Racunarska grafikaOsvetljenje i sencenje

Vesna Marinkovic

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 1 / 26

Osvetljenje i sencenje Problemi osvetljenja i sencenja

Osvetljenje i sencenje

Problemi osvetljenja (illumination) i sencenja (shading) su znatnokomplikovaniji od problema vidljivosti

Osvetljenje – određuje se boja pojedinacne tacke sa date povrsisimuliranjem atributa svetlosti

Sencenje – primenjuje se model osvetljenja na skup tacaka i bojikompletna povrs

Model sencenja predstavlja siri koncept

Postoji veci broj modela osvetljenja i sencenja – neki od njih nisufizicki zasnovani, ali daju dobre rezultate

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 2 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Ambijentalno svetlo

Ambijentalno svetlo – postoji izvor svetla koji je difuzan, bezusmerenog izvora svetlosti

Svetlost se rasprostire jednako u svim smerovima i po svim objektima

I = Ia · ka

Ia je konstantni intenzitet ambijentalnog svetlaka je koeficijent ambijentalne refleksije objekta

Svakoj tacki sa jednog objekta pridruzen je isti intenzitet svetlosti

Svaka povrs na sceni je osvetljena do nekog stepena

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 3 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Tackasti izvor svetla

Tackasti izvor svetla – ravnomerno siri zrake u svim smerovima izjedne tackeDifuzna (lambertovska) refleksija – refleksija od hrapavih povrsinaPovrsine izgledaju jednako osvetljene iz svih uglova posmatranjaZa jednu povrsinu osvetljenost jedino zavisi od toga koliko direktnosvetlost pada na povrsinu (nezavisna je od pozicije posmatraca)I = Ipkd cos θ = Ipkd (L · N)Ip je intenzitet tackastog izvora svetlakd je koeficijent difuzne refleksije materijalaθ je ugao između pravca svetla L i pravca normala povrsi NLambertovo kosinusno pravilo

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 4 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Direkcioni izvor svetla

Direkcioni izvor svetla – izvor svetla je dovoljno udaljen od svihobjekata

Vektor L je konstantan za sve objekte

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 5 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Lambertovo kosinusno pravilo za razlicite vrednosti ugla θ

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 6 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Dodavanje ambijentalne komponente

Da objekti ne bi delovali kao da se nalaze u mracnoj prostoriji dodajese ambijentalna komponenta:I = Iaka + Ipkd (L · N)

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 7 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Slabljenje izvora svetla

Projekcije dve paralelne povrsine od istog materijala koje sepreklapaju nisu razlucive

Uzecemo u obzir faktor slabljenja izvora svetla fatt

I = Iaka + fatt Ipkd (L · N)

Objekti udaljeniji od izvora svetla bice prikazani kao tamniji

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 8 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Slabljenje izvora svetla (2)

Energija iz tackastog izvora svetlosti opada kao inverz kvadratarastojanjafatt = 1

d2L

, dL rastojanje objekta od izvora svetla

Objekti postaju jako brzo tamni, bolji izbor je:fatt = min{ 1

c1+c2dL+c3d2L, 1}

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 9 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Atmosfersko slabljenje svetla

Svetlo treba da slabi i sa udaljenoscu objekta od posmatraca – ovajefekat nazivamo atmosferskim slabljenjem svetla

Udaljeniji objekti se renderuju sa manjim intenzitetom od blizih

Prednjoj i zadnjoj ravni projektovanja pridruzuju se faktori skaliranjas1 i s2

Faktor so se određuje u zavisnosti od rastojanja objekta odposmatraca (u zavisnosti od z koordinate)

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 10 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Atmosfersko slabljenje svetla

Za zo = z1 vazi so = s1, a za zo = z2 vazi so = s2U opstem slucaju vazi

so = s2 +(zo − z2)(s1 − s2)

z1 − z2

Implementira se mesanjem objekata u boju pozadine sa povecanjemrastojanja od posmatraca

Za svako so određuje se prirodno I ′ između (izracunate) osvetljenostiI i osvetljenosti za udaljene objekte Idc I ′ = so I + (1− so)Idc

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 11 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Spekularna refleksija

Spekularna refleksija se javlja kod glatkih i sjajnih objekata, za razlikuod difuzne refleksije koja se javlja kod hrapavih objekata

Efekat joj je najveci u pravcu R koji je simetrican pravcu svetlosti L uodnosu na normalu povrsi N

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 12 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Fongov model osvetljenja

Ukupna osvetljenost je kombinacija ambijentalne, lambertovske ispekularne komponente (za sve izvore svetlosti)

I = Iamb + Idiff + Ispec = Iaka + fatt Ip(kd cos θ + ks coss δ)θ je ugao između vektora L i Nδ je ugao između vektora R i V (pravca gledanja)s je eksponent spekularne refleksije za dati materijalks je koeficijent spekularne refleksije

I = Iaka + fatt Ip(kd (L · N) + ks(R · V )s)

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 13 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Razlicite vrednosti eksponenta spekularne refleksije

Koeficijent spekularne refleksije ide od nekoliko stotina do 1

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 14 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Primer doprinosa osvetljenosti svake od komponenti

(a) Ambijentalna komponenta, (b) Difuzna komponenta, (c) Spekularnakomponenta (d) Suma sve tri komponente

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 15 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli osvetljenja

Blin-Fongov model osvetljenja

Varijanta Fongovog modela osvetljenja sa izmenjenom spekularnomkomponentomKoristi polovinu ugla između pravca posmatranja i pravca svetlaumesto ugla između pravca reflektovane svetlosti i pravca posmatranjaIspec = Ipks(N · H)s

H je vektor koji polovi ugao između vektora V i L

H = L+V|L+V |

Efikasniji od Fongovog modela u slucaju kada su posmatrac i izvorsvetla dovoljno daleko

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 16 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli sencenja

Ravansko (konstantno) sencenje

Ne isplati se primenjivati model osvetljenja na svaku pojedinacnutacku koja je vidljiva

Ravansko sencenje – vrednost intenziteta svetlosti izracunata za jednutacku koristi se za sencenje kompletnog poligona

Ovaj model je primenljiv ako je:

izvor svetla beskonacno daleka tacka (vrednost L · N je konstantna zasve tacke poligona)tacka posmatranja beskonacno daleka tacka (vrednost V · N jekonstantna za sve tacke poligona)poligoni odgovaraju stvarnom objektu

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 17 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli sencenja

Interpolirano (Guroovo) sencenje

Interpolirano (Guroovo) sencenje – za svaku tacku poligona vrednostintenziteta svetlosti dobija se linearnom interpolacijom vrednosti utemenima

Dobijena slika je realisticnija od one dobijene konstantnim sencenjem

Linearni prelaz vrednosti atributa u 3D prostoru se ne prevodi ulinearni prelaz na ekranu nakon projekcije

Moderni GPU koristi, umesto linearne interpolacije, perspektivnokorektnu interpolaciju

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 18 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli sencenja

Interpolirano (Guroovo) sencenje (2)

Guroovim sencenjem se mogu propustiti oblasti istaknute spekularnerefleksije jer se vrsi interpolacija vrednosti u temenima umestoracunanja intenziteta u svakoj od tacaka

Na i Nb imaju male spekularne komponente, dok Nc ima veliku kadase pravac gledanja poklapa sa odbojnim zrakom svetlosti

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 19 / 26

Osvetljenje i sencenje Modeli sencenja

Fongovo sencenje

Fongovo sencenje – za svaku tacku poligona interpolacijom se racunavektor normale i vrednost intenziteta svetlosti dobija se na osnovuFongovog modela osvetljenja

Daje veoma dobre rezultate za oble i glatke objekte; racunski jezahtevnija od prethodne dve metode

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 20 / 26

Osvetljenje i sencenje Algoritmi za senke

Senke

Senke cine slike realisticnijim

Za razliku od algoritama za vidljivost koji određuju koji se delovipovrsi mogu videti iz tacke posmatranja, algoritmi za senke određujukoji se delovi povrsi mogu videti iz izvora svetla

Oni delovi povrsi koji se ne vide iz izvora svetla su u senci

Vidljivost iz tackastog izvora svetla je, kao i vidljivost iz tackeposmatranja: sve ili nista

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 21 / 26

Osvetljenje i sencenje Transparentnost

Transparentnost

Neki objekti/materijali propustaju deo svetlosti

Obicno se ta svetlost prelama, ali mi cemo to zanemariti

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 22 / 26

Osvetljenje i sencenje Transparentnost

Modeli transparentnosti koji ne razmatraju prelamanje

Interpolirana transparentnost – neka je poligon P1 transparentan ineka se nalazi ispred neprozirnog poligona P2

Iλ = (1− kt1)I ′λ + kt1 I′′λ

I ′λ je intenzitet svetlosti za poligon P1, a I ′′λ za poligon P2

kt1 je koeficijent transmisije za poligon P1 (mera transparentnosti)

Filtrirana transparentnost – poligon se tretira kao filter koji selektivnopropusta razlicite talasne duzineIλ = I ′λ + kt1OtλI

′′λ

Otλ je boja transparencije poligona P1 (moze biti posebno zadavana zasvaku vrednost λ)

Ako se jos neki transparentni poligoni nalaze ispred ovih poligona,onda se izracunavanje rekurzivno poziva za poligone u redosledu odnajudaljenijeg ka najblizem

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 23 / 26

Osvetljenje i sencenje Međuobjektne refleksije i globalno osvetljenje

Međuobjektne refleksije

Međuobjektne refleksije se javljaju kada se na povrsini objektareflektuju druge povrsine u okruzenju

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 24 / 26

Osvetljenje i sencenje Međuobjektne refleksije i globalno osvetljenje

Globalno osvetljenje

Direktno osvetljenje – podrazumeva svetlost koja dolazi direktno izizvora svetla do tacke koja se senci

Indirektno osvetljenje – podrazumeva svetlost koja dolazi do tackenakon reflektovanja i transmisije kroz razne povrsi

Kombinovanjem ova dva osvetljenja, dobija se globalno osvetljenjekoje uzima u obzir interakciju svetlosti sa svih povrsi na sceni

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 25 / 26

Osvetljenje i sencenje Međuobjektne refleksije i globalno osvetljenje

Rekurzivni rej trejsing

Vesna Marinkovic Racunarska grafika Osvetljenje i sencenje 26 / 26