1 / 65

Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling

Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling. Notater til forelesninger over: Kapittel 6: ”Shading” i: Edward Angel: ”Interactive Computer Graphics” Vårsemesteret 2002 Torbjørn Hallgren Institutt for datateknikk og informasjonsvitenskap

taya
Download Presentation

Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Forelesningsnotater SIF8039/Grafisk databehandling Notater til forelesninger over: Kapittel 6: ”Shading” i: Edward Angel: ”Interactive Computer Graphics” Vårsemesteret 2002 Torbjørn Hallgren Institutt for datateknikk og informasjonsvitenskap Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet

  2. Visualiseringsløypa • Modellering • Geometriske (modellerings-) transformasjoner • Avbildningstransformasjoner • Fargelegging (shading)

  3. Fargelegging • Hittil: • Avbildet modellen uten tanke på farger, lys og skygge • Alle flater ensfarget flatt inntrykk • Gir ikke effektiv volumfølelse • Krumme flater gir inntrykk som plane flater • Trenger: • Gi objektene naturlige farger • Lyskilder som gir lys og skyggevirkninger • Skyggelegging som gir realistisk romfølelse

  4. Lys, refleksjoner og skygger Kamera

  5. Rendering Rendering - gjengivelse: • ”Tunge” renderingsystemer • Tar hensyn til multiple refleksjoner • Strålesporing (ray tracing) • Radiositet • Enkle renderingsystemer • Ser bort fra sekundærrefleksjoner • Phongs refleksjonsmodell

  6. Rendering • Fysisk korrekt gjengivelse: • I prinsippet mulig • Refleksjonsfysikk basert på elektromagnetisk teori (Maxwells likninger) • Fargeteori delvis basert på elektromagnetisk teori • For tungt i praksis (i alle fall hva regnetid angår) • Forenklinger: • Kvasifysisk tilnærmelse • Empiriske modeller med en viss fysikkteoretisk bakgrunn • Gir visuelt god resultater (”fotorealisme”)

  7. Refleksjon og transmisjon Interessante interaksjonstyper lys - materie: • Speilende (blank) refleksjon • Blanke flater • Diffus refleksjon • Matte og mikroskopisk ujevne flater • Transmisjon • Gjennomsiktige flater

  8. Lyskilder • Typer: • Bakgrunnslys (ambient) • Punktlys • Spotlys • Fjerne lyskilder • Karakteristikk: • Farge • Posisjon • Direktivitet

  9. Lyskilder • Fargekarakteristikk: • Lyset betraktes som sammensatt at tre komponenter: Rødt Grønt RGB Blått • Tre-komponent luminans: Lyset karakteriseres ved fargesammensetningen

  10. Lyskilder • Bakgrunnslys: • Lys som skyldes refleksjoner fra terreng, bygninger, gjenstander og atmosfæren • Uniformt • Kommer fra alle retninger

  11. Lyskilder • Punktlys • Stråler like mye i alle retninger • Luminans: med lyskilden i punktet p0 • Attenuasjon på grunn av avstanden til det belyste punktet p: • Eller med et visst hensyn til lyskildens endelige utstrekning:

  12. Lyskilder • Spotlys: • Filament i punktet: ps • Hovedretning: ls • Retning mot belyst objektpunkt: s • Åpningsvinkel: • Intensitet: ps s Ip ls

  13. Lyskilder • Fjern lyskilde: • Lysstrålene faller parallelt inn • Stråleretningen er: • Eksempel: sola

  14. Phongs refleksjonsmodell n v l r p p - belyst punkt n - flatenormal l - vektor i retning lyskilden r - retning for speilrefleksjon v - retning mot øyet (COP)

  15. Phongs refleksjonsmodell • Hver lyskilde har separate komponenter for: • Bakgrunnsbelysning • Belysning for diffus refleksjon for hver fargekomponent • Belysning for speilende refleksjon • Belysningsmatrise for lyskilde i:

  16. Phongs refleksjonsmodell • Trenger mål for hvor stor andel av hver belysnings-komponent som blir reflektert: • For hver fargekomponent blir reflektert intensitet:

  17. Phongs refleksjonsmodell • Summert over alle lyskildene: er global bakgrunnsbelysning

  18. Phongs refleksjonsmodell • Refleksjon av bakgrunnsbelysningen • Refleksjonskoeffisient:

  19. Phongs refleksjonsmodell • Diffus refleksjon • Laberts cosinuslov gjelder Flaten ser like lys ut uansett hvilken vinkel den sees under • Belysningen på flaten er avhengig av innfallsvinkelen til det innfallende lyset

  20. Phongs refleksjonsmodell n - flatenormal l - vektor i retning av lyskilden • Med diffus refleksjonskoeffisient : • Med attenuasjon på grunn av avstanden d til lyskilden: n l

  21. Phongs refleksjonsmodell • Speilende refleksjon • For perfekt speiling går en reflektert stråle ut (refleksjons-vinkel er lik innfallsvinkel) • For mindre perfekt speiling fåes en ”kjegle” av reflekterte stråler om den perfekt reflekterte strålen n v l r

  22. Høylys

  23. Phongs refleksjonsmodell • Speilende refleksjon • Med refleksjonskoeffisienten : : ”glanstall” uendelig stor: perfekt refleksjon 100 < < 500: metallisk flate < 100: mange vanlige flater

  24. Phongs refleksjonsmodell • Den fullstendige modellen: • Gitt (ved spesifikasjonen av to punkt): • Retningen til hver av lyskildene: • Retningen til øyepunktet (COP): • Søker mest mulig effektiv beregning av: • Flatenormal: • Refleksjonsretning:

  25. Phongs refleksjonsmodell • Den fullstendige modellen: - summerer over alle lyskilde - summerer for hver fargekomponent r, g og b - belysningskomponent fra lyskilde i - refleksjonskoeffisient - ”glanstall” - avstand til lyskilde - attenuasjonskoeffisienter - diffus refleksjon - speilende refleksjon - bakgrunnsbelysning

  26. Flatenormalen - plan • Planet gitt ved implisitt likning av formen: • Planet gitt ved at det går gjennom tre ikke kolinære punkt:

  27. Flatenormalen - plan • Planet gitt ved implisitt likning av formen: • Gitt to punkt i planet: • Søkt normal:

  28. Planets avstand fra origo Forskjellige verdier av d gir parallelle plan i varierende avstand fra origo z n (x,y,z,1) y x

  29. Flatenormal - plan • Planet gitt ved at det går gjennom tre ikke kolineære punkt: • Normalen gitt ved vektorproduktet: skrevet som determinant

  30. Flatenormal - generelt • Flater som kan beskrives ved en implisitt likning på formen: har normalen:

  31. Flatenormal - generelt • Gitt flaten: • En romkurve som ligger i flaten: • Komponentene for romkurven må tilfredsstille: • Tangenten til kurven må også være tangent til flaten: • Tangentene til romkurvene i flaten, som går gjennom et punkt på flaten, danner tangentplanet til flaten.

  32. Flatenormal - generelt • Differensiering: • Gradienten til flaten f er ortogonal til alle tangenten til rom-kurvene (som ligger i flaten) i punktet (x,y,z) og dermed til tangentplanet.

  33. Flatenormal - eksempler • Plan flate: • Kuleflate:

  34. Refleksjonsretning n l r

  35. Midt-imellom-vektor For beregning av speilende refleksjon trengs skalar- produktet: n (Halfway vector) h l r v Av effektivitetshensyn brukes i stedet: Definerer ”midt-imellom- vektoren”: Bruker justert i:

  36. Transmisjon • Gjennom plate av for eksempel glass:

  37. Transmisjon

  38. Transmisjon x z h y d

  39. Transmisjon

  40. Transmisjon

  41. Transmisjon • Inn i et medium, for eksempel ned i vann: n l -n t

  42. Transmisjon

  43. Transmisjon

  44. Totalrefleksjon • Når strålen går fra et optisk tettere til et optisk tynnere medium: får vi totalrefleksjon når: kalles den kritiske vinkelen

  45. Farge- og skyggelegging • Flater ”fasetteres” som oftest for farge- og skygge-legging Tetraeder - grov tilnærmelse til kule

  46. Mach-bånd • Problem med flateskjøter:

  47. Interpolerende skyggelegging • Gouraud-skyggelegging • Interpolerer farge over en fasett • Phong-skyggelegging • Interpolerer flatenormalen over en fasett • Felles for begge • Interpolerer hjørnenormal som normalisert resultant av flatenormalene til de flatene som støter til hjørnet

  48. Interpolert hjørnenormal Hjørnenormal felles for alle flatene som støter sammen i hjørnet n n2 n4 n3 n1

  49. Gauraud-skyggelegging 1 2 2 3 1 1 2 2 1 1. Beregner farge i hvert hjørne 2. Interpolerer farge langs hver av kantene 3. Interpolerer farge langs scanlinjer gjennom fasetten

  50. Phong-skyggelegging 1 2 2 3 1 1 2 2 1 1. Beregner normalen i hvert hjørne 2. Interpolerer normalen langs hver av kantene 3. Interpolerer normalen langs scanlinjer gjennom fasetten Fargen i hvert punkt bestemmes ved beregning ved hjelp av den lokal normalen

More Related