Modelos de iluminación global



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Modelos de iluminación global

        • THE WHITTED IMAGE - BASIC RECURSIVE RAY TRACING Copyright © 1997 A. Watt and L. Cooper

Contenido

  • Realidad y percepción
  • Iluminación local y global
  • La ecuación de representación de Kajiya
  • Algoritmos
    • Ray tracing
    • Radiosity
  • Aplicaciones
    • POV-Ray, Radiance

Realidad y percepción

  • Conocemos la realidad porque nos envía mensajes de cómo es
  • Comunicación
  • Emisor
  • Medio
  • Receptor
  • El mensaje es la información del propio emisor

Captación de la realidad

  • La realidad la captamos con sensores (receptores)
    • Vista, oído, tacto, gusto, olfato
  • En el sentido de la vista interpretamos 4 características de los objetos:
    • Forma
    • Posición
    • Iluminación (Brillo y color)
    • Movimiento

Visual Path

  • La luz del objeto llega al ojo
  • Se proyecta en la retina
  • Los receptores detectan color y luz
  • Se interpreta
    • Iluminación (color y contraste)
    • El contraste determina los perfiles
    • Situación de los receptores y la comparación de ambos ojos determina la posición
    • La secuencia de imágenes informa del movimiento

Percepción

  • Modelo mental del mundo real
  • Construido a partir de los estímulos de los sentidos e interpretados por nuestro cerebro
  • La principal característica es el reconocimiento de patrones

Iluminación global

  • Considera la luz reflejada por un punto teniendo en cuenta toda la luz que llega
  • No solo procedente de las luces
  • Efectos
    • producen sombras
    • reflexión de un objeto en los otros
    • transparencias

Realidad e iluminación

  • La iluminación depende del emisor y del receptor

Modelos de iluminación global

  • Ray tracing (trazado de rayos)
    • interacciones especulares
  • Radiosity (radiosidad)
    • interacciones difusas
  • La mayoría de los algoritmos utilizan conceptos de ambos

La ecuación de representación

  • Ecuación de Kajiya (1986)
  • I(x, x´) = g(x, x´)[(x, x´)+s (x, x´, x´´) I(x´, x´´)dx´´]
  • I(x, x´): intensidad de transporte de x´ a x
  • g(x, x´): función de visibilidad, 0 o inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
  • (x, x´): emisión de x´a x
  • (x, x´, x´´): termino de dispersión de energía de x´ a x procente de x´´

La ecuación de representación (2)

  • Se necesitan las funciones de visibilidad, emisión y dispersión
  • La integral no es analítica
  • Es independiente del punto de vista (no se reduce a los rayos que inciden en el ojo)
  • Es recursiva

Algoritmos de iluminación global

  • Solución básica:
    • desde una fuente de luz, emitir todos los posibles rayos y seguir su camino hasta llegar al punto de visión, atenuarse o salir de la escena
  • Aproximaciones:
    • utilizar interacciones solo especulares o difusas
    • considerar solo un subconjunto de los rayos emitidos por la luz

Ray tracing

  • Solo se tienen en cuenta los rayos que llegan al punto de vista
  • Trazado inverso de rayos
  • Algoritmo dependiente del punto de vista
  • Modelo global con modelo local en cada punto

Ray tracing - proceso

  • Se calcula la intersección con los objetos
  • Se continúa hasta que:
    • el rayo tiene poca energía
    • sale de la escena
    • choca con un objeto difuso

Ray tracing - esquema

  • Trazado de rayos desde el punto de vista
    • S: a luces
    • R: reflejado
    • T: refractado

Ray tracing - limitaciones

  • Sólo considera la reflexión especular y la refracción
  • Se considera la reflexión difusa en el rayo proveniente de la luz
  • Tendría un coste muy elevado considerar la reflexión difusa
  • La mayoría de las escenas tienen superficis con reflexión difusa

POV-Ray

  • Persistence of Vision Raytraces (POV-Ray) es el trazado de rayos más conocido
  • Es libre: www.povray.org
  • Interfaz sencillo
  • Editor de datos

Imágenes de PovRay

  • http://www.xlcus.com/povray/tulips/tulips-0240x0320.jpg
  • http://www.geocities.com/~mloh/povray/2cups.jpg
  • http://www.xlcus.co.uk/povray/sunset/sunset-0320x0240.jpg
  • http://www.3dluvr.com/intercepto/povray/gallery/train.jpg

Radiosity

  • Implementa la interacción difusa-difusa
  • Es una solución independiente del punto de vista (se calcula la solución para todos los puntos de la escena)
  • Se calcula la radiosidad para cada polígono
  • Se necesita discretizar la escena y esta discretización depende de la solución

Radiosity - proceso

  • Las luces se consideran polígonos emisores
  • Se calcula la interacción difusa-difusa con todos los polígonos visibles para la luz
  • Parte de la luz se absorbe y parte se emite
  • Se continúa el proceso con el polígono que emite más energía
  • Se continúa hasta que un porcentaje de la energía luminosa ha sido absorbida

Radiosity - factor de forma

  • La transferencia entre dos polígonos se calcula por relaciones geométricas
  • El factor de forma promedia la radiación transmitida entre dos polígonos
    • debe tener en cuenta la visibilidad entre ambos

Radiosity - ejemplo de proceso

Radiosity - imagenes

  • http://www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/radiosity/overview_3.htm
  • Escenario

Radiosity - limitaciones

  • No tiene en cuenta la reflexión especular
    • las escenas suelen combinar ambos
  • Es necesario discretizar la escena en polígonos antes del cálculo

Radiance

  • Es el “renderer” más conocido de iluminación global (Gregory J. Ward -1994)
  • El objetivo es representar con la máxima precisión la iluminación en arquitectura
    • luz solar
    • luz artificial
  • Cálculos separados para reflexión especular y difusa

Radiance - imagen

  • http://www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/raytrace/radiance/abstract.html





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