.php?id=159

no controle de luminosidade

Efeito visual de uma textura de alta resolução

Textura de baixa resolução

Textura de detalhes

http://twhl.info/tutorial.php?id=159


Remapeamento

Interpolação por vizinho mais próximo

Interpolação bilinear Remapeamento

● Aumento da nitidez nas bordas.

textura de cutouttextura vetorial

textura de amostras do campo de distância


Minimificação

Vizinho mais próximo

Interpolação bilinear

Summed area table (SAT)

Limite de Nyquist: frequência de amostragem da textura não deve ser 2 vezes maior que a

frequência de amostragem da geometria (pixels).


MipmappingMIP (Multum In Parvo – muito em pouco espaço).Método de aceleração do cálculo da cor média para áreas de amostragem da textura (Williams, 1983).Várias versões da textura são criadas (mipmaps).

Cada texel de uma versão contém a cor média de 4 texels da versão anterior.


Na texturização, a área de cada pixel do objeto é mapeada no mapa de textura original.Cada mipmap é associado a uma medida de quantos texels da textura original estão na área do texel do mipmap. No exemplo abaixo, a razão desses texels é de 9:1.

Nível de Detalhes


Nível de Detalhes

Para calcular a cor final, encontramos os dois mapas de textura cujas razões de texels é a mais próxima da razão do pixel atual.A cor resultante é a média das cores dos pixels amostrados nos dois mapas.


Mapeamentos Anisotrópicos

Como reduzir aliasing?


Ripmap

Redução anisotrópica


SAT

– Superamostragem (Crow, 1981): Também calcula uma cor média. No exemplo abaixo, cada canto da área do pixel é mapeado na textura. A média dos valores obtidos produz a cor final do objeto.


Textura 3D


Environment mapping

Técnica simples e eficaz de simular reflexos produzidos por superfícies espelhadas. Requer o mapa de reflexão.

e

observador

e

Ambiente

latit

ude

longitude


Mapa de Reflexão Latitude-LongitudeExemplo

http://www.reindelsoftware.com/Documents/Mapping/Mapping.html

http://www.reindelsoftware.com/Documents/Mapping/Mapping.html


Mapa deTextura de Reflexão


Mapa de Reflexão Esférico


e

rn

Sphere Mapping


e

rn

x2=s−

12

y2=t−

12

r x=2√1− x2− y 2 x

r y=2 √1−x2− y2 y

Sphere Mapping


Mapa de textura Modelo texturizado

Sphere Mapping


Mapeamento de (u,v)∈[0,1]2 sobre cada lado de um cubóide. Em vez de usar um mapa de textura, utilizam-se seis mapas – um para cada lado do cubo.

Ex.: Para mapear os lados da frente e de trás, elimina-se a coordenada z do ponto do objeto. As coordenadas xy restantes são utilizadas como no mapeamento planar.

Mapeamento cúbico


Mapeamento Cúbico


Memória de Textura

● Alta demanda de memória ● Memória Cache

– LRU– MRU– Prefetching– Clipmap

● Compressão de textura

http://vterrain.org/LargeTextures/

http://vterrain.org/LargeTextures/


OpenGL

http://www.lighthouse3d.com/tutorials/glsl-core-tutorial/glsl-core-tutorial-texture-coordinates/

http://www.lighthouse3d.com/tutorials/glsl-core-tutorial/glsl-core-tutorial-texturing-with-images/

Dimensões usualmente em potência de 2





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