Síntese de Imagens de
Alta Fidelidade
Iluminação e
FotoRealismo
http://www.di.uminho.pt/uce-cg/index.php
Luís Paulo Peixoto dos Santos
Competências
GERAIS :
• Caracterizar a iluminação global e descrever os vários estágios do processo de
síntese e visualização de imagens;
ESPECÍFICAS :
• Enunciar as diferenças entre modelos de síntese de imagem empíricos e
baseados nas leis da física;
• Identificar potenciais aplicações para métodos de Iluminação Global de Alta
fidelidade;
• Listar e descrever os vários estágios do processo de síntese e visualização de
imagens;
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
2
Síntese de Imagens de Alta Fidelidade
Síntese de imagens (rendering) é o processo de produção de uma imagem
bidimensional a partir de uma descrição tridimensional de uma cena.
Síntese interactiva – sacrifica precisão (realismo) por tempo de resposta,
recorrendo a abordagens top-down, onde o processo é guiado pelos
resultados pretendidos;
Síntese baseada na física – as leis físicas que governam o transporte da luz e a
sua interacção com a matéria determinam as regras da simulação;
Síntese expressiva (não fotorealista) – liberdade artística e grande poder de
expressão
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
3
Síntese de Imagens de Alta Fidelidade
Objectivo
“… desenvolver modelos de iluminação e transporte de luz baseados nas leis da
física e processos de visualização perceptuais que produzam imagens
sintéticas visual e/ou mensuravelmente indistinguíveis de imagens do
mundo real…”.
[Greenberg97]
Estas imagens podem ser usadas de forma preditiva, em oposição com imagens
que apenas pretendem ter um grande impacto visual.
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
4
Iluminação Global de Alta Fidelidade
• Simulação baseada na física de todos os trajectos de luz – desde as
fontes até ao observador - que contribuem de forma significativa para
a iluminação de um ponto
• Implica considerar o impacto que a presença de outros objectos tem
na iluminação de um ponto, por oposição a métodos de iluminação
local
• Iluminação directa
• com oclusões (sombras)
• Reflexão
• Transmissão
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
5
Modelos empíricos versus físicos
Modelo do Mundo
Y
Z
X
Modelos
empíricos
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
6
Modelos empíricos versus físicos
Modelo do Mundo
Y
Z
X
Modelos baseados
na Física
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
7
Síntese de Imagens de Alta Fidelidade
Top-down
(empírico)
Bottom-up
(baseado nas leis da física)
O resultado desejado guia a
implementação
As leis da física que originam o
fenómeno guiam a
implementação
Métodos empíricos garantem um
resultado perceptualmente aceitável
O fenómeno desejado é o
resultado lógico, inevitável da
simulação
Apesar da semelhança com a
realidade os resultados não podem
ser usados de forma preditiva, pois
não têm relação com o mundo real
A imagem é a visualização dos
dados gerados usando modelos
baseados na física, podendo ser
usados de forma preditiva
Precisão sacrificada por velocidade
Velocidade sacrificada por
precisão
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
8
Aplicações
• Simulação fisicamente correcta da iluminação e transporte de luz:
– Arquitectura e Herança Cultural
– Engenharia de Iluminação
– Publicidade e Marketing
– Simuladores
– Ciência e Medicina
– Cinema
– Visualização Científica
– Jogos
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
9
Aplicações: Arquitectura e Herança Cultural
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
10
Aplicações: Engenharia de Iluminação
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
11
Aplicações: Ciência e Medicina
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
12
Aplicações: Visualização Científica
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
13
Aplicações: Jogos
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
14
O processo de síntese de imagem
display
Modelação
Modelo
Síntese
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
Imagem
HDR
Visualização
15
O processo de síntese de imagem: modelação
• Modelo geométrico
• Materiais: modelo de iluminação (shading model)
– Descreve a forma como a luz incidente num objecto interage com o mesmo: proporções da
radiância absorvida, reflectida e/ou transmitida (função do comprimento de onda)
– No caso geral, L(Pi←i) no instante ti e comprimento de onda λi, pode ser reflectida, ou
transmitida, no instante tr, ponto Pr, direcção r e comprimento de onda λr.
Restrições comuns:
• tr =ti, impossibilita a modelação da fosforescência
• λr = λi, impossibilita a modelação da fluorescência
• Pr = Pi, impossibilita a modelação da dispersão da luz numa superfície
– Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF)
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
16
O processo de síntese de imagem: modelação
Reflexão
N
Li
θi
Lr
θr
Li
Li
Especular
Difusa
Transmissão
Li
θi
θt
Glossy
N
N
Li
N
N
θi
N
Li
θi
Lt
Especular
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
Difusa
Translúcida
17
O processo de síntese de imagem: síntese
• A síntese da imagem (rendering) corresponde ao cálculo da distribuição da
potência radiante na cena, i. e., à resolução da Equação de Transporte de Luz
(rendering equation)
• A Equação de Transporte de Luz é um integral sem resolução analítica, pelo
que os algoritmos de síntese de imagem são integradores numéricos que
calculam soluções aproximadas
• Estes integradores calculam o transporte de luz na cena – os fenómenos de
iluminação simulados dependem do subconjunto efectivamente amostrado
do domínio de integração
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
18
O processo de síntese de imagem: visualização
108 cd/m2
display
102 cd/m2
Síntese
HDR
imagem
100 cd/m2
10-5 cd/m2
Renderers baseados na física
produzem imagens com alta
gama dinâmica (HDR), cujas
luminâncias cobrem
tipicamente um intervalo de 14
ordens de magnitude:
[10-5 .. 108] cd/m2
Visualização
Estes algoritmos
mapeiam os tons do
mapa HDR nos tons do
monitor usando um
operador designado por
tone mapping
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
Os monitores convencionais
cobrem tipicamente um
intervalo de luminância de 2
ordens de magnitude:
[100 .. 102] cd/m2
19
O processo de síntese de imagem: visualização
Sub-Exposição
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
Sobre-Exposição
20
O processo de síntese de imagem: visualização
Os algoritmos de tone mapping tentam
preservar contraste, visibilidade e
brilho aparente, num
balanceamento entre estes
objectivos contraditórios.
Iluminação e Fotorealismo 2008/09
21