2D-3D számítógépes grafika BME Építészmérnöki Kar Építészeti Ábrázolás Tanszék Előadó: Batta Imre Árnyalások 1. rész

Árnyalási módok 2 Árnyalás visszaverődés számítás nélkül Árnyalás visszaverődés számítással 2 2

Árnyalási módok

Visszaverődések Tükrös Diffúz Irányított Spekuláris

Fénymodellek Ambiens Diffúz Spekuláris + Diffúz Ambiens + Spekuláris + Diffúz

6 Árnyalások - 1 Poligon árnyalások 6

Poligon árnyalás család Első eljárás Nincs visszaverődés számítás Pontatlan árnyékvetés Puha árnyékok Egyszeres átlátszóság Gyors (OpenGL, DirectX)

Számítógépes képalkotás - 1 Rajzelem KR ➔ Világ KR Lapokra bontás Eltolás 1 2 3

Számítógépes képalkotás - 2 Forgatás Anizotróp átméretezés Projektív TR 6 4 5

Számítógépes képalkotás - 3 Hátsólap eltávolítás Vágás Z koordináták elhagyása 7 8 9

Gouraud és Phong árnyalások

Poligon árnyalás család Drótvázas (Wireframe) Dróthálós (Wiremesh) Takart vonalas (Hidden line) Konstans (Flat, Constant) Gouraud (Smooth) Phong

Poligon árnyalás család Drótháló: raszterizált vektoros kép Színes drótháló Takartvonalas árnyalás Konstans árnyalás Gouraud árnyalás – diffúz visszaverődés Phong árnyalás, spekuláris visszaverődés © 1990 Pixar

Poligon árnyalás család Mélységjelzés Takartvonalas ambiens fénnyel Íves felületek – spekuláris visszaverődés Fényforrások a modelltérben Textúra leképzés Áthelyező leképzés (displacement mapping) Visszatükrőződés leképzés © 1990 Pixar

+ = + = Z-buffer Z buffers also give us a nice way of doing shadows 5 5 + = 5 5 Z buffers also give us a nice way of doing shadows The z buffer is a way of determining what is visible to the camera For shadows, we need a way of determining what is visible to the light source 8 7 6 5 4 3 + = 8 7 6 5 4 3

Z-buffer: Distance Cueing Látótér Sűrűség=1 Distance Cue: pszichológiai fogalom, jelentése távolságjelző, mélységérzékelő mozzanat. Distance Cueing Z-buffert használó eljárás, amely a távolsággal arányosan csökkenti a pixelek világosságát, illetve módosítja a színüket. Near Distance: kezdő távolság. Near Density: a moduláció kezdő értéke a kezdő távolságnál. Far Density: a moduláció teljes értéke a hátsó vágósíknál. Far density Első vágósík Near distance Hátsóvágósík Kamera Near density Sűrűség=0 Távolság - sűrűség Nincs Depth Cueing Fog Cueing

Z-buffer: átlátszóság X,Y 2 1 Z Kamera

Z-buffer: Phong Shadow Map Árnyékszámítás két képpel, három lépésben: 1. (V) kamerakép: felvétel a kamera nézőpontjából, Z-buffer tárolja a pixelek mélységét; 2. (S) árnyékkép: felvétel a fényforrás nézőpontjából, Z-buffer tárolja a pixelek mélységét; 3. kamerakép transzformációja az árnyékkép koordináta-rendszerébe. A két Z-buffer összevetése: ha Pv > Ps, akkor Pv pixelt Ps pixel takarja, tehát Pv pixel árnyékban van, színét a fényforrás nem módosítja. Ha Pv < Ps, akkor Pv pixel megvilágított, színét a fényforrás módosítja. We require a second z-buffer, called a shadow z-buffer Two step algorithm: scene is ‘rendered’ from the light source as viewpoint, with depth information stored in the shadow z-buffer (no need to calculate intensities) scene is rendered from the camera position, using Gouraud or Phong shading with a z-buffer algorithm ... but we need to adjust colour if point is in shadow To determine if point is in shadow: take its position (xO, yO, zO) in the camera view, and transform it into the corresponding position (xO’, yO’, zO’) in the light source view look up the z value, say zL , in the shadow z-buffer at the position (xO’, yO’) if zL is closer to the light than zO’, this means some object is nearer the light and therefore the point is in shadow... in this case only the ambient reflection would be shown at that point

Képhibák

Képhibák javítása előszűréssel Mip Mapping (Multi In Parvo – Sok a kicsiben) eljárás a textúra-képekből különböző felbontású változatot készít, hogy a textúra részletessége a változó 3D-s geometria állandó felbontású mintavételezéséhez igazodhasson. Így például a perspektivikusan rövidülő kőfal közeli képén a nagyfelbontású változat, a távoli képén a kisfelbontású változat szolgáltatja a textúra-képet. 21 21

22 Árnyalások - 1 Ray trace árnyalás 22

Csúcsfény, tükröződés, átlátszóság Éles vetett árnyékok Raytrace árnyalás Arthur Appel, 1968 Nézetfüggő eljárás Nincs többszörös visszaverődés számítás, (a hiányzó derítést az un. ambiens fény pótolja) Csúcsfény, tükröződés, átlátszóság Éles vetett árnyékok Kiegészítő eljárások: Anti-aliasing képjavítás (SuperSampling) Környezeti kép (Environment Map) Különleges fényforrások a többszörös visszaverődés pótlására, az árnyék élesség csökkentésére (Sky Light, Ground reflection)

Raytrace árnyalás Pixel (r) Fényforrás Visszaverődési centrum Ablak Ss Sr Se Pixel (a) St Pixel (t) Pixel (p) Geometria

Raytrace árnyalás A szempontból kiinduló, a képpontokon átmenő elsődleges sugarak soronként, pixelről-pixelre haladva letapogatják a geometriát. A mintavételi pontokban kapott RGB értékek összeadódnak a másodlagosan indított sugarakkal (árnyék, tükör, átlátszóság) kapott RGB értékekkel. Sugarak Se elsődleges sugár (szemponttól a felületig) Ss árnyéksugarak (felülettől a fényforrásokig) Sr tükör sugár (felülettől a tükröződő felületig), majd onnan tovább, ha az is tükröződő… St átlátszóság sugár (felülettől a mögötte levő felületig), majd onnan tovább, ha az is átlátszó…

Visszatükrözési szintek O szint 1 szint 2 szint 3 szint 4 szint 5 szint Alan Watt: 3D Computer Graphics

Képhibák javítása túlmintavételezéssel SuperSamping (Szupermintavételezés) eljárás lokálisan megnöveli a mintavételi helyek számát, a pixelkép mérete (felbontása) nem változik. . Ha mintavételi gyakoriság (felbontás) elégtelen – lásd a felső sort -, az eljárás mintavételek számát lokálisan megnöveli, majd az eredményt átlagolja, - lásd az alsó sort. Az eljárás adaptív (alkalmazkodó): akkor indul el, ha a szomszédos pixelek világosság- vagy színkülönbsége meghaladja a felhasználó által beállított küszöbértéket.

Képhibák javítása zajjal: jittering Túlmintavételezés jittering nélkül Szürkefokozat szám csökkentés (kvantálás) zaj nélkül és előkevert zajjal: Mintakép 64 szürkefokozattal, 4 szürkefokozatra kvantált kép, Zajjal kevert 64 szürkefokozat, 4 szürkefokozatra kvantált zajos kép. Túlmintavételezés jitteringel 28 28

Environment Map Environment map, környezeti kép a raytrace árnyaláshoz kifejlesztett eljárás, amellyel a visszatükröződő és átlátszó felületek realizmusa növelhető, és világításra (derítésre) is alkalmas. A környezeti kép 3D-s modellt befoglaló doboz lapjaira feszített pixelképek, amelyeket az elsődleges sugarak nem, csak a másodlagos sugarak (tükröződés és átlátszóság) „látnak”. Így a környezeti kép(ek) háttérként csak az átlátszó felületek mögött, és visszatükröződő felületeken visszatükröződésként jelennek meg.

Environment Map

31 Árnyalások - 1 Fényforrások 31

Ambiens takarás Az ambiens takarás pszeudó megvilágítás, amelynek mértékét az határozza meg, hogy a legközelebbi felület mennyire takarja. Pontosabban a felület mért pontjára emelt félgömben másik felület hol helyezkedik el. A közel eső felület csökkenti a megvilágítottságot. Az ambiens takarás használható közvetlenül, és kiegészítésként a többszörös visszaverődés számítás lerövídítésére.

Reflektor (Spot Light)

Párhuzamos fény (Distant Light, Directional Light)

A távoli fény párhuzamos fénysugarakat bocsát ki egy irányban. A fénysűrűség nem csökken a távolsággal. A fény iránya meghatározható: a) a modelltérben két adatponttal (irányvektorral), vagy… b) párbeszédablakban (mint napfény) a földrajzi hellyel és az időponttal az általános koordináta-rendszer origóján keresztül forgatva. (Északi irány az y tengely)

Területfény (Area Light)

Égbolt fény (Sky Light) Égbolt fény (Nishita, Nakamae, 1983) CIE tiszta égbolt fénysűrűség eloszlás CIE felhős égbolt fénysűrűség eloszlás CIE felhős égbolt fénysűrűség eloszlás

Égbolt fény (Sky Light) Direct sunlight Uniform skylight Overcast sky Clear sky Clear sky incl. direct sunlight

IES és Eulumdat fájlformátum IES Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information 1. IESNA91 2. [TEST] Simple intensity distribution 3. [MANUFAC] Lightscape Technologies, Inc. 4. TILT=NONE 5. 1 6. -1 7. 1 8. 8 9. 1 10. 1 11. 2 12. 0.0 0.0 0.0 13. 1.0 1.0 0.0 14. 0.0 5.0 10.0 20.0 30.0 45.0 65.0 90.0 1. IESNA91 2. [TEST] Simple intensity distribution 3. [Gyártó] 4. TILT=NONE 5. 1 6. -1 7. Szorzótényező 8. Vízszintes szög 9. Függőleges szög 10. 1 11. Nyílás mértékegység: 1 láb, 2 méter. 12. Nyílás szélessg, hossz, magasság 13. 1.0 1.0 0.0 14. 0.0 5.0 10.0 20.0 30.0 45.0 65.0 90.0 IESNA91 [Test] A vizsgálati jelentés száma adatok [Gyártó] a gyártó a lámpatest TILT = NONE 1 A kezdeti eddig lumen használt lámpa a vizsgálat vagy -1, ha az abszolút fotometriai használják, és az intenzitás nem függ a különböző lámpák értékelés. A szorzót minden candela érték a fájlban. Ez lehetővé teszi, hogy könnyedén bővíthetők a candela érték a fájl, ha a mérő készülék működik szokatlan egység-például, ha megkapja a fotometriai értékeket le a katalógus segítségével egy vonalzót a goniometric rajz. Normális esetben a szorzótényező 1 lehet. Számát függőleges szög a fotometriai interneten. A több, horizontális szög a fotometriai interneten. Egység típusától mérésére használt méretei világító nyílás. Használja az 1 láb vagy a 2 métert. A szélessége, hossza és magassága a világító nyílás. Jelenleg Lightscape figyelmen kívül hagyja ezeket a dimenziókat, mert szabadon társulhatnak egy adott fényerősség-eloszlási bármelyik lámpatest geometriai szervezetek által támogatott Lightscape. Ez általában adják 0 0 0. 1.0 1.0 0.0 A szett a függőleges szögek, növekvő sorrendben kell felsorolni. Ha az elosztó rejlik teljesen az alsó félgömbön, az első és az utolsó szögeket kell 0 fok és 90 fok, ill. Ha az értékesítési fekszik teljesen a felső félgömbön, az első és az utolsó szögeket kell 90 fok és 180 fok, ill. Egyébként ezeket kell 0 fok és 180 fok, ill. A szett a vízszintes szög, növekvő sorrendben kell felsorolni. Az első szög 0 fok. Az utolsó szög határozza meg a mértékét oldalirányú szimmetriája által megjelenített intenzitás eloszlása. Ha ez 0 fok, az eloszlás szimmetrikus axiálisan. Ha ez 90 fok, az eloszlás szimmetrikus minden negyedében. Ha 180 fok, az eloszlás szimmetrikus függőleges síkban. Ha ez nagyobb, mint 180 fok, és kisebb vagy egyenlő, mint 360 fok, a forgalmazás nem látható oldalsó szimmetriák. Minden más érték érvénytelen. A szett a candela érték. Először a candela értékkel, az első vízszintes szög vannak felsorolva, kezdve a megfelelő értéket a legkisebb függőleges szöge, és halad felfelé a kapcsolódó függőleges sík. Ezután a candela értékkel áthaladó függőleges sík a második vízszintes szög vannak felsorolva, és így tovább, amíg az utolsó vízszintes szög. Minden függőleges szelet értékeket kell kezdeni egy új sorba. Hosszú sorok között eltört értékeket szükséges utasításnak megfelelően korábban

Árnyalások - 1 © Batta Imre, 2010 www.epab.bme.hu -1,5