Iluminando o Cenário

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Iluminando o Cenário

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Fundamentos:

Fisicamente: a percepção da iluminação depende da distribuição da energia (dos fótons) que alcançam as células (cones/bastonetes) nos nossos olhos

Essa energia se distribui de maneira complexa.

Os fótons podem vir de uma fonte

De luz ou combinações de várias fontes; Parte dos fótons são absorvidos

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A absorção ou reflexão dos fótons influenciam na

percepção da Iluminação e também sofre influência de diversos fatores:

A polidez da superfície: a luz é espalhada em função da suavidade e orientação da superfície;

A cor da superfície: reflexão da cor da luz incidente; A intensidade da luz incidente: intensidade de brilho;

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Resumindo: a percepção de brilho e cor

(iluminação) de uma cena depende...:

- Das próprias fontes de luz;

- Das propriedades dos materiais;

- Da localização do observador e;

- Da orientação das superfícies.

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Em CG, especialmente em aplicações de tempo real, não é necessário uma iluminação perfeita.

Em geral adota-se a “renderização” local onde cada polígono é “pintado” de maneira independente do outro.

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O modelo empírico a ser abordado considera as

seguintes componentes:

Luz Ambiente

Luz Difusa

Luz Especular

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Luz Ambiente

Trata-se de uma luz que está tão espalhada no

ambiente a ponto de ser impossível

determinar a sua direção ou fonte – ela parece vir de

todas as direções.

Funciona como uma

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Cálculo da Luz Ambiente (Iluminação ambiental)

A percepção de brilho e cor (intensidade refletida) é

calculada através da equação:

K_a = refletividade em relação à luz ambiente (característica do material)

I = intensidade de luz ambiental incidente

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Luz Difusa

A reflexão de luz difusa é proporcional ao cos(θi) Sendo L (direção para a fonte de luz difusa)

e N (a normal à superfície)

dois vetores unitários, então: cos(θi)=L.N

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Luz Difusa

Luz difusa refletida:

K_d= refletividade da luz difusa; I = intensidade da luz incidente;

L = vetor unitário orientado para a fonte de luz difusa;

N = normal (unitária) no ponto da superfície que recebe a luz difusa.

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Luz Difusa

Surge o efeito de sombra em função da direção da luz em relação à normal.

Se θ aumenta tendendo para 90o então proporcionalmente o

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Luz Difusa

Se θ aumenta tendendo para 90o então, proporcionalmente, o

cos(θ) decai e ocorre a formação de um gradiente de sombra.

θ1

θ2

θ2 > θ1 → reflexão menor → mais sombra em B do que em A

θ1

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Luz Difusa

A reflexão da luz difusa depende

apenas do ângulo

_θ

de incidência.

Independente da posição do

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Luz Difusa

Uma superfície Lambertiana espalha a luz em todas as direções apresentando brilho perfeitamente uniforme.

O gesso é uma superfície quase Lambertiana

Quanto mais constante for a luz difusa mais lambertiana é a

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Luz Especular (modelo empírico de Phong)

A luz especular produz o efeito de reflexão em uma superfície polida, onde a luz incidente se reflete com mais intensidade em certo ponto do objeto.

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Luz Especular (modelo Phong)

A intensidade de luz especular refletida depende da posição do observador (câmera sintética)

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Luz Especular (modelo Phong)

A intensidade refletida é proporcional a

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Luz Especular (modelo Phong)

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shininess = 50 shininess = 10

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Luz Especular (modelo Blinn)

Ao aplicar Phong para cálculo da iluminação especular, é

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É importante salientar:

Na prática, I

t

tem que ser calculada para

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Relembrando os principais fatores que influenciam na percepção de iluminação (reflexão da luz):

Características dos materiais:

As superfícies podem ser mais

ou menos polídas o que influencia na reflexão mais ou menos difusa ou especular.

Características das fontes de luz

Além disso as fontes de luz podem ser posicionais/spots (raios não paralelos)

ou direcionais (raios paralelos);

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É importante salientar:

Há também a atenuação f(d) causada pela distância da fonte de iluminação.

Este fator pode ser linear constante ou quadrático:

f(d)=1/(a+b.d+c.d

2

)

d=distância

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Até aqui vimos o Modelo Empírico que calcula a

iluminação.

A tonalização é a aplicação deste modelo sobre os

polígonos que formam as superfícies da cena...

A tonalização pode ocorrer das seguintes formas:

Facetado (FLAT);

Suave (SMOOTH)

Gourald

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Tonalização Facetada

(a mais simples)

cada polígono da superfície recebe a iluminação

calculada para um ponto. Ou seja, calcula-se a

iluminação apenas uma vez e aplica-se ao polígono

em questão.

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FLAT

(facetado)

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Tonalização Suave -

Tonalização Suave - Gouraud Gouraud

A iluminação é calculada para cada vértice do polígono; A iluminação de cada ponto na superfície do polígono é determinada por interpolação bilinear tomando como

referência os valores de iluminação calculados nos vértices do polígono.

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Tonalização Suave -

Tonalização Suave - Gouraud _Gouraud

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SMOOTH

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glShadeModel(GL_FLAT); glShadeModel(GL_SMOOTH);

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Tonalização Suave - Phong

As normais em uma aresta são Interpoladas a partir dos vértices desta aresta.

As normais internas são interpolação bilinear do par de normais calculadas em arestas.

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A iluminação de cada ponto do polígono pode ser calculada a partir das normais interpoladas

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A tonalização de Phong é melhor que a de Gouraud porém, é computacionalmente mais cara.

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Execute os seguintes programas identificando a prametrização

da iluminação:

www.opengl.org/resources/code/samples/redbook/material.c www.opengl.org/resources/code/samples/redbook/colormat.c

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Exercício1:

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Dados do exercício 1:

• Vetores normais (normas unitárias): N1,N2,N3 e N4;

• As intensidades refletidas das componentes de luz são unitárias;

• A única fonte de luz é branca, R=1,G=1,B=1 para todos os componentes: ambiental, especular e difuso. Dessa forma, a cor do objeto será percebida (determinada) pelos coeficientes (K) dos materiais;

• Os coeficientes de reflexão Ka=Kd=Ke são conhecidos e iguais a (1,1,0); • “Shininess” da componente especular: n=128;

•A reflexão da componente especular é calculada pelo modelo de Phong;

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• A fonte de luz é direcional, na direção do vetor D=(0,0,-1): fonte no infinito, raios paralelos;

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: bilinear ão interpolaç a feita é isso Após e , para mesmo O 2 3 4 1 1 1 1 v t I v t I v t I v esp I v d I v a I v t I = + + Solução exercício 1:

Solução exercício 1: calcular a iluminação em cada vértice e

interpolar a iluminação no ponto p:

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) 0 ; 58 , 2 ; 58 , 2 ( ) 0 , 1 , 1 ( 0 , 3 1 , 3 1 ) 0 , 1 , 1 ( : 1 v em Iluminação 1 1 1 1 ≈ +         + = + +

= I_ambientalv I_difusav I_especularv v

I

Solução exercício 1:

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Após calcular a iluminação para cada vértice aplique as equações de Após calcular a iluminação para cada vértice aplique as equações de interpolação levando em conta as coordenadas dos vértices, as

interpolação levando em conta as coordenadas dos vértices, as coordenadas

coordenadas

Solução exercício 1:

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Exercício 2:

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Exercício 3:

Considerando o seguinte trecho de código, qual a intensidade da luz incidindo no ponto P(17,1,-200):

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Solução do Exercício 3:

Deseja-se a intensidade da luz incidente sobre o ponto P

Na incidência sobre o material: as luzes especular e ambiente estão praticamente desligadas (cor preta), há apenas uma

componente difusa.

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(

)

0131 , 0 128 cos ≈       − − • = ⇒         − • = = D D L L ifusa incidenteD I n D D L L n ifusa incidenteD I α

A fonte de luz foi parametrizada para o “formato” SPOT, então a intensidade da luz incidente I_{incidenteDifusa}é proporcional ao cosseno, elevado ao expoente 128, do

ângulo de fall-off.

Os cálculos de L e D constam nos próximos slides...

Solução do Exercício 3: qual é a

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dado. é direção de vetor o , 2 2 , 0 , 2 2 390 2 ) 10 ( 2 ) 1 ( 2 ) 17 ( ] 10 , 1 , 17 [ ] 200 , 1 , 1 [ ] 190 , 0 , 0 [ : forma Dessa ). 190 0 0 (ponto luz de fonte da origem de ponto no coincidam vetores dois dos origens as que para e ) ( utilizando porém L vetor o e D direção vetor ao relação em aplicado é racíocinio Esse B A ) cos( T D L T T T P p L T ] ,-, p [ L D         − − = − = + − + − = − − = − − − = − = − • = θ

Solução do Exercício 3: calculando L e D

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. ) cos( : teremos os, normalizad vetores são B e A disso, além Se, , ) cos( ) cos( : então , ângulo um formam e origem, mesma de vetores são B e A se tria, trigonome Da B A B A B A B A B A • = ⋅ • = ⇒ ⋅ = • θ θ θ θ

Solução do Exercício 3: calculando L e D

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Exercício 4:

Execute o seguinte trecho de código e teça comentários sobre o resultado da iluminação obtida (crie o objeto a ser iluminado). Descreva o papel dos parâmetros especificados por

mat_shininess e GL_SPOT_EXPONENT? void init(void) { GLfloat mat_specular[ ] = {0.0, 0.0, 0.0, 1.0 }; GLfloat mat_diffuse[ ] ={0.0, 0.0, 0.0, 1.0 }; GLfloat mat_environmental[ ] = {0.0, 1.0, 0.0, 1.0 }; GLfloat mat_shininess[ ] ={3}; GLfloat light_position[ ] = { 1.0, 0.0, 0.0, 1.0 }; GLfloat light_specDirection[ ] = { 1.0, 0.0, 1.0, 1.0 }; glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glShadeModel(GL_SMOOTH);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular); glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess); glMaterialfv(GL_FRONT, GL_DIFFUSE, mat_diffuse);

glMaterialfv(GL_FRONT, GL_AMBIENT, mat_environmental); glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position);

glLightfv(GL_LIGHT0, GL_SPOT_DIRECTION, light_specDirection); glLightf(GL_LIGHT0,GL_SPOT_CUTOFF,100.0);

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Exercício 5:

1A)Determine a componente difusa da luz de intensidade (200;100;50) colocada na

posição (0;1;0;0) sobre o vértice A do triângulo A=(3,2,1), B=(8,2,1), C=(4,8,-4).

Utilize a regra da mão direita para a determinação da normal ao polígono. Kd=(0.6,0.5,0.3).

Resp: L≈[0,1,0]

Nn•Ln =0.64 // Nn Normal normalizado e Ln vetor L normalizado Id=(76.8 32.0 9.6)

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Exercício 6:

2A) Determine a componente especular de uma lâmpada de intensidade (1.0,0.4,1.0) colocada na posição (3,5,1,1) em relação ao ponto A=(6,2,1). O observador encontra-se em (8,10,1), a normal N=(-1,2,0), material: Ke=(1,1,1) e n=8.

A figura abaixo é uma ilustração geral e pode não retratar exatamente os parâmetros da questão: Resp: Rn=(-0.1394 0.9902 0) Vn=(0.242 0.97 0) Rn•Vn=0.9267 Ie=(0.5437 0.2175 0.5437)