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Illuminamento e Shading. Prof. Roberto Pirrone. Sommario. Generalità Modello di illuminamento di Phong Luce ambientale Coefficiente di attenuazione Attenuazione atmosferica Riflessione diffusa Riflessione speculare Modelli di illuminatori al finito Shading Flat shading
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Illuminamento e Shading Prof. Roberto Pirrone
Sommario • Generalità • Modello di illuminamento di Phong • Luce ambientale • Coefficiente di attenuazione • Attenuazione atmosferica • Riflessione diffusa • Riflessione speculare • Modelli di illuminatori al finito • Shading • Flatshading • Gouraudshading • Phongshading
Generalità L’illuminamento è quel processo che simula la riflessione sulla superficie degli oggetti della luce proveniente da una distribuzione di sorgenti luminose nello spazio. Le sorgenti luminose possono essere puntiformi (lampade, sole) o di dimensioni finite (fari, spot, plafoniere) a distanza finita dagli oggetti, ovvero all’infinito.
Generalità • I raggi luminosi che povengono dalle sorgenti luminose: • subiscono riflessioni multiple tra gli oggetti • possono essere in parte assorbiti • incontrano superfici trasparenti che li trasmettono, filtrandoli. • Nasce la necessità di modellare matematicamente il processo di riflessione della luce. A questo modello matematico si darà il nome di equazione di illuminamento.
Luce ambientale Si partirà con il caso acromatico. La luce ambientale è la luce ottenuta dalla continua inter-riflessione dei raggi luminosi tra le superfici: non si può più individuare una direzione di provenienza. Ia è l’intensità di luce ambientale e ka il coefficiente di riflessione da parte della superficie dell’oggetto.
Riflessione diffusa (lambertiana) • Sorgente puntiforme ed all’infinito. • Per una sorgente al finito L cambia da punto a punto della superficie. • Riflessione dipendente solo dall’orientamento locale della superficie rispetto alla direzione di illuminazione.
Effetto della luce ambiente sullo shading Esempio di riflessione puramente diffusa al crescere del coefficiente di riflessione L’esempio precedente con l’aggiunta di un ammontare di illuminazione ambientale, al crescere del coefficiente di riflessione ambientale
Attenuazione con la distanza dalla sorgente L’energia radiante da una sorgente luminosa puntiforme decresce con una legge inversamente proporzionale alla distanza dalla sorgente stessa. Al crescere della distanza la potenza radiante si distribuisce su sfere di raggio crescente, quindi la potenza per unità di area decresce. Ciò si può modellare con un fattore di attenuazione che modula l’intensità luminosa della sorgente.
Effetto dell’attenuazione con la distanza Esempio di illuminazione ambientale e diffusa, con fattore di attenuazione crescente; prima riga: f=1/d2; seconda riga: f=1/(0.25+0.25d+0.5 d2); terza riga: f=1/d.
Estensione al caso cromatico • Si dovrà tenere in considerazione una sorgente luminosa Ip={Ipl}, l=R, G, B. • Anche la superficie sarà fatta di un materiale con un suo comportamento di riflessione diffusa diverso per i tre canali: Od={Odl}, l=R, G, B. • Tali coefficienti moduleranno l’intensità luminosa, canale per canale.
Attenuazione atmosferica (nebbia) • Il colore dell’oggetto si mescola con un colore di sfondo (la nebbia o lo sfondo della scena) con un coefficiente di peso s0. • Il coefficiente di peso varia tra due estremi in maniera lineare con la profondità. • Si possono pensare leggi di variazione esponenziali.
Riflessione speculare • La riflessione speculare perfetta è quella addensa la luce riflessa nella direzione del vettore R, simmetrico di L rispetto alla normale N. • Essa dipende dalla direzione di osservazione V e viene rapresentata utilizzando il modello di Phong.
Riflessione speculare Andamento del coefficiente di spot rispetto all’angolo tre R e V
Riflessione speculare Calcolo diretto di R: la proiezione di L lungo N è N|L|cosϴ = Ncosϴ
Esempio di riflessione speculare Esempi di riflessione speculare; per ogni riga, da sinistra a destra n=3.0, 5.0, 10.0, 27.0, 200.0; per ogni colonna, dall’alto in basso ks=0.1, 0.25, 0.5
Diagrammi di radiazione Il modello di Phong è stato modificato da Warn per tener conto delle sorgenti luminose che non irradiano uniformemente in tutte le direzioni. In questo modello si assume di illuminare la scena a partire da una sorgente di intensità I’Ll che si riflette su uno specchio formando un angolo g con la direzione dell’illuminante L.
Estensioni del modello di Warn • Il modello di Warn inserisce anche la possibilità di definire delle limitazioni in estensione della zona illuminata, ovvero dei coni di luce.
Shading Il processo di shading consiste nella definizione del colore di ogni singolo pixel appartenente ad un poligono che approssima una superficie. La scelta avviene sulla base del modello di illuminamento e del tipo di materiale prescelto per la superficie stessa.
Tipi di shading • Il problema si riconduce al calcolo dell’illuminamento in maniera più o meno accurata, in dipendenza dalla conoscenza o meno delle normali locali alla superficie. • Si hanno tre algoritmi principali: • Flat shading • Shading di Gouraud • Shading di Phong
FlatShading • Nel flat shading ogni poligono viene approssimato tenendo conto di un’unica normale per tutti i suoi punti. • Questa viene ricavata dall’equazione del piano che contiene il poligono.
GouraudShading • Nel Gouraud shading, l’intensità luminosa di ogni pixel del poligono viene approssimata bilinearmente a partire dal calcolo esatto fatto in ogni vertice. • Quando non si conosce la normale in un vertice si utilizza la media delle normali ai poligoni che lo condividono.
PhongShading • Nello shading di Phong, note le normali ai vertici, queste vengono interpolate bilinearmente su tutto il poligono e da ogni normale si calcola il valore di illuminamento. • Consente di ottenere performance migliori per la riproduzione della riflessione speculare, ma è molto più oneroso dal punto di vista computazionale.
