Realism
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Realism Presentation Transcript

  • 1. Illumination andTexturingIng. Andrés Adolfo Navarro Newball,MSc, PhDSenior Lecturer and ResearcherPontificia Universidad Javeriana, Cali,Colombia
  • 2. Modelo de reflexión Factor básico en como se ve un objeto 3D sombreado.
  • 3. Modelo de iluminaciónDefine la naturaleza de la luz que emana de una fuentePermite que el color de una superficie sea calculadoaproxima el comportamiento de la luz
  • 4. Reflexión de la luz  Luz incidente en una superficie = Luz reflejada + Luz producida + Luz absorbida + Luz transmitida Luz emitida (fluorecencia) Luz incidente Abosorción AReflexión difusa A Reflexión interna Luz transmitida Reflexión especular
  • 5. Modelo de iluminación dePhong Aproximación de primer orden al fotorealismo. Combinación lineal de tres componentes  Ambiente  Difusa  Especular Desventajas Computacionalmente
  • 6. Lighting We approximate lighting as the sum of the ambient, diffuse, and specular components of the light reflected to L1 the eye. L2  Associate scalar parameters kA, kD and kS with the surface. R  Calculate diffuse and specular from each light source separately. N P D O
  • 7. Componente ambiente Iluminación constante de fondo Es una aproximación a la iluminación global. Se modela como una constante.  IaKa Se puede asociar al color del objeto No contiene información de sombreado
  • 8. Lighting revisited—ambient lighting  Ambient light is a flat scalar constant, LA.  The amount of ambient light LA is a parameter of the scene; the way it illuminates a particular surface is a parameter of the surface.  Some surfaces (ex: cotton wool) have high ambient coefficient kA; others (ex: steel tabletop) have low kA.  Lighting intensity for ambient light alone: I A ( P)  k A LA
  • 9. Componente difusa Luz dispersa a través de la superficie Depende de la posición de la fuente de luz relativa a la superficie La luz se refleja igualmente en todas las direcciones
  • 10. Componente difusa  Ii.Kd.cos = Ii.Kd.(L.N) L NIi = Intencidad de la fuente de luz i.Kd = constante difusaDel objetoN= normal en el punto deincidencia
  • 11. Lighting revisited—diffuselighting The diffuse coefficient kD measures how much light scatters off the surface.  Some surfaces (e.g. skin) have high kD, scattering light from many microscopic facets and breaks. Others (e.g. ball bearings) have low kD. Diffuse lighting intensity: L N NI D ( P)  k D LD (cos  )  k D LD ( N  L) θ L
  • 12. Componente especular Lareflexión especular resalta los objetos Depende de  Posición de la fuente de luz y del observador  Angulo entre la luz reflejada y la posición de la luz () Produce un brillo intenso
  • 13. Componente especular• Ii.Ks.cosn = Ii.Ks.(R.V)n Ii = Intencidad de la fuente de luz i. R L Ks = constante especularidad N Del objeto n = indice de rugosidad    V
  • 14. Lighting revisited—specularlighting The specular coefficient kS measures how much light reflects off the surface.  A ball bearing has high kS; I don’t.  ‘Shininess’ is approximated by a scalar power n. Specular lighting intensity:I S ( P)  k S LS (cos  ) n E N  k S LS ( R • E ) n  k S LS ((2(L • N)N  L) • E ) n R α L
  • 15. Desventajas Fuentes de luz puntuales. Sólo considera la normal. Los componentes especular y difuso son modelados como componentes locales. El color de la reflexión especular es el de la luz. Objetos resaltados independiente del material. Luz ambiente constante. Los objetos no interaccionan entre sí. Objetos flotando y como hechos de plástico. Los objetos no proyectan sombras Objetos pueden ser sombreados erróneamente.
  • 16. Lighting revisited—all together  The total illumination at P is therefore:I ( P )  k A LA   k D LD ( L • N ) kS LS ( R • E ) n Lights E N θ α L R
  • 17. Ambient=1 Ambient=0 Diffuse=0 Diffuse=1Specular=0 Specular=0 Ambient=0.2Ambient=0 Diffuse=0.4 Diffuse=0 Specular=0.4Specular=1 (n=2) (n=2)
  • 18. Computacionalmente Es necesario repetir el cálculo por cada fuente de luz Ir = Iar + i (Idir + Isir) Ig = Iag + i (Idig + Isig) Ib = Iab + i (Idib + Isib)
  • 19. Computacionalmente Ambiente Difusa Especular Ir = Iakar + Ii (kdr (LiN) + ksr (LiR)n) Ig = Iakag + Ii (kdg (LiN) + ksg (LiR)n) Ib = Iakab + Ii (kdb (LiN) + ksb (LiR)n)
  • 20. Computacionalmente I(r,g,b) = Iaka(r,g,b) + Ii (kd(r,g,b) (L.N) + ks (L.R)n)  ks, ka, kd son vectores  Ia, Ii son escalares Color pixel = Color objeto * ( Ia + (Ii*kd*(L.N)) + ks Ii (L.R)n)  ka = Color objeto y es un vector  ks, kd son escalares y,  Ia, Ii son vectores  Producto componente a componente
  • 21. Computacionalmente
  • 22. Modelo de sombreado Aplicación del modelo de iluminación a todo la maya 3D
  • 23. Modelo de sombreado Plano  Aplica el modelo de iluminación una vez por polígono
  • 24. Modelo de sombreado Gouraud  Calculo del color en cada vértice  Color interior interpolado a partir de cada vértice
  • 25. Modelo de sombreado Phong  Interpolación para calculo de las normales interiores  Cálculo del color para cada pixel
  • 26. Fuentes de luz Direccional Puntual
  • 27. Fuentes de luz Spotlight Area  Superficie emisora en 2D
  • 28. Spotlights Tocreate a spotlight shining along axis S, you can multiply the (diffuse+specular) term by (max(L•S,0))m.  Raising m will tighten the spotlight, but leave the edges soft.  If you’d prefer a hard-edged spotlight of uniform internal intensity, you can θ S use a conditional, e.g. L ((L•S > cos(15˚)) ? 1 : 0). P D O
  • 29. Vectores normalizados pl llp  pl p
  • 30. Transparency To add transparency, generate and trace a new transparency ray with OT=P, DT=D. Option 1 (object state):  Associate a transparency value A with the material of the surface, like reflection. Option 2 (RGBA):  Make color a 1x4 vector where the fourth component, ‘alpha’, determines the weight of the recursed transparency ray.
  • 31. Sombras Calcular la “visibilidad” desde la fuente de luz.  las superficies que son visibles desde la fuente de luz no están en sombra La luz ambiente ilumina las superficies que se encuentran en un área de penumbra Los componentes difuso y especular se multiplican por un factor S.  0 si la luz está bloqueada  1 si la luz no está bloqueada. O(t) = m. O(n) Otro método  Proyectando la superficie
  • 32. Texturas 2D Mapear una imagen definida en un sistema de coordenadas 2D hacia un objeto definido en su propio sistema de coordenadasImagen  Digitalizada  Procedimental Su color afecta el modelo de iluminación  kd = [tr x kdr, tg x kdg, tb x kdb ], donde t es la textura
  • 33. Texturas 2D Funciones de mapeo  u = f (s, t)  v = g (s, t) Relación lineal  u = As + B  v = Ct + D
  • 34. Modos de mapeo  Plano  (u, v)  (N*u, M*v), s v1 u N0 1 M tTiling: (s, t)  (2s/N mod 1, 2t/M mod 1)
  • 35. Modos de mapeo Cilíndrico  (u, v)  (r*cos(2*pi*u), r*sen(2*pi*u), h*v), r v 1 h u 0 1
  • 36. Modos de mapeo  Esférico  (u, v)  (r*cos(2*pi*u)*cos(pi*v), r*sen(2*pi*u)*cos(pi*v), r*sen(pi*v)) v1 r u0 1
  • 37. Texturas de mapas de bits Problemas con bitmaps  Se requiere más memoria  Pueden producir discontinuidades  Se pueden pixelar
  • 38. Texturas de mapas de bits Mipmapping  Contraresta el pixelado  Versiones de la textura minimizadas en un factor de dos a medida que la profundidad aumenta  Nivel de detalle – LOD
  • 39. Texturas de mapas de bits Ventajas  Fáciles de obtener y utilizar Problemas  Se requiere más memoria para almacenar las imágenes.  Pueden producir discontinuidades cuando se ponen en mosaico.  Debe tenerse cuidado al escalarlas, pues se pueden pixelar
  • 40. Texturas procedimentales Ventajas  Se requiere muy poco almacenamiento.  Pueden variar infinitamente.  Son escalables Problemas  Es difícil crear la ecuación matemática correcta para un efecto de textura en particular.  Son más lentas de renderizar 2D / 3D
  • 41. Texturas procedimentalesCuadro(u, v){If (u < 0.5 && v < 0.5) || (u > 0.5 && v > 0.5) then Cuadro(u, v) = negro ; else Cuadro(u, v) = blanco ;}
  • 42. Texturas procedimentales Texturas basadas en ruido  Estadísticamente invariable en la traslación.  Estadísticamente invariable en la rotación  No tener cambios bruscos de frecuencia Lucesimilar No hay cambios súbitos. Turbulencia
  • 43. Texturas 3D Procedimentales Tiempo de procesamiento Textura interna. Esculpe el objeto
  • 44. Bump mapping Produce alteraciones en la normal a la superficie S(u, v), n = Su x Sv S’(u, v) = S(u, v) + P(u, v).n / |n|, n’ = S’u x S’vn’= n + Pu(n x sv) / |n| + Pv (Su x n) / |n|
  • 45. Bump mapping
  • 46. Un ejemplo
  • 47. Bibliografía http://www20.graphics.tomshardware.com/graphic/20040603/ati_opt imized-01.html. Mipmapping- Tom’s hardware guide. Universiti of Hull. Notas de clase http://www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/mapping/ r_wolfe/r_wolfe_mapping_1.htm. Teaching Texture Mapping Visually . Rosalee Wolfe. DePaul University http://www.delphi3d.net/articles/viewarticle.php?article=bumpmappi ng.htm. An Overview Of Bump Mapping Techniques Introduction to Computer Graphics. University of virginia Univerisity of Hull, notas de clase Watt Foley Alex Benton, University of Cambridge – A.Benton@damtp.cam.ac.uk. Supported in part by Google UK, Ltd
  • 48. Part I: Light Maps:Lighting UpGame Environments
  • 49. What do you see in this image?
  • 50. Environment in the Game How many polygons do you see? How many lights do you see?
  • 51. Outline Light Maps  What is a Light Map?  Light Mapping onto Polygons Practical Examples  Light Mapping – Real Environments  Light Maps – A Game Demo Performance  Multi-texturing for Light Maps  Dull & Gloss Light Maps Summary
  • 52. Light MapsBase Texture + Lightmap = Result + = * =
  • 53. Light Map - Example
  • 54. Step 1: Define Lightmaps (Textures)
  • 55. Step 2: Apply Light Maps(onto three Polygons)
  • 56. Two lights + Polygon
  • 57. What is wrong in this picture?
  • 58. 4-Lights
  • 59. Outline Light Maps  What is a Light Map?  Light Mapping onto Polygons Practical Examples  Light Mapping – Real Environments  Light Maps – A Game Demo Performance  Multi-texturing for Light Maps  Dull & Gloss Light Maps Summary
  • 60. Candidate forLightmaps
  • 61. Real SceneRendered with Light Map
  • 62. Which one is Real?
  • 63. Outline Light Maps  What is a Light Map?  Light Mapping onto Polygons Practical Examples  Light Mapping – Real Environments  Light Maps – A Game Demo Improving Performance  Multi-texturing for Light Maps  Dull & Gloss Light Maps Summary
  • 64. Multiple Lightmaps in a Game!Will you load as 5 small textures or 1 large texture?
  • 65. Useful Tips onCombining Lightmaps Games can have thousands of unique lightmaps Lightmaps are typically small. Why not combine multiple small lightmaps into big textures? Reduce thousands of small lightmap textures into a few dozen texture pages Important: Lightmaps should be grouped with others that are needed in the same scene
  • 66. Object is dull & glossat the same time! diffuse specular light-map  e.g.. dust on a polished metallic surface
  • 67. Multiple Texture - Pipeline Lightmap + Texture map in a single pass Hardware pipeline of texture units to support multiple texture blending Improves application performanceInterpolatedvertex value Texture unit 1Texture value Texture unit 2 Texture value Texture unit 3 Texture value
  • 68. Shadows in Hardware Realtime Shadows Soft Shadows
  • 69. Terrain Texture Rendering goal: to model realistic terrainHeight Map + Texture = Rendered(Elevation) (Appearance) Terrain
  • 70. Cube Maps goal: to model 3D environment (sky) topleft right back bottom
  • 71. SummaryWe have looked at: Light Maps  What is a Light Map?  Light Mapping onto Polygons Practical Examples  Light Mapping – Real Environments Performance  Multi-texturing for Light Maps  Dull & Gloss Light MapsNext: Part 2  Normal Maps
  • 72. Part II: Normal Maps:Surface Bumps inGame Environments
  • 73. How would you achieve high quality rendering on a simplified mesh? Original Simplified Simplified+???250,000 Triangles 1,000 Triangles 1,000 Triangles
  • 74. Bump Mapping (add more detail to objects!) Givenplane surface, how to add detail? Surface Point perturbation (displacement map) Normal perturbation
  • 75. BumpMappedObjects
  • 76. Displacement Map(Silhouettes)
  • 77. Normal Maps Commonly created from a height map: Usinglow and high resolution models is becoming widely adopted: &
  • 78. Normal Map ConstructionStep 1: Two models (high res & low res) are alignedStep 2: Extract normals from high-res model
  • 79. Step 3: Render normal map to verify correctness.Step 4: Export the normal info as an UV texture
  • 80. Step 5: Apply normals on a low res model in a game scene
  • 81. Human Skin RenderingReal vs Synthetic
  • 82. Multipass Techniques Quake III engine uses 10 passes:  Passes 1-4 to accumulate bump map,  Pass 5 for diffuse lighting,  Pass 6 to apply base texture,  Pass 7 for specular lighting,  Pass 8 for emissive lighting,  Pass 9 to apply volumetric/atmospheric effects and  Pass 10 for screen flashes. The passes 1-4 and 7-10 can be skipped
  • 83. Visual Effects Explosions Fireworks Laser Lights Lightning bolts
  • 84. Summary Light Maps add lighting Normal Maps add surface detail Both Light Maps and Normal Maps use the GPU for performance