Ra cunarska gra ka Osvetljenje i sen...
Transcript of Ra cunarska gra ka Osvetljenje i sen...
Racunarska grafikaOsvetljenje i sencenje
Vesna Marinkovic
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 1 / 26
Osvetljenje i sencenje Problemi osvetljenja i sencenja
Osvetljenje i sencenje
Problemi osvetljenja (illumination) i sencenja (shading) su znatnokomplikovaniji od problema vidljivosti
Osvetljenje – određuje se boja pojedinacne tacke sa date povrsisimuliranjem atributa svetlosti
Sencenje – primenjuje se model osvetljenja na skup tacaka i bojikompletna povrs
Model sencenja predstavlja siri koncept
Postoji veci broj modela osvetljenja i sencenja – neki od njih nisufizicki zasnovani, ali daju dobre rezultate
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 2 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Ambijentalno svetlo
Ambijentalno svetlo – postoji izvor svetla koji je difuzan, bezusmerenog izvora svetlosti
Svetlost se rasprostire jednako u svim smerovima i po svim objektima
I = Ia · ka
Ia je konstantni intenzitet ambijentalnog svetlaka je koeficijent ambijentalne refleksije objekta
Svakoj tacki sa jednog objekta pridruzen je isti intenzitet svetlosti
Svaka povrs na sceni je osvetljena do nekog stepena
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 3 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Tackasti izvor svetla
Tackasti izvor svetla – ravnomerno siri zrake u svim smerovima izjedne tackeDifuzna (lambertovska) refleksija – refleksija od hrapavih povrsinaPovrsine izgledaju jednako osvetljene iz svih uglova posmatranjaZa jednu povrsinu osvetljenost jedino zavisi od toga koliko direktnosvetlost pada na povrsinu (nezavisna je od pozicije posmatraca)I = Ipkd cos θ = Ipkd (L · N)Ip je intenzitet tackastog izvora svetlakd je koeficijent difuzne refleksije materijalaθ je ugao između pravca svetla L i pravca normala povrsi NLambertovo kosinusno pravilo
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 4 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Direkcioni izvor svetla
Direkcioni izvor svetla – izvor svetla je dovoljno udaljen od svihobjekata
Vektor L je konstantan za sve objekte
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 5 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Lambertovo kosinusno pravilo za razlicite vrednosti ugla θ
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 6 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Dodavanje ambijentalne komponente
Da objekti ne bi delovali kao da se nalaze u mracnoj prostoriji dodajese ambijentalna komponenta:I = Iaka + Ipkd (L · N)
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 7 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Slabljenje izvora svetla
Projekcije dve paralelne povrsine od istog materijala koje sepreklapaju nisu razlucive
Uzecemo u obzir faktor slabljenja izvora svetla fatt
I = Iaka + fatt Ipkd (L · N)
Objekti udaljeniji od izvora svetla bice prikazani kao tamniji
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 8 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Slabljenje izvora svetla (2)
Energija iz tackastog izvora svetlosti opada kao inverz kvadratarastojanjafatt = 1
d2L
, dL rastojanje objekta od izvora svetla
Objekti postaju jako brzo tamni, bolji izbor je:fatt = min{ 1
c1+c2dL+c3d2L, 1}
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 9 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Atmosfersko slabljenje svetla
Svetlo treba da slabi i sa udaljenoscu objekta od posmatraca – ovajefekat nazivamo atmosferskim slabljenjem svetla
Udaljeniji objekti se renderuju sa manjim intenzitetom od blizih
Prednjoj i zadnjoj ravni projektovanja pridruzuju se faktori skaliranjas1 i s2
Faktor so se određuje u zavisnosti od rastojanja objekta odposmatraca (u zavisnosti od z koordinate)
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 10 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Atmosfersko slabljenje svetla
Za zo = z1 vazi so = s1, a za zo = z2 vazi so = s2U opstem slucaju vazi
so = s2 +(zo − z2)(s1 − s2)
z1 − z2
Implementira se mesanjem objekata u boju pozadine sa povecanjemrastojanja od posmatraca
Za svako so određuje se prirodno I ′ između (izracunate) osvetljenostiI i osvetljenosti za udaljene objekte Idc I ′ = so I + (1− so)Idc
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 11 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Spekularna refleksija
Spekularna refleksija se javlja kod glatkih i sjajnih objekata, za razlikuod difuzne refleksije koja se javlja kod hrapavih objekata
Efekat joj je najveci u pravcu R koji je simetrican pravcu svetlosti L uodnosu na normalu povrsi N
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 12 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Fongov model osvetljenja
Ukupna osvetljenost je kombinacija ambijentalne, lambertovske ispekularne komponente (za sve izvore svetlosti)
I = Iamb + Idiff + Ispec = Iaka + fatt Ip(kd cos θ + ks coss δ)θ je ugao između vektora L i Nδ je ugao između vektora R i V (pravca gledanja)s je eksponent spekularne refleksije za dati materijalks je koeficijent spekularne refleksije
I = Iaka + fatt Ip(kd (L · N) + ks(R · V )s)
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 13 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Razlicite vrednosti eksponenta spekularne refleksije
Koeficijent spekularne refleksije ide od nekoliko stotina do 1
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 14 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Primer doprinosa osvetljenosti svake od komponenti
(a) Ambijentalna komponenta, (b) Difuzna komponenta, (c) Spekularnakomponenta (d) Suma sve tri komponente
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 15 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja
Blin-Fongov model osvetljenja
Varijanta Fongovog modela osvetljenja sa izmenjenom spekularnomkomponentomKoristi polovinu ugla između pravca posmatranja i pravca svetlaumesto ugla između pravca reflektovane svetlosti i pravca posmatranjaIspec = Ipks(N · H)s
H je vektor koji polovi ugao između vektora V i L
H = L+V|L+V |
Efikasniji od Fongovog modela u slucaju kada su posmatrac i izvorsvetla dovoljno daleko
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 16 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli sencenja
Ravansko (konstantno) sencenje
Ne isplati se primenjivati model osvetljenja na svaku pojedinacnutacku koja je vidljiva
Ravansko sencenje – vrednost intenziteta svetlosti izracunata za jednutacku koristi se za sencenje kompletnog poligona
Ovaj model je primenljiv ako je:
izvor svetla beskonacno daleka tacka (vrednost L · N je konstantna zasve tacke poligona)tacka posmatranja beskonacno daleka tacka (vrednost V · N jekonstantna za sve tacke poligona)poligoni odgovaraju stvarnom objektu
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 17 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli sencenja
Interpolirano (Guroovo) sencenje
Interpolirano (Guroovo) sencenje – za svaku tacku poligona vrednostintenziteta svetlosti dobija se linearnom interpolacijom vrednosti utemenima
Dobijena slika je realisticnija od one dobijene konstantnim sencenjem
Linearni prelaz vrednosti atributa u 3D prostoru se ne prevodi ulinearni prelaz na ekranu nakon projekcije
Moderni GPU koristi, umesto linearne interpolacije, perspektivnokorektnu interpolaciju
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 18 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli sencenja
Interpolirano (Guroovo) sencenje (2)
Guroovim sencenjem se mogu propustiti oblasti istaknute spekularnerefleksije jer se vrsi interpolacija vrednosti u temenima umestoracunanja intenziteta u svakoj od tacaka
Na i Nb imaju male spekularne komponente, dok Nc ima veliku kadase pravac gledanja poklapa sa odbojnim zrakom svetlosti
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 19 / 26
Osvetljenje i sencenje Modeli sencenja
Fongovo sencenje
Fongovo sencenje – za svaku tacku poligona interpolacijom se racunavektor normale i vrednost intenziteta svetlosti dobija se na osnovuFongovog modela osvetljenja
Daje veoma dobre rezultate za oble i glatke objekte; racunski jezahtevnija od prethodne dve metode
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 20 / 26
Osvetljenje i sencenje Algoritmi za senke
Senke
Senke cine slike realisticnijim
Za razliku od algoritama za vidljivost koji određuju koji se delovipovrsi mogu videti iz tacke posmatranja, algoritmi za senke određujukoji se delovi povrsi mogu videti iz izvora svetla
Oni delovi povrsi koji se ne vide iz izvora svetla su u senci
Vidljivost iz tackastog izvora svetla je, kao i vidljivost iz tackeposmatranja: sve ili nista
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 21 / 26
Osvetljenje i sencenje Transparentnost
Transparentnost
Neki objekti/materijali propustaju deo svetlosti
Obicno se ta svetlost prelama, ali mi cemo to zanemariti
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 22 / 26
Osvetljenje i sencenje Transparentnost
Modeli transparentnosti koji ne razmatraju prelamanje
Interpolirana transparentnost – neka je poligon P1 transparentan ineka se nalazi ispred neprozirnog poligona P2
Iλ = (1− kt1)I ′λ + kt1 I′′λ
I ′λ je intenzitet svetlosti za poligon P1, a I ′′λ za poligon P2
kt1 je koeficijent transmisije za poligon P1 (mera transparentnosti)
Filtrirana transparentnost – poligon se tretira kao filter koji selektivnopropusta razlicite talasne duzineIλ = I ′λ + kt1OtλI
′′λ
Otλ je boja transparencije poligona P1 (moze biti posebno zadavana zasvaku vrednost λ)
Ako se jos neki transparentni poligoni nalaze ispred ovih poligona,onda se izracunavanje rekurzivno poziva za poligone u redosledu odnajudaljenijeg ka najblizem
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 23 / 26
Osvetljenje i sencenje Međuobjektne refleksije i globalno osvetljenje
Međuobjektne refleksije
Međuobjektne refleksije se javljaju kada se na povrsini objektareflektuju druge povrsine u okruzenju
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 24 / 26
Osvetljenje i sencenje Međuobjektne refleksije i globalno osvetljenje
Globalno osvetljenje
Direktno osvetljenje – podrazumeva svetlost koja dolazi direktno izizvora svetla do tacke koja se senci
Indirektno osvetljenje – podrazumeva svetlost koja dolazi do tackenakon reflektovanja i transmisije kroz razne povrsi
Kombinovanjem ova dva osvetljenja, dobija se globalno osvetljenjekoje uzima u obzir interakciju svetlosti sa svih povrsi na sceni
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 25 / 26
Osvetljenje i sencenje Međuobjektne refleksije i globalno osvetljenje
Rekurzivni rej trejsing
Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 26 / 26