forelesningsnotater sif8039 grafisk databehandling n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling PowerPoint Presentation
Download Presentation
Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 65

Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling - PowerPoint PPT Presentation


  • 79 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Forelesningsnotater SIF8039/ Grafisk databehandling' - taya


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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
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

Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet

visualiseringsl ypa
Visualiseringsløypa
  • Modellering
  • Geometriske (modellerings-) transformasjoner
  • Avbildningstransformasjoner
  • Fargelegging (shading)
fargelegging
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
rendering
Rendering

Rendering - gjengivelse:

  • ”Tunge” renderingsystemer
    • Tar hensyn til multiple refleksjoner
      • Strålesporing (ray tracing)
      • Radiositet
  • Enkle renderingsystemer
    • Ser bort fra sekundærrefleksjoner
      • Phongs refleksjonsmodell
rendering1
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”)
refleksjon og transmisjon
Refleksjon og transmisjon

Interessante interaksjonstyper lys - materie:

  • Speilende (blank) refleksjon
    • Blanke flater
  • Diffus refleksjon
    • Matte og mikroskopisk ujevne flater
  • Transmisjon
    • Gjennomsiktige flater
lyskilder
Lyskilder
  • Typer:
    • Bakgrunnslys (ambient)
    • Punktlys
    • Spotlys
    • Fjerne lyskilder
  • Karakteristikk:
    • Farge
    • Posisjon
    • Direktivitet
lyskilder1
Lyskilder
  • Fargekarakteristikk:
    • Lyset betraktes som sammensatt at tre komponenter:

Rødt

Grønt RGB

Blått

    • Tre-komponent luminans:

Lyset karakteriseres ved fargesammensetningen

lyskilder2
Lyskilder
  • Bakgrunnslys:
    • Lys som skyldes refleksjoner fra terreng, bygninger, gjenstander og atmosfæren
    • Uniformt
    • Kommer fra alle retninger
lyskilder3
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:
lyskilder4
Lyskilder
  • Spotlys:
    • Filament i punktet: ps
    • Hovedretning: ls
    • Retning mot belyst

objektpunkt: s

    • Åpningsvinkel:
    • Intensitet:

ps

s

Ip

ls

lyskilder5
Lyskilder
  • Fjern lyskilde:
    • Lysstrålene faller parallelt inn
    • Stråleretningen er:
    • Eksempel: sola
phongs refleksjonsmodell
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)

phongs refleksjonsmodell1
Phongs refleksjonsmodell
  • Hver lyskilde har separate komponenter for:
    • Bakgrunnsbelysning
    • Belysning for diffus refleksjon for hver fargekomponent
    • Belysning for speilende refleksjon
    • Belysningsmatrise for lyskilde i:
phongs refleksjonsmodell2
Phongs refleksjonsmodell
  • Trenger mål for hvor stor andel av hver belysnings-komponent som blir reflektert:
  • For hver fargekomponent blir reflektert intensitet:
phongs refleksjonsmodell3
Phongs refleksjonsmodell
  • Summert over alle lyskildene:

er global bakgrunnsbelysning

phongs refleksjonsmodell4
Phongs refleksjonsmodell
  • Refleksjon av bakgrunnsbelysningen
    • Refleksjonskoeffisient:
phongs refleksjonsmodell5
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
phongs refleksjonsmodell6
Phongs refleksjonsmodell

n - flatenormal

l - vektor i retning av

lyskilden

  • Med diffus refleksjonskoeffisient :
  • Med attenuasjon på grunn av avstanden d til lyskilden:

n

l

phongs refleksjonsmodell7
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

phongs refleksjonsmodell8
Phongs refleksjonsmodell
  • Speilende refleksjon
    • Med refleksjonskoeffisienten :

: ”glanstall”

uendelig stor: perfekt refleksjon

100 < < 500: metallisk flate

< 100: mange vanlige flater

phongs refleksjonsmodell9
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:
phongs refleksjonsmodell10
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

flatenormalen plan
Flatenormalen - plan
  • Planet gitt ved implisitt likning av formen:
  • Planet gitt ved at det går gjennom tre ikke kolinære punkt:
flatenormalen plan1
Flatenormalen - plan
  • Planet gitt ved implisitt likning av formen:
  • Gitt to punkt i planet:
  • Søkt normal:
planets avstand fra origo
Planets avstand fra origo

Forskjellige verdier av d

gir parallelle plan i

varierende avstand fra

origo

z

n

(x,y,z,1)

y

x

flatenormal plan
Flatenormal - plan
  • Planet gitt ved at det går gjennom tre ikke kolineære punkt:
  • Normalen gitt ved vektorproduktet:

skrevet som

determinant

flatenormal generelt
Flatenormal - generelt
  • Flater som kan beskrives ved en implisitt likning på formen:

har normalen:

flatenormal generelt1
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.
flatenormal generelt2
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.
flatenormal eksempler
Flatenormal - eksempler
  • Plan flate:
  • Kuleflate:
midt imellom vektor
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:

transmisjon
Transmisjon
  • Gjennom plate av for eksempel glass:
transmisjon5
Transmisjon
  • Inn i et medium, for eksempel ned i vann:

n

l

-n

t

totalrefleksjon
Totalrefleksjon
  • Når strålen går fra et optisk tettere til et optisk tynnere medium:

får vi totalrefleksjon når:

kalles den kritiske vinkelen

farge og skyggelegging
Farge- og skyggelegging
  • Flater ”fasetteres” som oftest for farge- og skygge-legging

Tetraeder - grov

tilnærmelse til

kule

mach b nd
Mach-bånd
  • Problem med flateskjøter:
interpolerende skyggelegging
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
interpolert hj rnenormal
Interpolert hjørnenormal

Hjørnenormal felles for alle flatene som støter sammen i

hjørnet

n

n2

n4

n3

n1

gauraud skyggelegging
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

phong skyggelegging
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

phong skyggelegging1
Phong-skyggelegging
  • Fordeler:
    • Mindre tendens til Mach-bånd
    • Kan få fram refleksjonshøylys inne i en fasett
  • Ulempe:
    • Beregningsmessig mere kostbar enn Gouraud-skyggelegging
globale metoder for rendering
Globale metoder for rendering
  • Tar hensyn til multiple refleksjoner (sekundær-refleksjoner):
    • Strålesporing (ray tracing)
      • Behandler speilende refleksjon godt
      • Bilderomsmetode
        • Må regnes om når øyepunktet flyttes
    • Radiositet
      • Holder fullstendig regnskap med multiple refleksjoner
      • Tar hensyn til lyskilder med utstrekning
      • Objektromsmetode
        • Farger og skygger uavhengig av øyepunktet
str lesporing
Strålesporing
  • Bare en liten andel av strålene som sendes ut fra eller reflekteres fra et objekt når øyet
  • Hensiktsløst (og alt for kostbart) å undersøke alle mulige stråler fra et objekt
  • Strålesporing:
    • ”Snur” stråleretningen - undersøker:
      • Hvor strålene som treffer øyet, kommer fra
      • Hvilken farge objektet har
      • Hvilke lyskilder som bestråler objektet
      • Til en viss grad hvilke reflekser som treffer punktet som betraktes
str lesporing1
Strålesporing

Skjerm

Piksel

COP

str lesporingsmodellen
Strålesporingsmodellen
  • Phongs refleksjonsmodell:
  • Whitteds strålesporingsmodell:
str lesporingsmodellen2
Strålesporingsmodellen
  • Kostnaden ved strålesporing:
    • Finne om strålen skjærer objektene i scenen
    • Finne skjæringspunktene
    • Finne det objektet og det objektpunktet strålen treffer først
radiositetsmodellen
Radiositetsmodellen
  • Modellen deles inn i flatelapper (fasetter) som er i strålingsmessig likevekt (stasjonær tilstand)
  • Hver flatelapp kan emittere lys (lyskilde)
  • Hver flatelapp reflekterer en viss andel av innfallende lys (diffus refleksjon)
radiositetsmodellen3
Radiositetsmodellen
  • Kostnaden ved radiositetsmodellen:
    • En formfaktor for hver parkombinasjon av flatelapper
    • Beregning av n2formfaktorer