Uploaded by xihuebpzplyqngofej

07 GK modelowanie sceny prez

advertisement
Grafika komputerowa
modelowanie sceny
dr inż. Robert Miszczak
Modelowanie sceny
Grafika 3D
Obiekty obrazu są umieszczone w przestrzeni trójwymiarowej i celem
programu komputerowego jest przede wszystkim przedstawienie
trójwymiarowego świata na dwuwymiarowym obrazie.
Bryły
Powierzchnie 3D
Chmura punktów – niestrukturalny zbiór punktów
o współrzędnych (x,y,z) otrzymanych
z systemów akwizycji obiektów 3D
Modelowanie sceny
Grafika 3D
Teselacja
Chmura punktów
Modelowanie sceny
Grafika 3D
Pełny model trójwymiarowy zawiera informację o:
• Kształcie obiektu (zbiór werteksów)
• Wyglądzie obiektu (kolor, tekstury)
• Położeniu i rodzaju źródeł światła
• Położeniu obserwatora (kamery)
Modelowanie 3D – tworzony jest opis sceny 3D - kształtu i wyglądu obiektów,
położenia i charakterystyk źródeł światła, itp.
Renderowanie (rendering) – tworzenie dwuwymiarowego obrazu na
podstawie modelu 3D;
(proces przekształcania opisu świata, uzyskanego po modelowaniu, w pełnokolorowy obraz).
Widoczność sceny
A
B
Wpływ położenia i kierunku obserwacji na widoczne dla
obserwatora elementy sceny
Widoczność sceny
Widoczność sceny:
• Nie zawsze wszystkie obiekty znajdujące się w scenie są widoczne.
• Nie zawsze widoczne są całe obiekty, bowiem albo nie mieszczą się
w całości w polu widzenia obserwatora określonym przez kąt α albo
są zasłonięte częściowo przez inne obiekty.
Z punktu widzenia szybkości obliczeń nie jest wskazane wykonywanie
obliczeń związanych z obiektami, które w całości leżą poza polem
widzenia obserwatora.
Widoczność sceny
scena
Ostrosłup, w obrębie którego znajdują się obiekty sceny potencjalnie
widoczne na ekranie
Widoczność sceny
Bryła widzenia
Ekran
Płaszczyzna
przednia
Płaszczyzna
tylna
Widok z boku ostrosłupa ściętego tworzącego bryłę widzenia
Obserwując scenę, obserwator powinien zobaczyć na ekranie te elementy, które
znajdą się w prawidłowym ostrosłupie czworokątnym, którego wierzchołek znajduje
się w "oku" obserwatora, oś główna ostrosłupa jest prostopadła do płaszczyzny
ekranu a kąt rozwarcia ostrosłupa jest określony przez wielkość ekranu i jego
odległość od obserwatora.
Eliminowanie powierzchni niewidocznych
Które elementy bryły są widoczne?
Eliminowanie powierzchni niewidocznych
Algorytm określania widoczności ścianek na podstawie analizy
wektorów normalnych
T = W1 P0
NS1
Jeżeli
T
o
W1
S1
NS1 > 0
P0
to ściana jest widoczna z
punktu P0
P0 - obserwator
NS1 - wektor normalny ściany S1
Eliminowanie powierzchni niewidocznych
Algorytm malarski
Eliminowanie powierzchni niewidocznych
Algorytm malarski - problemy
zasłanianie cykliczne
przecinające się wielokąty
Eliminowanie powierzchni niewidocznych
Algorytm Z-bufora
Działanie algorytmu polega na szukaniu
największej wartości zp dla każdego punktu
obrazu.
Wykorzystywane są dwa obszary pamięci o
takim samym rozmiarze:
• pamięć obrazu – piksele-wartość barwy,
• bufor z – wartość z (głębokość) dla
każdego piksela.
Kolor piksela ustala się przez porównanie głębokości położenia obiektów.
Piksel otrzymuje kolor ściany, która znajduje się najbliżej niego wzdłuż prostej rzutowania.
Źródło: http://wazniak.mimuw.edu.pl
Eliminowanie powierzchni niewidocznych
Algorytm Z-bufora
Algorytm bufora głębokości:
• rozstrzyga widoczność dla dowolnych scen wielościennych,
• jest niewrażliwy na zasłanianie cykliczne ani przecinanie obiektów,
• nie wymaga żadnych dodatkowych struktur danych ani operacji wstępnych,
• prostota algorytmu sprzyja implementacji sprzętowej (większość dobrych kart
graficznych ma obecnie możliwość sprzętowej realizacji bufora głębokości),
• wada – potrzebuje pamięci o rozmiarze obrazu pozwalającej zapisać
odległość dla każdego piksela.
Sposób oświetlenia sceny czyli dobranie i rozmieszczenie w scenie źródeł światła.
punktowe źródło światła - promienie świetlne generowane
przez takie źródło rozchodzą się z jednego punktu równomiernie
we wszystkich kierunkach. Jeżeli źródło punktowe jest
dostatecznie daleko od obiektu, to często przyjmuje się, że
promienie świetlne docierają do obiektu jako promienie
biegnące równolegle do siebie i w związku z tym oświetlają
równomiernie powierzchnię obiektu.
Źródła o modelowanej charakterystyce rozchodzenia się
promieni: stożkowe, reflektorowe.
światło otoczenia – nie jest związane z żadnym konkretnym źródłem światła.
Uwzględnia fakt, iż w rzeczywistości obiekty są widoczne nawet przy braku konkretnych
źródeł światła, np. w ciągu dnia w pomieszczeniu, w którym nie ma żadnego źródła
światła natomiast jest okno, jesteśmy w stanie obserwować wszystkie znajdujące się w
pomieszczeniu obiekty.
Odbicie i przenikanie światła
Odbicie światła to zjawisko zmiany kierunku rozprzestrzeniania się promieni
świetlnych, zachodzące na granicy dwóch ośrodków, przy czym co najmniej
jeden z nich jest przezroczysty.
Sposób reakcji zależy od:
• właściwości materiału (metal, drewno, woda),
• właściwości powierzchni (obróbka, wykończenie).
Odbicie i przenikanie światła
Prawo odbicia - promień odbity pozostaje w tym samym ośrodku, w jakim
znajdował się promień padający, oba promienie (padający i odbity) leżą na jednej
płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni odbijającej, a kąty zawarte w tej
płaszczyźnie pomiędzy normalną do powierzchni a kierunkami obu promieni są
sobie równe.
Odbicie i przenikanie światła
Odbicie światła:
kierunkowe
kierunkowo-rozproszone
(idealne, teoretyczne)
(kierunkowe rzeczywiste)
powrotne
Rzeczywiste odbicie światła
jest wypadkową 4 składowych:
• kierunkowej idealnej,
rozproszone
rzeczywiste
• kierunkowej rzeczywistej,
• powrotnej,
• rozproszonej.
Odbicie i przenikanie światła
Układ wektorów i kątów związanych z odbiciem
wektor normalny do powierzchni w punkcie odbicia światła
N
L
V
wektory skierowane do obserwatora i źródła światła
R
wektor idealnego odbicia
H
dwusieczna między wektorami
Podstawowe wielkości fotometryczne
Strumień świetlny
jest odpowiednikiem mocy w zakresie wielkości energetycznych (określa całkowitą
moc światła emitowanego z danego źródła światła). Jednostka: lumen [lm]
Światłość I
jest ilorazem elementarnego strumienia świetlnego d , wysyłanego przez źródło
i kąta bryłowego (d ), w którym ten strumień został wyemitowany.
Jednostka: kandela [cd].
I=d
/d
d
d
Podstawowe wielkości fotometryczne
Luminancja L
jest miarą natężenia oświetlenia padającego w danym kierunku.
Opisuje ilość światła, które przechodzi lub jest emitowane przez określoną
powierzchnię i mieści się w zadanym kącie bryłowym.
Jest ilorazem światłości I oraz pola powierzchni dS’, będącej rzutem obszaru dS na
płaszczyznę prostopadłą do kierunku obserwacji. Jednostka: [cd/m2]
L = dI / dS’
Podstawowe wielkości fotometryczne
Natężenie oświetlenia E
jest ilorazem strumienia świetlnego d
oraz pola powierzchni dS oświetlonej
tym strumieniem. Jednostka: luks [lx]
E= d
/ dS
Graficzne przedstawienie jednostki
natężenia oświetlenia
Natężenie oświetlenia w zależności od źródła
Modelowanie oświetlenia
Modele empiryczne - opis matematyczny został eksperymentalnie dobrany do
oczekiwanych (lub zmierzonych) efektów, nie mają one żadnego uzasadnienia
teoretycznego, ale są dobrą aproksymacją rzeczywistych zjawisk. Charakteryzują
się dużą szybkością obliczeń.
Modele analityczne - wykorzystują prawa optyki i fizyki; dużą wagę przypisują
do zasady zachowania energii. Do wyznaczenia barwy obiektu niezbędne jest
wyznaczenie rozpływu energii świetlnej w scenie.
Modele hybrydowe – połączenie oszczędności obliczeniowej modeli
empirycznych oraz dokładności popartej podstawami fizycznymi.
Modelowanie oświetlenia
Modele empiryczne – np. model Lamberta; model Phonga; funkcja rozbłysku;
Modele analityczne - model mikrościanek; model Cooka-Torrance’a;
Modele hybrydowe - model Straussa; model Warda; model Schlicka; model
Ashikhmina-Shirleya.
Modelowanie oświetlenia
Model Lamberta
Lambertowski model oświetlenia opiera się na założeniu, że obiekty są
idealnie matowe, a zatem światło odbite od powierzchni rozchodzi się we
wszystkich kierunkach nad powierzchnia z taką samą intensywnością.
Dla danej powierzchni jasność zależy tylko od kąta
między kierunkiem do źródła światła i normalną do
powierzchni N.
Modelowanie oświetlenia
Model Lamberta
W modelu Lamberta nie ma możliwości otrzymania na obrazie odblasków, które
można zaobserwować na powierzchniach błyszczących.
Kule wyrenderowane za pomocą modelu Lamberta.
Od lewej, dla współczynnika odbicia rozproszonego dla danej powierzchni wynoszącego:
0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0.
Modelowanie oświetlenia
Model Phonga
Rozwinięciem idei modelu Lamberta jest dodanie w równaniu
oświetlenia wielkości opisującej odbicie zwierciadlane.
Model Phonga przyjmuje, że powierzchnia obiektu jest pokryta bardzo cienką
przezroczystą warstwą, na której zachodzi odbicie zwierciadlane, tzn. światło nie
zmienia swojej barwy, natomiast na powierzchni znajdującej się pod tą warstwą
następuje odbicie rozproszone, które zabarwia światło na kolor przypisany do obiektu.
W świecie rzeczywistym takimi właściwościami cechują się np. błyszczące plastiki czy
powierzchnie pomalowane bezbarwnym lakierem.
Modelowanie oświetlenia
Model Phonga
Błyszczące powierzchnie odbijają światło niejednakowo w różnych kierunkach.
Na idealnie błyszczącej powierzchni, np. zwierciadle, światło odbija się tylko w
kierunku zwierciadlanego odbicia.
Wraz ze wzrostem chropowatości powierzchni kąt widoczności zwierciadlanego
odbicia rozszerza się. Tym samym, wraz ze wzrostem kąta pomiędzy promieniem
odbitym a kierunkiem do obserwatora, intensywność odbicia zwierciadlanego
ulega zmniejszeniu.
Modelowanie oświetlenia
Model Phonga
Model Phonga opiera się na dwóch założeniach:
• maksimum odbicia zwierciadlanego występuje dla α równego zero;
• jasność odbicia szybko spada ze wzrostem kąta α ;
ten szybki spadek jest aproksymowany przez funkcję cosn (α),
(wykładnik n charakteryzuje zachowanie się odbicia
zwierciadlanego dla danego materiału)
Modelowanie oświetlenia
Model Phonga
Funkcja
f (α) = cosn (α)
opisuje odbicie zwierciadlane (n charakteryzuje dany materiał)
Idealne odbicie kierunkowe to takie, w którym odbicie występuje tylko dla zerowego kąta
Im większa wartość n tym bardziej powierzchnia zbliża się do powierzchni lustrzanej.
W praktyce już dla n rzędu kilkuset mamy do czynienia z dobrym lustrem.
.
Modelowanie oświetlenia
Model Phonga
I
– wynikowa intensywność światła
Ia – intensywność światła w otoczeniu obiektu
Ip – intensywność światła punktowego
ka – współczynnik odbicia światła otoczenia (tła)
ks – współczynnik odbicia światła kierunkowego
kd – współczynnik odbicia światła rozproszonego
fatt – współczynnik tłumienia światła wraz z odległością
n
– współczynnik gładkości powierzchni
Pierwszy składnik wzoru opisuje światło otoczenia (zakłada się, że jest ono
rozproszone i bezkierunkowe).
Drugi składnik opisuje odbicie rozproszone (lambertowskie).
Trzeci składnik opisuje odbicie kierunkowe (zwierciadlane).
Modelowanie oświetlenia
Model Phonga
współczynnik odbicia rozproszonego powierzchni: kd = 0,4
współczynnik odbicia zwierciadlanego ks = 0,2; 0,4; 0,6
współczynnik gładkości powierzchni: n = 3; 5; 10; 50; 100
Modelowanie oświetlenia
Model Phonga
Porównanie odbicia światła Lamberta i Phonga
Najczęściej obiekty narysowane za pomocą tego modelu mają wygląd nieco
,,plastikowy”. Jest to spowodowane przez dość dobre przybliżenie skutków odbicia
światła od przedmiotów wykonanych z plastiku.
Modelowanie oświetlenia
Model Phonga
Model Phonga jest czysto empiryczny, tj. nie ma on podstaw fizycznych,
dobierając jednak odpowiednio jego parametry, można osiągnąć
dosyć dobre przybliżenie wyglądu różnych materiałów na obrazie.
Współczynnik tłumienia źródła światła.
Strumień światła pochodzący z punktowego źródła światła maleje z
kwadratem odległości jaką przebywa. Zastosowanie tej reguły w modelu
odbicia Phonga nie daje w praktyce dobrych rezultatów.
Dla dużych odległości od źródła zmiany są zbyt mało zauważalne, z kolei
dla małych odległości zmiany występują zbyt szybko.
Modelowanie oświetlenia
Model Binna-Phonga
Alternatywny model oświetlenia do modelu Phonga
Istotny nie ze względu na lepszą symulację odbicia światła od powierzchni
(używa tej samej empirycznej funkcji), ale unika obliczania wektora odbicia
zwierciadlanego, dzięki czemu jest on szybszy. Obliczenie wektora odbicia jest
dość czasochłonne, jeżeli trzeba to robić dla każdego punktu powierzchni.
Blinn zaproponował użycie wektora połówkowego, czyli wektora, który
znajduje się pośrodku pomiędzy kierunkiem padania światła a kierunkiem
odbicia (obserwatora).
Modelowanie cieniowania
Cieniowanie (realizowane w fazie renderingu) – polega na odpowiednim
pocieniowaniu wszystkich wyświetlanych powierzchni, co faktycznie oznacza
obliczenie barwy każdego piksela wyświetlanej powierzchni.
Bierze się przy tym pod uwagę atrybuty wyświetlanej powierzchni (barwa
oryginału, materiał powierzchni itp.) oraz sposób oświetlenia.
Podstawowe metody cieniowania powierzchni:
• cieniowanie płaskie,
• cieniowanie Gourauda,
• cieniowanie Phonga.
Modelowanie cieniowania
Cieniowanie płaskie to najprostsza metoda cieniowania polegająca na
obliczeniu barwy jednego piksela i nadaniu tej samej wartości wszystkim
pikselom, które należą do obrazu np. danego wielokąta.
Wadą cieniowania jest to, że każda ściana modelu ma jednolitą barwę, co sprawia
wrażenie występowania kantów i płaskich powierzchni; jest to tym bardziej
zauważalne, im mniej złożony jest model.
Modelowanie cieniowania
Cieniowanie Gourauda polega na interpolowaniu wartości koloru
oraz wartości natężenia światła między kolejnymi wierzchołkami
trójkąta, w jego wnętrzu.
W odróżnieniu cieniowania płaskiego, cieniowanie Gourauda zapewnia płynną
zmianę stopnia jasności całego obiektu.
Trójkąt utworzony w wyniku
interpolacji wierzchołków o jasności
80%, 53% i 0%
wynik interpolacji miedzy
kolorami: czerwonym, zielonym
i niebieskim
Modelowanie cieniowania
Wada:
głównym powodem powstawania błędów jest metoda wyznaczania natężenia
światła, tylko w wierzchołkach rysowanych trójkątów.
Efekt ten szczególnie wyraźny jest w przypadku rysowania dużych powierzchni
utworzonych z małej ilości trójkątów.
a) cieniowanie płaskie
b) cieniowanie Gourauda
Modelowanie cieniowania
Cieniowanie Phonga polega na analogicznej interpolacji jak cieniowanie Gourauda,
tylko że nie barwy ale wektora normalnego.
• W pierwszym etapie wyznaczany jest wektor normalny w wierzchołku w ten
sam sposób jak w cieniowaniu Gouraud.
• W drugim etapie wyznaczany jest interpolowany wektor normalny dla
każdego piksela (tzn. dla punktu powierzchni odpowiadającego pikselowi).
• Następnie wyznaczana jest barwa piksela,
na podstawie interpolowanego wektora normalnego
korzystając z wybranego modelu odbicia światła.
Modelowanie cieniowania
Jeżeli rozświetlenie nie trafia na wierzchołek to cieniowanie Gourauda
może je pominąć, ponieważ żaden punkt wewnętrzny nie może być
jaśniejszy od wierzchołka.
Przy cieniowaniu Phonga jest możliwe usytuowanie rozświetlenia
wewnątrz wielokąta.
Cieniowanie płaskie
Cieniowanie Gourauda
Cieniowanie Phonga
Modelowanie oświetlenia globalnego
Każdy z przedstawionych algorytmów realizuje pewien etap obliczeń
realizowanych w fazie renderingu. Metody te umożliwiają wyświetlanie scen
lepiej lub gorzej odzwierciedlających rzeczywistość, ale za to stosunkowo szybko.
Metody, których celem jest generowanie obrazów o dużym stopniu realizmu
umożliwiają generowanie obrazów o bardzo dobrej jakości, jednak kosztem
dużej złożoności obliczeniowej.
Modelowanie oświetlenia globalnego
Oświetlenie lokalne pochodzi bezpośrednio od źródeł światła do
cieniowanego punktu.
Oświetlenie globalne każdy obiekt na scenie oświetlany jest zarówno
przez światło emitowane bezpośrednio ze źródła światła, jak również
przez światło odbite i przepuszczone od innych obiektów.
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Ray tracing jest techniką renderowania będącą obecnie podstawą wielu
algorytmów fotorealistycznych. Po raz pierwszy wykorzystana w 1980
przez Turnera Whitted’a.
Metoda śledzenia promieni polega na analizie przebiegu promieni między
obserwatorem a źródłem światła.
Dzięki ray tracingowi można uzyskać szereg efektów oświetlenia (dokładne
cienie i odbicia, przenikania przez powierzchnie przeźroczyste).
Metoda ta umożliwia znaczący wzrost jakości wizualnej za cenę poważnego
zwielokrotnienia obliczeń
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Możliwe są dwa podejścia:
• Wyznaczanie promieni wychodzących ze źródła światła,
• Wyznaczanie promieni docierających do obserwatora.
Nieefektywna obliczeniowo
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Wyznaczanie pojedynczego promienia wymaga określenia czy ten promień
przecina się z którymkolwiek z obiektów.
Śledzenie pojedynczego promienia jest skomplikowanym zadaniem a wykonanie
obrazu wymaga prześledzenia ogromnej ilości promieni.
Algorytm śledzenia rozpoczyna działanie „wypuszczając” promienie z kamery w
kierunku sceny, każdy promień odpowiada jednemu pikselowi obrazu.
Kolejność generowania pikseli obrazu nie ma większego znaczenia. Dla każdego
piksela obrazu wyznaczany jest promień podstawowy (primary ray).
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Źródłem promienia jest pozycja kamery.
Kierunek wyznaczany jest wg. zasady
• wyznaczenie wektorów kierunków dla 4 rogów obrazu,
• aproksymacja kierunku promienia na podstawie położenia piksela.
Promień podstawowy jest następnie testowany czy przecina
obiekty sceny. Jeżeli promień nie przecina - to piksel
przyjmuje kolor „tła”.
W innym przypadku zostaje wyznaczony pierwszy z
obiektów, w który trafił promień. W miejscu przecięcia należy
wyznaczyć: pozycję, kolor, normalną, współrzędne tekstury i in.
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
O barwie danego piksela decyduje światło docierające do tego piksela z kierunku
łączącego środek piksela ze środkiem rzutowania.
Analizie podlegają promienie wychodzące od obserwatora zamiast
od źródeł światła.
Obserwator
(środek rzutowania)
Ekran
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Mając pozycję przecięcia można w tym miejscu obiektu wyznaczyć oświetlenie
według dowolnego modelu (np. Phong), efektem będzie uzyskanie koloru, jaki
przyjmie piksel obrazu.
Zakończenie algorytmu na tym etapie skutkowałoby obrazem nie lepszym
(a czasem gorszym) niż uzyskanym tradycyjnymi metodami.
Algorytm śledzenia promieni przewiduje kontynuację poprzez wyznaczenie
nowych promieni (wtórnych) z punktu przecięcia promienia podstawowego.
Istnieje kilka typów promieni generowanych z miejsca przecięcia.
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Shadow rays - odpowiadają za określenie, czy miejsce przecięcia jest
oświetlone konkretnym światłem
W obliczeniu oświetlenia nie jest brane pod uwagę źródło 5 a źródła 1 i 4 są
przesłonięte, więc nie są wskazywane w dalszych obliczeniach.
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Reflection rays - promień podstawowy trafia w powierzchnię
lustrzaną, tworzony jest promień odbicia.
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Gdy promień pada na powierzchnię przezroczystą, generowany jest nowy
promień przenikania (transmission rays) i analizowany dalej podobnie jak
promień odbicia.
Jeżeli światło trafia na powierzchnię przeźroczystą, często oprócz przenikania widoczne
jest odbicie. Dlatego natrafienie na taką powierzchnię powoduje wygenerowanie dwóch
promieni: odbicia i przenikania (załamania).
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Klasyczny algorytm śledzenia promieni uwzględnia cienie, odbicia, przenikania i
nietypowe materiały.
Pojedynczy promień główny może wygenerować znaczną ilość promieni
pośrednich w zależności od ilości źródeł światła i ułożenia obiektów
Promienie te układają się w strukturę drzewiastą.
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Obrazy wyrenderowane klasyczną metodą raytracingu mogą zawierać cienie,
dokładne odbicia pomiędzy obiektami i efekty przezroczystości.
Wadą jest wrażenie zbytniej ostrości uzyskanego obrazu z powodu ograniczenia
do punktowych źródeł światła i idealnego odbicia od powierzchni.
Dzieje się tak z powodu wykorzystywania pojedynczych promieni przy określaniu
cieni, odbić i przenikań.
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Techniki poprawiające jakość obrazu w metodzie śledzenia promieni:
Stohastic Ray Tracing
pewne wygładzenie krawędzi można uzyskać zaburzając kierunki promieni
głównych tak aby kierowały się losowo (na zasadzie funkcji
prawdopodobieństwa) w ramach obszaru zajmowanego przez piksel.
Distribution Ray Tracing
zakłada wyprowadzenie w miejsce pojedynczego promienia wiązki promieni.
Jest to technika pozwalająca uzyskać bardzo naturalne efekty za cenę kolejnego,
znacznego zwielokrotnienia obliczeń.
Za pomocą takiego podejścia można uzyskać m.in. :
• rozproszone cienie - efekt miękkich cieni,
• rozmyte odbicia i przenikania światła,
• efekt głębi ostrości.
Modelowanie oświetlenia globalnego – śledzenie promieni
Modelowanie oświetlenia globalnego – metoda energetyczna
Metoda energetyczna (ang. radiosity), wyznacza globalny rozkład natężenia światła
uwzględniając pochłonięcia i odbicia światła jakie mają miejsce
na wszystkich powierzchniach znajdujących się na scenie.
Podobnie jak w rzeczywistym świecie, gdzie każda powierzchnia pochłania
światło, ale także część odbija.
Radiosity rozwinęła się na bazie doświadczeń wykorzystywania jej
w technice cieplnej do opisu emisji i odbicia promieniowania cieplnego
Modelowanie oświetlenia globalnego – metoda energetyczna
Podstawowy proces wyznaczania rozkładu oświetlenia metodą energetyczną
odbywa w fazach:
 dyskretyzacja otoczenia,
 wyznaczanie współczynników sprzężenia powierzchni i
dystrybucja energii świetlnej aż do uzyskania jej równowagi
w otoczeniu.
Modelowanie oświetlenia globalnego – metoda energetyczna
Dyskretyzacja otoczenia
• Scena, w której badany jest rozkład oświetlenia, jest dzielona na
małe elementy składowe, czyli pola.
• Każde pole może być powierzchnią świecącą lub odbijającą światło.
• Dla każdego pola należy zdefiniować położenie, kształt,
współczynnik odbicia i natężenie oświetlenia emitowanego przez
powierzchnię.
Jeśli siatka jest zbyt rzadka – pojawiają się widoczne różnice barw, niezgodne z rzeczywistymi;
Jeśli zbyt gęsta – czas realizacji jest zbyt długi.
Modelowanie oświetlenia globalnego – metoda energetyczna
Modelowanie oświetlenia globalnego – metoda energetyczna
Wyznaczanie współczynników sprzężenia powierzchni (optycznych)
• Jest zależny od właściwości powierzchni obiektów i ich wzajemnego
ustawienia.
• Powinien być wyznaczony dla każdej pary powierzchni przed
przystąpieniem do rozwiązywania układu równań bilansu energetycznego.
Współczynnik sprzężenia optycznego jest większy od zera jeśli
powierzchnie „widzą się”, lub jest zerem gdy powierzchnie „nie widzą się”.
Współczynnik informuje ile energii świetlnej może zostać przekazane z jednego płata
do drugiego. Jest to najtrudniejszy pod względem algorytmicznym i najbardziej
czasochłonny etap.
Modelowanie oświetlenia globalnego – metoda energetyczna
Modelowanie oświetlenia globalnego – metoda energetyczna
Finalnym krokiem w metodzie radiosity jest iteracyjne obliczenie jasności płatów.
Gdzie:
Ej , Ei - energia i-tego i j-tego płata
sij - współczynnik sprzężenia optycznego pomiędzy i-tym, a j-tym płatem
t – krok
Im więcej iteracji, tym uzyskany obraz jest lepszej jakości.
Modelowanie oświetlenia globalnego – metoda energetyczna
Założeniem metody jest, że wszystkie powierzchnie są idealnie rozpraszające i
traktowane są jako źródła światła o niezerowej powierzchni.
• Metoda energetyczna dyskretyzuje otoczenie i tworzy dane niezależnie od
parametrów obserwatora (co tak naprawdę jest zgodne z rzeczywistością –
światło rozchodzi się bez względu na to czy obserwator będzie brał w tym
udział czy nie). Dzięki temu możliwe jest szybkie przygotowanie różnych
perspektyw sceny.
• Geometria otoczenia jest dyskretyzowana w skończone obszary, a źródła
światła są widoczne.
• Po wyznaczeniu rozkładu oświetlenia konieczne jest przeprowadzenia takich
procesów, jak np. usuwanie niewidocznych powierzchni, generowanie obrazu.
Modelowanie oświetlenia globalnego
Metoda energetyczna podsumowanie:
• algorytm niezależny od położenia obserwatora,
• wymaga dodatkowej operacji wyznaczania powierzchni
widocznych i cieniowania,
• wolniejszy algorytm z uwagi na bardziej skomplikowane
operacje,
• obraz uzyskany tą metodą jest bardziej realistyczny,
• geometria otoczenia jest dyskretyzowana w skończone
obszary zwane polami.
Modelowanie oświetlenia globalnego
Śledzenie promieni podsumowanie:
• algorytm zależny od położenia obserwatora,
• algorytm zapewnia wyznaczanie powierzchni widocznych
i cieniowanie,
• szybszy algorytm (w stosunku do metody energetycznej)
z uwagi na mniej skomplikowane operacje,
• obraz otrzymany za pomocą klasycznego algorytmu
zawiera elementy sztuczności (jest mniej realistyczny),
• geometria otoczenia jest dyskretyzowana w skończone
obszary – piksele.
Materiały źródłowe:
Wprowadzenie do grafiki komputerowej
- Foley James (Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,2001)
Grafika komputerowa : metody i narzędzia
- Zabrodzki Jan (Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,1994)
http://wazniak.mimuw.edu.pl
http://pl.wikipedia.org
Download