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Universidad de TalcaFacultad de Ingeniería

Computación GráficaComputación GráficaIluminación y Sombreado

IntroducciónIntroducciónLas propiedades de la superficie determinan cómo la superficie absorbe, refleja y/o transmite los rayos de luz.

Cuando la luz blanca ilumina una superficie algunas frecuencias de la luz son usualmente absorbidas.

Las frecuencias que llegan a nuestros ojos son las que causan las distintas sensaciones de color.

Cuando elegimos un color como material de un determinado objeto, estamos modelando un objeto que absorbe todas las frecuencias de la luz, excepto la que produce el color elegido.

ObjetivoObjetivoDado un modelo geométrico, usualmente en la forma de red poligonal, se debe crear una imagen rasterizada que parezca lo más real posible y esto debe lograrse muy rápidamente.

IntroducciónIntroducciónAsignando diferentes propiedades de materiales podremos tener distintas visiones del objeto

IntroducciónIntroducciónPara lograr nuestro objetivo debemos

◦ Contar con los modelos necesarios que permitan producir imágenes rasterizadas que parezcan fotorrealísticasparezcan fotorrealísticas.

◦ Este modelo debe estar basado en la interacción de la luz con la materia.

◦ El tiempo de renderizado debe ser lo más rápido posible.

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InteracciónInteracciónLa naturaleza de la luz y el espectro visible son sólo parte de lo que necesitamos saber acerca del color.

Veremos ahora qué ocurre con la interacción de la luz con la materia; cuando vemos un objeto azul o rojo o verde, lo que estamos viendo es una reflexión parcial de la luz de la psuperficie.

El color que vemos es lo que queda del espectro luego de que una parte ha sido absorbida por el objeto.

InteracciónInteracciónCuando la luz incide sobre un objeto, éste reacciona en una o más de las formas siguientes, dependiendo de si el objeto es: transparente, translúcido, opaco, suave, rugoso, liso, ...

La luz incidente podrá ser:◦ Total o parcialmente transmitidaTotal o parcialmente transmitida.◦ Total o parcialmente reflejada.◦ Total o parcialmente absorbida.

TransmisiónTransmisiónLa transmisión tiene lugar cuando la luz pasa a través de un objeto sin ser esencialmente cambiada; en este caso, se dice que el objeto es transparente.

TransmisiónTransmisiónDe acuerdo al índice de refracción del material se produce una alteración en la forma en que la luz es transmitida.

El índice de refracción (IR) es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío con respecto a la pvelocidad de la luz en el material.

El IR del aire, por ejemplo, es 1.0003.◦ Si la luz viaja a 300.000 km por segundo, viaja a través del

aire a 299.910 km por segundo◦ El IR del agua es 1.333◦ y el IR del vidrio varía de 1.5 a 1.96 - una ralentización

considerable de la velocidad de la luz.

TransmisiónTransmisiónEl punto donde se encuentran dos superficies de distinto IR se denomina la superficie de borde.

En este punto, un rayo de luz transmitida (el rayo incidente) cambia de dirección de acuerdo a la diferencia en el índice de refracción y también al ángulo de incidencia en el objeto. Esto se denomina refracción.

La luz que incide normalmente en la superficie del objeto pasa sin refractarse; la luz que incide a otro ángulo será tanto parcialmente refractada como reflejada:

ReflexiónReflexiónCuando la luz incide sobre un objeto opaco, (es decir, un objeto que no transmite la luz), la superficie del objeto juega un rol importante en la determinación de si la luz es completamente reflejada, completamente difundida o algo de ambos fenómenos.

Una superficie suave o brillante es aquélla que está hecha con partículas de igual o casi igual IRpartículas de igual, o casi igual IR.

Estas superficies reflejan la luz a una intensidad y ángulo igual al del rayo incidente:

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ReflexiónReflexiónLa difusión o la dispersión es otro aspecto de la reflexión. Cuando una sustancia contiene partículas de diferente índice refractivo, un rayo de luz que incide en dicha sustancia será dispersada. La cantidad de luz dispersada depende de la diferencia en los dos índices de refracción y también del tamaño de las partículas.

AbsorciónAbsorciónFinalmente, algo o toda la luz puede ser absorbida dependiendo de la pigmentación del objeto. Los pigmentos son colorantes naturales que absorben algunas o todas las longitudes de onda de la luz. Lo que vemos como color, son las longitudes de onda de la luz que no es absorbida.

InteracciónInteracciónLa luz incidente interactúa entonces con la superficie y puede ser absorbida, reflejada, dispersada y/o transmitida.

InteracciónInteracciónLa intensidad y la longitud de onda de la luz reflejada dependen de:◦ la luz incidente◦ el ángulo de incidenciag◦ la naturaleza (rugosidad) de la superficie◦ sus propiedades eléctricas.

Modelos de iluminaciónModelos de iluminaciónExtraen aquellos factores que determinan el color (o la intensidad) en un determinado punto de una superficie iluminada, basándose en la pinteracción de la luz con el material

Modelos de iluminaciónModelos de iluminaciónModelos de Fuentes de Luz◦ definen la naturaleza de la luz que emana

de una fuente de luz.

Modelos de Reflexión◦ definen la intensidad de luz reflejada

desde un punto de la superficie de un objeto. En esto juegan un rol esencial las características de la superficie.

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Modelos de las fuentes de luzModelos de las fuentes de luzConsideraremos sólo cuatro tipos de fuentes de luz◦ Luz ambiente◦ Luz puntual◦ Spot◦ Luz distante (paralela)

Luz ambienteLuz ambienteLa luz es utilizada para producir un efecto de iluminación uniforme sobre cada punto de cada superficie en la escena. Su luminancia Ia se especifica mediante:

Aunque cada punto de la escena recibe la misma luminancia, cada superficie refleja la luz de manera diferente. Esto se caracteriza mediante la reflexión que está relacionada con las propiedades físicas del material de la superficie.

Luz AmbienteLuz Ambiente Modelos de reflexiónModelos de reflexión

Modelos de reflexión simpleModelos de reflexión simpleConsideraremos aproximaciones que tendrán en cuenta dos tipos de luces:◦ Ambiente◦ Fuentes de luces puntuales

Cuando la superficie es iluminada con fuentes de luces puntuales consideraremos dos tipos de reflexión de la luz:◦ Difusa◦ Especular

Reflexión DifusaReflexión DifusaLey de Lambert del coseno: la intensidad de la luz reflejada es directamente proporcional al coseno del ángulo de incidenciag

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Reflexión difusaReflexión difusaEs independiente del punto de vista

Depende de la orientación de la superficie con respecto a la fuente de luz, y ésta es la propiedad que es gobernada por la ley de Lambert.q g p y

Reflexión DifusaReflexión DifusaLa cantidad de luz reflejada estará dada por el coeficiente de reflexión difusa kd y siendo también proporcional al cos Ө, es decirp p

Puede considerar un factor de atenuación

cos 0 1d d dR k donde kθ= ≤ ≤

Reflexión especularReflexión especularLa reflexión especular desdeun punto de vista

Adiciona los puntos luminosos (highlights) que vemos en las superficies brillantes.

El brillo (highlights) es inversamente proporcional al tamaño del punto luminoso. El punto luminoso es dependiente del punto de vista.

Reflexión especularReflexión especularSe definen cuatro vectores normalizados N, L, R y V como se detalla a continuación:

1 ( )θ◦ El vector de reflexión difusa estará dado

por:

1cos ( )N Lθ −= ⋅

1

2( ) (1)cos ( )

R N L N LR Vα −

= ⋅ −

= ⋅

Reflexión especularReflexión especularLa cantidad de luz reflejada especularmente, de acuerdo a los propuesto por Phong, estará dada por:p

Siendo ks el coeficiente de reflexión especular y n el de brillo.

(cos ) 0 1ns s sR k donde kα= ≤ ≤

Reflexión especularReflexión especularEl diagrama muestra como cae la reflectancia en el modelo de iluminación de Phong en función de α y de n. Para un valor de n grande, la reflectancia decrece rápidamente con el ángulo desde el cual serápidamente con el ángulo desde el cual se mira (α)

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Propiedades de los materialesPropiedades de los materialesLas propiedades de los materiales se modelan mediante los coeficientes de reflexión ambiente, difusa y especular y el coeficiente de brillo (n)

Los valores para estos coeficientes están comprendidos entre:

0 , 1 1 ~ 500a d sk k y k y nλ λ λ≤ ≤ ≤ ≤

SombreadoSombreadoNormalmente no se calcula el color en cada uno de los puntos de una superficie sino que la descomponemos en pequeños polígonos planospolígonos planos.

SombreadoSombreadoLas distintas técnicas son:◦ Sombreado plano◦ Técnicas interpolantes

Sombreado de GouraudSombreado de PhongSombreado de Phong

Sombreado PlanoSombreado PlanoSe aplica el modelo de reflexión una sola vez por polígono determinándose un solo valor de intensidad que será aplicado a todo el polígono.

Sombreado plano:◦ Trabaja bien para todos los objetos hechos con todas las caras

realmente planas.◦ Si el modelo no tiene caras planas la apariencia depende de la

cantidad de polígonos usados para simular caras curvas.◦ Si el modelo poliédrico es una aproximación, entonces debe ser

suavizado.

Sombreado de GouraudSombreado de GouraudSe calcula la intensidad de la luz en los vértices del polígono y se interpolan estas intensidades para encontrar los valores en los pixels en los que se proyecta el polígonopolígono.

Sombreado de una malla Sombreado de una malla Las normales para cada vértice se calculan:

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Sombreado PhongSombreado PhongSe calculan las normales en cada vértice del polígono.

Luego se interpolan las normales para cada punto del polígono que se proyecta en un pixel.p g q p y p

Sombreado PhongSombreado PhongEl sombreado de Phong da una imagen de mejor calidad que el de Gouraud.

Esto ocurre especialmente cuando hay puntos brillantes.

El costo computacional es mucho más alto.

Técnicas de SombreadoTécnicas de Sombreado