1 4.7. Árnyalás – a felületi pontok színe A tárgyak felületi pontjainak színezése A fényviszonyok szerint.

Az előadások a következő témára: "1 4.7. Árnyalás – a felületi pontok színe A tárgyak felületi pontjainak színezése A fényviszonyok szerint."— Előadás másolata:

1 1 4.7. Árnyalás – a felületi pontok színe A tárgyak felületi pontjainak színezése A fényviszonyok szerint

2 2 árnyalás - megvilágítás Előzmények: egy-egy képpontban: mi látszik Árnyalás: C(u,v) := {r, g, b} helyüktől, állásuktól, anyaguktól, és fényviszonyoktól függően Megvilágítási modell ( illumination model ): a fényviszonyok fizikai-matematikai modellje

3 33 Összefoglalva Lokális megvilágítási modellünkben (egyszerűsítések!) a képernyő egy pontjában látott szín: a fény visszaverődése szemünkbe C(u,v) =  L [ I L r (u,v) ] + I a r (u,v) =  L [ I L dr (u,v) + I L rs (u,v) ] + I a r (u,v) =...

4 44 Az árnyalás kiinduló adatai Adatszerkezet: testek – lapok – csúcspontok A képernyő minden (u,v) képpontjában ismert: - F[u,v]; melyik lap látszik ott (mutató a listára), - Z[u,v]: a látott pont (x,y,z) koordinátája A sokszög (poligon) adatcella: A, B, C (, …) csúcspontok n; illetve: n A, n B, n C normális (a,b,c,d): a sík-egyenletének együtthatói felületi jellemzők (szín, textúra), befoglaló doboz, rendezés, térfelosztás

5 5 A fény fizikája A fény elektromágneses hullám (útján terjedő energia) A (látható) fény: 380   760 nm (n = 1/ )  760 nm : infravörös (vörös „alatti”)  380 nm: ultraibolya (ibolyán túli) A legtöbb fény: keverék-fény; spektrum: az energia eloszlása szerint

6 6 A fény fizikája A látható színek érzete (majdnem minden színé) előállítható három alapszín keverékével. Modellünk közelítése: minden fényt három összetevő erősségével: cy { r, g, b } vagy { c, m, y }

7 7 Egy felületi pontban … Egy pontban látott fény eredete lehet: fény kibocsátás (emisszió) fény visszaverés (reflexió) fény áteresztés (transzmisszió) (és fény elnyelés)

8 8 Egy felület megvilágítása A felület egy pontjában a megvilágítás erőssége: az időegység alatt, egységnyi felületre eső energia Egy P pontban az L ff -ból nyert megvilágítás: I m L (P) = I L  cos  = I L  ( N 0  L 0 )

9 9 A „tökéletes tükör törvénye” Az ideális fényvisszaverődés törvénye: - (i) „beesési szög = visszaverődési szög”: (N 0  L 0 ) = (N 0  S 0 ) - (ii) N 0, L 0, S 0 egy síkban vannak

10 10 A fénytörés törvénye A Snelius-Descartes törvény...

11 11 A visszavert fény (színe) Beeső = visszavert + elnyelt (energia) A visszavert energia: I v L = k v  I f L ; a k v fvv tényező; 0 < k v < 1; de k v ( ) !! Modellünkben: - az L fényforrás fénye: I f L = { r L, g L, b L } - a felület fvv tényezője: k v = { k v r, k v g, k v b } - a visszavert fény: I v L = { r v L, g v L, b v L }; Számítása: r v L = k v r  r L, g v L = k v g  g L, b v L = k v r  b L

12 12 Megvilágítási modellek Lokális megvilágítási modell: - egy-egy felületi pontban - a többitől függetlenül vizsgáljuk a visszaverődését Globális megvilágítási modell: - egy zárt térrészben vizsgáljuk -az összes fényjelenséget együtt Az utóbbi „drága” (l. pl. Szirmay-Kalos könyve)

13 13 Egy lokális megvilágítási modell - 1 A képernyőn, mint ablakon át nézzük a tárgyakat A szemből egy-egy képponton át: „fordított fénysugarak” Ez döfi az ott látott felület

14 14 Egy lokális megvilágítási modell- 3 A fényforrások fényének visszaverődése - tökéletes tükrös felületen: I r s - tökéletesen matt felületen: I r d - „tökéletlen” felületen: I r d + I r s A környezetben eloszlott (ambiens) fény visszaverődése): I r a A szemünkbe visszavert fény: I r a + ( I r d + I r s ) Egy felület jellemző adatai: k a = {k ar, k ag, k ab } ambiens visszaverési tényező, k d = {k dr, k dg, k db } szórt visszaverési tényező, k s és n: tükrös visszaverési tényező és fényességi kitevő

15 15 A környezetben eloszlott (ambiens) fény Eloszlott (körülvevő, szórt, ambiens) fény (ambiens = körülvevő, környezeti) Ködös napon látható fényforrás nélkül is látunk Feltételezés: minden irányban egyenlő erősségű és egyformán verődik vissza (a szembe is) Visszaverődésének modellje: C ar = k a  I a = {k ar  r a, k ag  g a, k ab  b a } Nélküle: „villanófényes fénykép” Csak vele: a térérzet hiánya

16 16 A fényforrások fényének visszaverődése Nincs „tökéletes felület” Modellünkben: minden felületre kétféle fényvisszaverés: az ff fényének szórt (diffúz) visszaverése, és tükrös (spekuláris) visszaverése (a kettő együtt < mint a beeső fény)

17 17 Szórt (diffúz) fény-visszaverés A „tökéletesen matt” felület minden irányban egyformán veri vissza A felület szórt visszaverési tényezője k d = { k d r, k d g, k d b } I rd (u,v) = k d  I f L = = k d  I L  cos  = = { k d r  r L  cos , k d g  g L  cos , k d b  b L  cos  }; cos  = (N 0  L 0 )

18 18 Tükrös (specular) fény-visszverődés Az L irányból jövő fény legerősebben S irányba verődik vissza, ettől eltérő irányokban fokozatosan csökken. A felület tükrös visszaverési tényezője k s = { k s r, k s g, k s b }; gyakran: k s r = k s g = k s b Az irányfüggő visszaverést cos n  -val modellezve: I r s = k s  I f L  cos n (  ) = k s  I L  cos   cos n (  ) = { k sr  r L  cos   cos n (  ), k sg  g L  cos   cos n (  ) k sb  b L  cos   cos n (  ) }; cos  = (N 0  L 0 ), cos(  )= (E 0  S 0 )

19 19

20 20 Összefoglalva Lokális megvilágítási modellünkben (egyszerűsítések!) a képernyő egy pontjában látott fény (szín): C(u,v) = = I ra (u,v) +  L [ I rd L (u,v) +I rs L (u,v) ] = = k a  I a +  L [ k d  I L  cos(  ) + k s  I L  cos(  )  cos n (  ) ] = = k a  I a +  L [ I L  (N 0  L 0 )  ( k d + k s  (E 0  S 0 ) n ) ] = = { k ar  I ar +  L [ I Lr  (N 0  L 0 )  ( k dr + k sr  (E 0  S 0 ) n ) ], k ag  I ag +  L [ I Lg  (N 0  L 0 )  ( k dg + k sg  (E 0  S 0 ) n ) ], k ab  I ab +  L [ I Lb  (N 0  L 0 )  ( k db + k sb  (E 0  S 0 ) n ) ] }

21 21 Függvény lineáris interpolációja síklapokon Görbült felület közelítése sokszögekkel Számított N i vektor minden csúcsban: a lap-normálisok súlyozott átlaga Gouraud- interpoláció: a csúcsokban számolt szín interpolációja az éleken, és a pásztákon Phong-interpoláció: - az N vektor interpolációja az éleken és a pásztákon, - a szín kiszámítása minden képpontban. - Ez lassabb, de szebb.

22 22 Az élek simítása Felületek közelítése sokszöglapokkal Az éleknél színugrás; látszanak a síklapok! A Gouraoud és Phong árnyalás ezt megszünteti!

23 23 Finomítások… Továbbiak: textúra levegő perspektíva alakos fényforrások globális megvilágítási modell stb.