SIE020: Síntesis de Imagen y AnimaciónModelado de iluminación de Phong, tipos de fuentes de luz y modelos de sombreado

Ribelles, Jose

Consortium of Academic Libraries of Catalonia (CBUC)

Tema 5. Modelos de iluminación y sombreado

Repositori Institucional de la Universitat Jaume I

Introduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoTema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoJ. RibellesSIE020: S´ıntesis de Imagen y Animacio´nInstitute of New Imaging Technologies, Universitat Jaume IJ.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoContenido1 Introduccio´n2 Modelo de Iluminacio´n de PhongLuz AmbienteReflexio´n DifusaReflexio´n EspecularMaterialesEl modelo de Phong3 Tipos de Fuentes de Luz4 Modelos de SombreadoJ.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoIntroduccio´nUn modelo de iluminacio´n determina el color de la superficie en unpunto. Un modelo de sombreado utiliza un modelo de iluminacio´n yespecifica cua´ndo usarlo.J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoLuz AmbienteReflexio´n DifusaReflexio´n EspecularMaterialesEl modelo de PhongModelo de Iluminacio´n de PhongEste modelo tiene en cuenta los tres siguientes aspectosLuz ambiente: luz que proporciona iluminacio´n uniforme a lo largode la escena.Reflexio´n difusa: luz reflejada por la superficie en todas lasdirecciones.Reflexio´n especular: luz reflejada por la superficie en una soladireccio´n o en un rango de a´ngulos muy cercano al a´ngulo dereflexio´n perfecta.J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoLuz AmbienteReflexio´n DifusaReflexio´n EspecularMaterialesEl modelo de PhongLuz AmbienteDescripcio´nLa luz ambiente Ia que se observa en cualquier punto de unasuperficie es siempre la misma.Parte de la luz que llega a un objeto es absorbida por este, y partees reflejada, y se modela con el coeficiente ka, 0 ≤ ka ≤ 1.Ia = kaLa (1)J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoLuz AmbienteReflexio´n DifusaReflexio´n EspecularMaterialesEl modelo de PhongReflexio´n DifusaDescripcio´nEs caracter´ıstica de superficies rugosas, mates, sin brillo.Se modela fa´cilmente con la Ley de Lambert. As´ı, el brillo observadoen un punto depende so´lo del a´ngulo θ, 0 ≤ θ ≤ 90, entre ladireccio´n a la fuente de luz L y la normal N en dicho punto.L y N son vectores unitarios y kd , 0 ≤ kd ≤ 1, representa la parte deluz difusa reflejada por la superficie.Id = kdLd cos θ = kdLd(L · N) (2)J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoLuz AmbienteReflexio´n DifusaReflexio´n EspecularMaterialesEl modelo de PhongAtenuacio´nAtenuacio´nAl viajar desde su fuente de origen hasta el objeto situado a unadistancia d .Los coeficientes a, b y c son constantes caracter´ısticas de la fuentede luz.Id =kda + bd + cd2Ld(L · N) (3)J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoLuz AmbienteReflexio´n DifusaReflexio´n EspecularMaterialesEl modelo de PhongReflexio´n EspecularDescripcio´nEs propia de superficies brillantes, pulidas, y responsable de losbrillos que suelen observarse.El color del brillo suele ser diferente del color de la superficie y muyparecido al color de la fuente de luz.Phong propone que la luz que llega al observador dependau´nicamente del a´ngulo Φ entre el vector de reflexio´n perfecta R y elvector direccio´n del observador V .Si R y V son vectores unitarios, ks , 0 ≤ ks ≤ 1, representa la partede luz especular reflejada por la superficie y α modela el brillocaracter´ıstico del material de la superficie.Is = ksLs cosα Φ = ksLs(R · V )α (4)R = 2N(N · L)− L (5)J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoLuz AmbienteReflexio´n DifusaReflexio´n EspecularMaterialesEl modelo de PhongEl valor de αUn valor igual a 1 modela un brillo grande.Valores mucho mayores, por ejemplo entre 100 y 500, modelanbrillos ma´s pequen˜os propios de materiales, por ejemplo, meta´licos.(a) α = 3 (b) α = 10 (c) α = 100J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoLuz AmbienteReflexio´n DifusaReflexio´n EspecularMaterialesEl modelo de PhongMaterialesEn el modelo de PhongSe tiene en cuenta las propiedades del material del objeto al calcularla iluminacio´n y as´ı proporcionar mayor realismo.En concreto son cuatro:ambiente ka,difusa kd ,especular ksy brillo α.Por ejemplo:Esmeralda: ka[]= { 0.022, 0.17, 0.02, 1.0 }kd []= { 0.08, 0.61, 0.08 ,1.0 }ks []= { 0.63, 0.73, 0.63, 1.0 }α[]= { 0.6 }J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoLuz AmbienteReflexio´n DifusaReflexio´n EspecularMaterialesEl modelo de PhongEl modelo de PhongEn resumenI = kaLa +1a + bd + cd2(kdLd(L · N) + ksLs(R · V )α) (6)Listado 1: Funcio´n que implementa para una fuente de luz el modelo deiluminacio´n de Phong sin incluir el factor de atenuacio´n// Ka , Kd , Ks , a l f a , La , Ld y Ls son v a r i a b l e s un i f o rme s// N, L y V se asumen no rma l i z ado svec4 phong ( vec3 N, vec3 L , vec3 V){f l o a t NdotL = dot (N, L ) ;vec4 c o l o r = Ka ∗ La ;i f ( NdotL > 0 . 0 ){vec3 R = n o r m a l i z e (2 ∗ N ∗ NdotL − L ) ;f l o a t RdotV n = pow ( max ( 0 . 0 , dot (R , V) ) , a l f a ) ;c o l o r = c o l o r + ( ( NdotL ∗ ( Ld ∗ Kd) ) + ( RdotV n ∗ ( Ls ∗ Ks ) ) ) ;}r e t u r n c o l o r ;}J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoTipos de Fuentes de LuzTiposPosicional: la fuente emite luz en todas las direcciones desde unpunto dado, muy parecido a como por ejemplo ilumina una bombilla.Direccional: la fuente esta´ ubicada en el infinito, todos los rayos deluz son paralelos y viajan en la misma direccio´n. En este caso elvector L en el modelo de iluminacio´n de Phong es constante.Foco de luzRestringir los efectos de una fuente de luz posicional a un a´realimitada de la escena.J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoFoco de LuzCa´lculoRequiere una direccio´n S y un a´ngulo δ para la forma del cono.Un fragmento es iluminado si el a´ngulo entre el vector L y el vectorS es menor que el a´ngulo δ.Atenuacio´n: se calcula mediante el coseno del a´ngulo entre losvectores L y S elevado a un exponente. Cuanto mayor sea esteexponente, mayor la concentracio´n de luz alrededor del eje del cono.J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoModelos de SombreadoMe´todosPlano: el modelo de iluminacio´n se aplica una sola vez y su resultadose aplica a toda la superficie del pol´ıgono. Este me´todo requiere lanormal de cada pol´ıgono.Gouraud: el modelo de iluminacio´n se aplica en cada ve´rtice delpol´ıgono y los resultados se interpolan sobresu superficie. Esteme´todo requiere la normal en cada uno de los ve´rtices del pol´ıgono.Phong: el modelo de iluminacio´n se aplica para cada fragmento.Este me´todo requiere la normal en el fragmento, que se puedeobtener por interpolacio´n de las normales de los ve´rtices.J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoEjemplos de sombreado(d) Gouraud (e) PhongJ.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoShader para sombreado de Gouraud// Ver t ex Shader−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−uni form mat4 p r o j e c t i o n , camera , t r a n s f ; // ma t r i c e suni form mat3 normal ;uni form vec4 Ka , Kd , Ks ; // ma t e r i a luni form f l o a t a l f a ;uni form vec4 Lp , La , Ld , Ls ; // f u en t e de l u zi n vec3 p o s i c i o n , vNormal ; // r e c i b e v e r t i c e y normalout vec4 n u e v o C o l o r ; // c o l o r d e l v e r t i c ev o i d main ( ){vec4 e c P o s i t i o n = camera∗ t r a n s f∗vec4 ( p o s i c i o n , 1 . 0 ) ;vec3 N = n o r m a l i z e ( normal ∗ vNormal ) ;vec3 L = n o r m a l i z e ( vec3 ( Lp − e c P o s i t i o n ) ) ;vec3 V = n o r m a l i z e ( vec3(−e c P o s i t i o n ) ) ;n u e v o C o l o r = phong (N, L , V) ;g l P o s i t i o n = p r o j e c t i o n ∗ e c P o s i t i o n ;}// Fragment Shader−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−i n vec4 n u e v o C o l o r ;out vec4 c o l o r F r a g m e n t o ;v o i d main ( ){c o l o r F r a g m e n t o = n u e v o C o l o r ;}J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y SombreadoIntroduccio´nModelo de Iluminacio´n de PhongTipos de Fuentes de LuzModelos de SombreadoShader para sombreado de Phong// Ver t ex Shader−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−uni form mat4 p r o j e c t i o n , camera , t r a n s f ;uni form mat3 normal ;uni form vec4 Lp ; // f u en t e de l u zi n vec3 p o s i c i o n , vNormal ; // r e c i b e v e r t i c e y normalout vec3 N, L , V ; // l o s v e c t o r e sv o i d main ( ){vec4 e c P o s i t i o n = camera∗ t r a n s f∗vec4 ( p o s i c i o n , 1 . 0 ) ;N = n o r m a l i z e ( normal ∗ vNormal ) ;L = vec3 ( n o r m a l i z e ( Lp − e c P o s i t i o n ) ) ;V = n o r m a l i z e ( vec3(−e c P o s i t i o n ) ) ;g l P o s i t i o n = p r o j e c t i o n ∗ e c P o s i t i o n ;}// Fragment Shader−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−uni form vec4 Ka , Kd , Ks ; // ma t e r i a luni form f l o a t a l f a ;uni form vec4 La , Ld , Ls ; // f u en t e de l u zi n vec3 N, L , V ;out vec4 c o l o r F r a g m e n t o ;v o i d main ( ) {c o l o r F r a g m e n t o = phong (N, L , V) ;}J.Ribelles Tema 5: Modelos de Iluminacio´n y Sombreado

http://repositori.uji.es/xmlui/bitstream/handle/10234/120644/tema05.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Tema 5. Modelos de iluminación y sombreado

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Consortium of Academic Libraries of Catalonia (CBUC)

Repositori Institucional de la Universitat Jaume I