BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 0 2D-3D számítógépes grafika BME Építészmérnöki Kar Építészeti Ábrázolás Tanszék Előadó: Batta Imre Árnyalások.

Az előadások a következő témára: "BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 0 2D-3D számítógépes grafika BME Építészmérnöki Kar Építészeti Ábrázolás Tanszék Előadó: Batta Imre Árnyalások."— Előadás másolata:

1 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 0 2D-3D számítógépes grafika BME Építészmérnöki Kar Építészeti Ábrázolás Tanszék Előadó: Batta Imre Árnyalások 2. rész

2 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 1 Árnyalási módok Phong

3 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 2 2 Árnyalások - 2 Radiosity árnyalás

4 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 3 Radiosity árnyalás Cohen, Chen, Wallace, Greenberg: Acélmalom, 1988. (Modell: Feldman)

5 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 4 Radiosity árnyalás A Radiosity árnyalás két részből álló eljárás: 1. rész: radiosity megoldás Az első rész a felületeket kisméretű foltokra osztja, majd kiszámolja foltokon felhalmozódó fénymennyiséget (radiozitást), amelyet a többszörös visszaverődéssel a foltok egymásnak átadnak. A számítás eredménye a felületeket felosztó háromszögek csúcspontjain felhalmozódó megvilágítottság értékek. A megoldás (Solution) nézetfüggetlen, ezért elmenthető a második rész számára. 2. rész: raytrace árnyalás A második rész Raytrace vagy Gouraud árnyalással adott nézőpontból megjeleníti a megvilágítottság értékeket. Wallace, Elmquist, Haines: Chartres katedrális, Computer Graphics, 1989

6 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 5 Radiosity árnyalás A radiosity árnyalás képességei a következők: A radiosity számítás (1. rész) csak a diffúz (minden irányban egyforma erőséggel visszaverődő szórt ) fényekkel számol, az erősen visszatükröződő felületek, és a nézetfüggő spekuláris fények (csúcsfény) számítása Raytrace árnyalással (2. rész) történik. A diffúz fények többszörös visszaverődése: puha árnyékok, derített felületek, színvisszaverődés. Irányított fényvisszaverődések nem jeleníthetők meg. Raytrace árnyalással készült kép (Graphisoft, Artlantis) Radiosity árnyalással készült kép (Graphisoft, Artlantis)

7 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 6 Radiosity árnyalás A radiosity eljárás (Goral 1984) azon az egyszerűsítésen alapul, hogy a felületek csak szórt fény sugároznak szét. Eszerint a többszörös visszaverődés számításban részt vevő felületeknek lehet saját fénykibocsátásuk, ezek a fényforrások, és lehet diffúz visszaverődésük. Ez utóbbi esetben a felületek a beeső fényt meghatározott hányadát elnyelik, átengedik vagy visszaverik. A saját és a visszavert sugárzás összeadódik, mennyiségének kifejezése a radiozitással történik. A radiozitás egységnyi felületről egységnyi idő alatt a félgömb alakú féltérbe szétsugárzott fényenergia fajlagos mennyisége, mértékegysége Watt/egységnyi idő/m 2. A radiozitás számítása tehát nem a felületre érkező, hanem a felületről visszaverődő fény (és a saját sugárzás) mennyiségét határozza meg. Ily módon a kapott eredmény egyszerre lehet a kamera számára leolvasható végeredmény, és kiindulópontja a további visszaverődés számításnak. A radiosity számítás felületről felületre azt a fénymennyiséget követi, amelyet F0 fényforrás, mely maga is felület, átad F1 felületnek, F1 felület részben elnyel, részben továbbad F2 felületnek, F2 felület részben elnyel, továbbad F3 felületnek, és így tovább. Miközben F1 felület megvilágításához hozzájárul az F2 és F3 felületektől kapott sugárzás is, és így tovább. A felületek önmagukra sugárzott radiozitása = 0. Figyelemmel arra, hogy a felületek megvilágítottsága gyorsan változhat, a számításhoz a felületeket minél kisebb területegységekre kell felosztani. A radiosity számításnál a területegység elnevezése folt, angolul Patch.

8 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 7 Radiosity számítás ahol: E i a fogadó i folt már felhalmozott radiozitása. Az expozició pillanatában csak a fényforrások rendelkeznek saját radiozítással, ekkor még E i = 0. A számítás végén a felhalmozott radiozitást rögzíti a kamera. ρ i a fogadó i folt diffúz visszaverődési tényezője. A diffúz, spekuláris és átlátszóság együtthatók alapján megállapított konstans, amely meghatározza, hogy a felület kapott fénymennyiség hányad részét nyeli el, (átlátszó felületnél engedi tovább,) illetőleg sugározza vissza a félgömb alakú térbe. Nincs mértékegysége, értéke nem lehet nagyobb 1- nél, mert akkor a felület sugárzóvá válna, és a számítás nem tudna leállni. Mivel a visszaverődési tényező hullámhossz függő, a radiosity számítás a három reprezentatív hullámhosszon külön-külön történik. B j a sugárzó j folt teljes felületéről a félgömb alakú térbe sugárzott összes radiozítás. F i-j fényátadási hányados, elnevezése formafaktor (Form Factor), amely meghatározza, hogy B j radiozításból mennyi esik i foltra. E folyamat tetszőleges pillanatában j sugárzó folt viszonylatában i fogadó folt B i radiozítása a következőképpen alakul: Radiosity árnyalás a Lightscape programmal.

9 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 8 Radiosity számítás: formafaktor F j-i F i-j 2 1 AiAi AiAi A formafaktor két folt viszonylatában azokat geometriai tényezőket foglalja össze, amelyek meghatározzák, hogy sugárzó j folt (egy pontjából a félgömb alakú térbe sugárzott) B j radiozitásából mennyi esik i foltra. A hányados a két folt méretétől, távolságától, az egymáshoz viszonyított elfordulásuktól és a közbeékelődő más foltoktól függ. Azaz Ahol A i és A j a fogadó és a sugárzó folt területe. A j cos θ i A i cos θ j a két folt egymás irányából látható vetületi területe. r a két folt egymástól való távolsága. H j-i láthatósági indikátor, amely 1 értéket vesz fel, ha a két folt látja egymást, illetve 0 értéket, ha a két foltot valami eltakarja egymás elől. A radiosity egyenlet a fogadó i folt radiozitásának megállapítására irányul, ezért a forma faktort célszerűen a i folt szempontjából kell megállapítani. Mivel F j-i A j =F i-j A i, ezért i – j viszonylatban a forma faktor

10 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 9 Egyszerűsítések: adaptív továbbosztás Minél kisebb a folt területe, annál pontosabb lesz a többszörös visszaverődés számítás, viszont a foltszám növekedése meghatványozza a számítási időt. Az egyszerűsítő felület-felosztó rendszer két lépcsőre tagolódik, foltokra (Patch) és elemi területekre. Folt a radiosity számítás alapegysége, fogadják a területükre érkező fényenergiát, és tovább sugározzák a foltok továbbosztásával létrehozott elemi területek irányába. A folt méretét a felhasználó határozza meg. Elemi terület rendeltetése kettős, egyrészt a csúcspontjain mért radiozitás a megjelenítés kiindulópontja, másrészt a folt által továbbsugárzott fényenergia az elemi területeken felhalmozódó radiozitás összesítése alapján történik. Ily módón felosztás anélkül finomítható, hogy a folt-folt viszonylatok száma meghatványozódna. Az elemi terület felosztása adaptív, ha a csúcspontokon mért radiozitás különbsége küszöbérték fölé emelkedik, (pl. az árnyékhatáron,) az elemi területek alterületekre osztódnak. Mivel azonban a folt területén a radiozitás állandó, az adaptív továbbosztás magától nem indul el, ezért az elemi területek kiinduló méretét a felhasználónak kell megadnia. A továbbosztás mértékét további két paraméter szabályozza: az egyik az osztások száma, (az alterületek négyesével létesülnek), a másik a megvilágítási különbség küszöb, amely továbbosztást elindítja, illetve leállítja. MeshPatchElementSub-element 1. lövés2. lövés A radiosity számítás az elemi terület csúcspontjain mért megvilágítás értéket átlagolja. A folthoz tartozó elemi területek (átlagolt) értékét ismét átlagolja, majd szétsugározza a foltról látható foltok elemi területei felé. Területfelosztó paraméterek: (1) Max. Patch Area: a folt legnagyobb megengedett területe, (2) Max. Element Area: elemi terület legnagyobb megengedett mérete, (3) Max. Element Subdivision: továbbosztási szám, egy továbbosztás 4 alterületet eredményez, (4) Subdivision Contrast Threshold: továbbosztó kontraszt küszöb.

11 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 10 Hierarchical Radiosity Autodesk Viz (Lightscape) Hanrahan és társai (1991) Beállítások: Form Factor tolerance Minimum subdivision area

12 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 11 Egyszerűsítések: progresszív finomítás A radiozitás számítás valamennyi folt-folt visszaverődést kiszámítja, s az eredmény a foltok radiozításához lépésről-lépésre hozzáadódik. A tökéletes megoldás valamennyi viszonylat ismétlődő újraszámolását igényelné. Az ilyen számítás idő- és memória igénye óriási, ráadásul a foltok többsége nem is látja egymást, és az átadott fénymennyiség a viszonylatok többségében jelentéktelen. Progresszív finomítás (Progressive Refinement) minden visszaverődési lépésben csak a legfényesebb felületegység radiozitását sugározza (lövi) szét. A szétlövés annyiszor ismétlődik, ameddig a kiinduláskor rendelkezésre álló energia el nem enyészik, vagy a folyamatot két, a felhasználó által beállítható küszöbérték egyike le nem állítja. Ezek a következők: (1) Megvilágítási küszöb (3DMax - Initial Quality; MS - Minimum Illumination Threshold): a feldolgozás leáll, ha a továbbadásra váró ΣΔB radiozítás a megvilágítási küszöb alá kerül. (2) Lépésszám korlát (MS - Limit Number of Shots): a feldolgozás leáll, ha a lépésszám elérte a megadott értéket. Megjegyzés: a lövésszám növelésével, a küszöb csökkentésével a radiosity számítás folytatható. 1. lövés 2. lövés 3. lövés 4. lövés 1. folt2. folt3. folt4. folt5. folt6. folt

13 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 12 Egyszerűsítések: ambiens fénykiegészítés Mivel fényforrások energiája lépésről-lépésre adódik hozzá a felületek megvilágításához, a modell fokozatosan világosodik ki. Ez szükségtelenül megnyújthatja a számítási időt, a fényviszonyok már megfelelőek lennének, de a felvétel még sötét. Ezen segít az Ambiens fénykiegészítés, amely a foltok radiozitásához „ambiens fényt” tesz hozzá. Az „ambiens fény” a visszamaradó (még szét nem sugárzott) fénymennyiség alapján becsült tényező, amelynek értéke lövésenként csökken, és a radiosity számítás befejeztével elenyészik. Mivel az utólag hozzáadott ambiens tényező a radiosity számításban nem vesz rész, a foltok megvilágítottságát a ρ visszaverődési tényezőtől függő mértékben de egyöntetűen növeli, az árnyalás kontrasztját csökkenti. Vö. az első és az utolsó képet. Cohen, Chen, Wallace, Greenberg: Iroda, 1988. (Modell: Howie, Chen, ) 1 iteráció 2 iteráció 24 iteráció 100 iteráció

14 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 13 Radiosity: anyagbeállítások A Phong/raytrace és a Radiosity/PT árnyalásokhoz használt anyagbeállítások visszaverődés értékei különbözőek kell hogy legyenek. Radosity /PT árnyalásnál: Ha diffúz, spekuláris és a átlátszósági tényező értéke > 1, az anyag sugárzóvá válik. A két részből álló radiosity árnyalás lehetővé teszi, hogy a számítási idő csökkentése érdekében a felületek… (a) csak fogadják a visszaverődéssel rájuk eső fényt, de ne sugározzák tovább, vagy (b) kimaradjanak a radiosity számításból. A megjelenítés közvetlenül raytrace árnyalással történik. Beállítási lehetőségek: Ki / be kapcsoló az anyagbeállításoknál. Fogadás ki / be / mindig kapcsoló a visszaverődés fogadáshoz. Visszaverődés ki / be / mindig kapcsoló a visszaverődéshez. 50%20%Fa (furnér) 70%20%Kő(lap) 80%20%Műanyag 70%30%Papír 80%30%Festés 90%30%Fém 50%20%Tégla 70%20%Szövet 70%20%Kerámia MaximumMinimumAnyag Ajánlott reflektancia

15 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 14 Geometriai hibák korrekciója A radiosity árnyalásnál kerülendők a testek és síkok áthatása, a T alakú csatlakozások és az egymáshoz illeszkedő felületek közötti rések. Ha ugyanis foltok illetve az elemi területek a metszésvonalon áthúzódnak, vagy a csatlakozó felületek esetében a foltok találkozása pontatlan, a takaratlan folt-élek megvilágítást kapnak, a fények az árnyékos oldalon is megjelennek, vagy átszűrődnek, mint a fény a küszöb alatt. MS-nél a shootinterior szövegparanccsal előírható, hogy a foltok csúcspontjait behúzza a felületek széléről. A területfelosztás zsugorított felületekkel számol, ezért a behúzás mértékegysége az elsődleges felosztás (mesh) átfogója. Az alapbeállítás 0.0002 % általában elegendő. VIZ-nél az összetartozó csatlakozó – de nem egybevágó - lapélek (Face Edge) „összehegeszthetők”. A területfelosztás egynek számolja azokat a csúcspontokat, amelyeknek egymástól való távolsága az előírt tűrésnél (Weld Threshold) kisebb. Az alapbeállítás 0.005m általában megfelelő. Területfelosztás behúzás nélkül és behúzással.

16 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 15 Árnyalások - 2 Particle trace árnyalás Szerző: Henrik Wann Jensen

17 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 16 Particle Trace árnyalás A Particle Trace (részecske követő) árnyalás (továbbiakban PT árnyalás) két részből álló eljárás. 1. rész: a fényforrásokból szétsugárzott, a felületeken többszörösen visszaverődő egységnyi fényrészecskék (Particle) követésével (Trace) kiszámítja a felületek megvilágítottságát. A számítás nézetfüggetlen, eredménye a felületeket felosztó háromszögek csúcspontjain felhalmozódó megvilágítottság értékek. 2. rész: raytrace vagy Gouraud árnyalással adott nézőpontból megjeleníti a megvilágítottság értékeket.

18 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 17 Particle Trace árnyalás Elnevezések: Particle Trace, Photon Mapping. Képességek: A radiosity árnyalás csak a diffúz visszaverődést számítja, a PT árnyalás az irányított fényeket is. - Diffúz fények többszörös visszaverődése: puha árnyékok, derített felületek, színvisszaverődés. - Összegyűjtött fények visszaverődése: tükröződő felületek, pl. tükör, fémfelületek által irányított fényvisszaverődés, fókuszálás, kausztika. - Felszín alóli visszaverődés (diffúz & irányított - subsurface light scattering) Shirely, Zareski

19 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 18 Kausztika Kausztika (görög καυστός, égetett, latin causticus, égető): optikai jelenség, sajátos rajzolatú fénykoszorú, amelyet görbült felületekről (testekről) visszaverődő, ill. felületeken megtört fénynyaláb alkot. Ha felület gömb, a rajzolat a felfogó felület állásától függő kúpszelet fajta: pont, kör, ellipszis, parabola, hiperbola. Ha a felület henger, a rajzolat vese alakú szabályos görbe, un. nefroid (Proctor, 1878). Henrik Wann JensenWikipedia

20 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 19 Kausztika (Caustic)

21 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 20 PT árnyalás részei

22 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 21 PT árnyalás részei 1.1 Particle Trace A fényforrásokból szétszórt egységnyi fénymennyiségek többszörös visszaverődés, átbocsátás vagy elnyelődés után a felületeken mint ütközési felhalmozódnak. Az ütközési pontokat (Hit Points) külön fájl tartalmazza. A visszaverődés, fényátbocsátás és elnyelődés a felületekhez rendelt anyagjellemzők (alapszín, textúra, visszaverődés stb) szerint történik. 1.2 Density Estimation A sűrűségbecslés (Density Estimation) statisztikai eljárással a szórványos ütközési pontok eloszlásából kiszámítható a felületek megvilágítottsága. 1.3 Meshing A sűrűség becsléssel kapott adatmennyiség az egyenletesen megvilágított felületeken tovább csökkenthető. 2.0 Ray-trace / Gouraud shading A megvilágítottság adatok megjeleníthetők a sugárkövető (Raytrace) vagy színinterpoláló (Gouraud) árnyalással.

23 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 22 Sűrűségbecslés (Density Estimation) A sűrűségbecslés (Density Estimation)* az ütközési pontokra illesztett harang alakú függvényekkel történik. Ilyen függvény pl. a 2D-s Epanecsnyikov kernel függvény. Ha kevés az ütközési pontok száma és a harang széles, a PT eljárással készült pontatlan lesz. Ha kevés az ütközési pontok száma, de a harang függvény szűk, a PT eljárással készült kép foltos (zajos) lesz. Ha megfelelő az ütközési pontok száma, és a harang függvény szűk, a PT eljárással készült kép valósághű lesz. *Az eljárás csak hasonlít a mintavétellel rögzített jel rekonstruálásához. Shirley, Greenberg: Global Illumination, ACM TG, 1987.

24 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 23 Sűrűségbecslés (Density Estimation) A harangfüggvény szélességét a szakirodalom sávszélességnek (Bandwidth) nevezi. A sávszélességgel a statisztikai eltérés és a szórás között választhatunk. Megjegyzések: Az ütközési pontok száma a megadott részecske számtól függ (Use # million Particle). A harangszélessége külön állítható (Meshing Smoothness). Mivel a részecske szám nem növelhető korlátlanul, célszerű a sávszélességet a még elfogadható értékre állítani. Shirley, Greenberg: Global Illumination, ACM TG, 1987.

25 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 24 Decimálás (Decimation) A sűrűség becslés eredménye háromszögekből alkotott megvilágítási háló. Az egyenletesen megvilágított felületeken a háló felbontása a szükségesnél nagyobb. A decimálás csökkenti a háló felbontását, így a PT megoldás fájlmérete kisebb, és gyorsabban megjeleníthető. A decimálás hátránya: a hirtelen változások a felületek megvilágítottságában pl. árnyékhatár nem lesznek élesek. Beállítható a decimálási határérték, amely alatt a háló nem osztódik tovább. A határérték köthető két szomszédos terület legnagyobb megengedett fényerőkülönbségéhez (Mesh Detail), és/vagy a megengedett legkisebb területhez (Minimum Mesh Spacing).

26 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 25 Decimálás

27 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 26 MicroStation: PT fájlműveletek Fájlműveletek - Action – Create New Solution (Új megoldás) – Add more particle and redo mesh (Több részecske és a háló újraszámítása) – Redo meshing only (Háló újraszámítása) – Display current solution (PT megoldás megjelenítése) – Continue after Reset (Folytatás) – Load Solution (Megoldás betöltése) – Save Solution (Megoldás elmentése) – Clear Solution (Megoldás törlése a memóriából) – Delete All Particle Tracing Files (PT segédfájlok törlése) Use Alternate Workfile (Megoldás mentése / betöltése más néven)

28 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 27 MicroStation: PT beállítások PT beállítások – Particle, Meshing – Use # Million Particle (Részecske szám) – Maximum Bounces (Visszaverődések száma) – Visible Surface Only (PT megoldás számítása az adott nézőpontból látható felületekre korlátózódik) – Smoothness (Simaság – zajosság, lásd Density Estimation harang függvény szélessége) – Mesh Detail (Megvilágítási háló egyszerűsítése, lásd Decimation) – Minimum Mesh Detail (Megvilágítási háló legkisebb területe)

29 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 28 MicroStation: PT egyszerűsítések A számítási idő csökkentése érdekében a következő egyszerűsítések alkalmazhatók: – Illuminate Both Sides of Surfaces (Off: csak a felület egyik oldala vesz részt a számításban) – RayTrace Direct Illumination (Raytrace közvetlen megvilágítás) – Material Receives Light: If global illumination on / off. (A felület csak kap megvilágítást, ha azt anyagtulajdonság beállításoknál engedélyezzük, vagy nem emgedélyezzük) – Material Reflects Light: If global illumination on / off. (A felület csak vesz részt a fényvisszaverődés számításban, ha azt anyagtulajdonság beállításoknál engedélyezzük, vagy nem engedélyezzük) – Visible Surface (PT számítás csak az adott nézőpontból látható felületekre terjed ki)

30 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 29 Árnyalások - 2 Textúra leképzés

31 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 30 Texture Mapping u v 1 10,0 x y 1 1 x y 1 1 u,v textúra koordináta-rendszer x,y,z rajzelem koordináta-rendszer x,y kép koordináta-rendszer

32 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 31 Vetítési módok Sík Planar Kocka Cubic Hengeres Cylindrical Gömbi Spherical Paul Bourke (http://astronomy.swin.edu.au/~pbourke/texture/texturemapping/index.html)

33 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 32 Bump map Bucka kép (Bump Mapping): kép (szürkefokozatok) alapján perturbálja a felületelemek normálisát, s ezzel a megvilágításszámításhoz elforgatja a felületelemeket. Előny: nincs szükség részletező (bonyolult) geometriára. Hátrány: testkonturnál a textúra az eredeti geometriát követi. Újabb technológia displacement map.

34 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 33 Displacement map Pharr, Hanrahan: Geometry Caching for Ray-Tracing Displacement Maps. Dufort, Leblanc, Poulin: Interactive Rendering of Meso-structure Surface Details using Semi- transparent 3D Textures.

35 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 34 Transparency / Cutout Map

36 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 35 Subsurface light scattering Felszín alóli visszaverődés (Subsurface light scattering) a többrétegű felületek optikai jellemzője. A biológiai szövetek és szerves anyagok (emberi bőr, levél, tej, vaj), egyes nem-vezető anyagok (viasz, szappan, márvány, jadeit,) műanyagok, áttetsző folyadékok stb. a ráeső fényt egyszerre irányítottan és véletlenszerűen szórtan verik vissza. Szerző: Henrik Wann Jensen Buckakép (Bump map)

37 BMEEPAG0202 CAD és építészinformatika / 2008 36 © Batta Imre, 2008 -1,5 www.star.bme.hu