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Iluminação e FotoRealismo

Síntese de Imagens de Alta Fidelidade

Luís Paulo Peixoto dos Santos

Competências

GERAIS :• Caracterizar a iluminação global e descrever os vários estágios do processo de

síntese e visualização de imagens;

Iluminação e Fotorealismo 2007/082

ESPECÍFICAS :• Enunciar as diferenças entre modelos de síntese de imagem empíricos e

baseados nas leis da física;• Identificar potenciais aplicações para métodos de Iluminação Global de Alta

fidelidade;• Listar e descrever os vários estágios do processo de síntese e visualização de

imagens;


Síntese de imagens (rendering) é o processo de produção de uma imagem bidimensional a partir de uma descrição tridimensional de uma cena.


Síntese interactiva – sacrifica precisão (realismo) por tempo de resposta, recorrendo a abordagens top-down, onde o processo é guiado pelos resultados pretendidos;

Síntese baseada na física – as leis físicas que governam o transporte da luz e a sua interacção com a matéria determinam as regras da simulação;

Síntese expressiva (não fotorealista) – liberdade artística e grande poder de expressão

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Objectivo

“… desenvolver modelos de iluminação e transporte de luz baseados nas leis da física e processos de visualização perceptuais que produzam imagens sintéticas visual e/ou mensuravelmente indistinguíveis de imagens do mundo real…”.

[Greenberg97]

Estas imagens podem ser usadas de forma preditiva, em oposição com imagens que apenas pretendem ter um grande impacto visual.


Iluminação Global e Fotorealismo5

Iluminação Global de Alta Fidelidade

• Simulação baseada na física de todos os trajectos de luz – desde as fontes até ao observador - que contribuem de forma significativa para a iluminação de um ponto

• Implica considerar o impacto que a presença de outros objectos tem na iluminação de um ponto, por oposição a métodos de iliuminação local

• Iluminação directa

• com oclusões (sombras)

• Reflexão

• Transmissão

Modelos empíricos versus físicos


Y

X

Z

Modelosempíricos

Modelo do Mundo

Modelos empíricos versus físicos


Y

X

Z

Modelos baseados na Física

Modelo do Mundo



Top-down (empírico)

Bottom-up(baseado nas leis da física)

O resultado desejado guia a implementação

As leis da física que originam o fenómeno guiam a implementação

Métodos empíricos garantem um resultado perceptualmente aceitável

O fenómeno desejado é o resultado lógico, inevitável da simulação

Apesar da semelhança com a realidade os resultados não podem ser usados de forma preditiva, pois não têm relação com o mundo real

A imagem é a visualização dos dados gerados usando modelos baseados na física, podendo ser usados de forma preditiva

Precisão sacrificada por velocidade Velocidade sacrificada por precisão

Aplicações

• Simulação fisicamente correcta da iluminação e transporte de luz:

– Arquitectura e Herança Cultural

– Engenharia de Iluminação

– Publicidade e Marketing

– Simuladores

– Ciência e Medicina

– Cinema

– Visualização Científica

– Jogos


Aplicações: Arquitectura e Herança Cultural


Aplicações: Engenharia de Iluminação


Aplicações: Ciência e Medicina


Aplicações: Visualização Científica


Aplicações: Jogos


O processo de síntese de imagem


O processo de síntese de imagem: modelação

• Modelo geométrico

• Materiais: modelo de iluminação (shading model)– Descreve a forma como a luz incidente num objecto interage com o mesmo: proporções da

radiância absorvida, reflectida e/ou transmitida (função do comprimento de onda)

– No caso geral, L(Pi←i) no instante ti e comprimento de onda λi, pode ser reflectida, ou transmitida, no instante tr, ponto Pr, direcção r e comprimento de onda λr.Restrições comuns:

• tr =ti, impossibilita a modelação da fosforescência

• λr = λi, impossibilita a modelação da fluorescência

• Pr = Pi, impossibilita a modelação da dispersão da luz numa superfície

– Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF)


O processo de síntese de imagem: modelação


Ref

lexã

oT

rans

mis

são

N

Li Lrθi θr

Especular

N

Li

Ltθt

θi

Especular

N

Li

Difusa N

Liθi

Difusa

N

Li

Glossy N

Liθi

Translúcida

O processo de síntese de imagem: síntese

• A síntese da imagem (rendering) corresponde ao cálculo da distribuição da potência radiante na cena, i. e., à resolução da Equação de Transporte de Luz (rendering equation)

• A Equação de Transporte de Luz é um integral sem resolução analítica, pelo que os algoritmos de síntese de imagem são integradores numéricos que calculam soluções aproximadas

• Estes integradores calculam o transporte de luz na cena – os fenómenos de iluminação simulados dependem do subconjunto efectivamente amostrado do domínio de integração


O processo de síntese de imagem: visualização


Síntese HDR

display

imagem

10-5 cd/m2

108 cd/m2

100 cd/m2

102 cd/m2

Renderers baseados na física produzem imagens com alta gama dinâmica (HDR), cujas luminâncias cobrem tipicamente um intervalo de 14 ordens de magnitude:[10-5 .. 108] cd/m2

Os monitores convencionais cobrem tipicamente um intervalo de luminância de 2 ordens de magnitude:[100 .. 102] cd/m2

Visualização

Estes algoritmos mapeiam os tons do mapa HDR nos tons do monitor usando um operador designado por tone mapping



Sub-Exposição Sobre-Exposição



Os algoritmos de tone mapping tentam preservar contraste, visibilidade e brilho aparente, num balanceamento entre estes objectivos contraditórios.

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