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IFT3730: Infographie 3D Illumination locale Pierre Poulin, Derek Nowrouzezahrai Hiver 2013 DIRO, Université de Montréal.

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1 IFT3730: Infographie 3D Illumination locale Pierre Poulin, Derek Nowrouzezahrai Hiver 2013 DIRO, Université de Montréal

2 Illumination (1) Jusquà présent, nous nous sommes principalement intéressés aux aspects « géométriques » de la formation dimages Mais une fois que les points 3D visibles sont connus, on doit répondre à la question suivante: « De quelle couleur doit-on afficher ces points si la scène contient des sources de lumière? »

3 Illumination (2) Cette couleur est le résultat de linteraction de la lumière avec la scène Pour un point 3D donné, cette couleur dépend de plusieurs facteurs : –position du point dans lespace –orientation du point (élément de surface) –caractéristiques de réflexion et réfraction de la surface –configuration des sources de lumière

4 Définitions Illumination –définit le transport de la lumière dans la scène. Cest lillumination qui détermine la quantité dénergie lumineuse en un point donné ainsi que sa provenance Shading –spécifie comment lillumination est calculée sur un polygon (e.g. à chaque point, à chaque sommet, à un seul point)

5 Définitions Illumination locale –ne considère que la contribution directe des sources de lumière Illumination globale –considère la contribution directe des sources de lumière et –la lumière interréfléchie entre les surfaces de la scène (sources de lumière secondaires)

6 Exemple Illumination Illumination locale Illumination globale

7 Lumière La lumière est émise par les sources de lumière et interagit avec les objets de la scène Nature duale : –ondulatoire –particulaire

8 Photon (1) Un photon transporte une certaine énergie à une longueur donde donnée (couleur) A chaque interaction (réflexion, réfraction, absorption), un photon peut changer sa direction et/ou sa couleur (changements spatial et spectral)

9 Photon (2) Si la longueur donde entre dun photon est entre, il est alors visible par loeil humain Si un photon passe par la position de loeil tout en traversant la fenêtre graphique, sa couleur contribue au pixel quil traverse

10 Simuler lillumination Simuler le réel demanderait de générer une "infinité" de photons. Le problème doit donc être simplifié. Grille image Observateur (caméra)

11 Modèles de réflexion locale

12 Le modèle de réflexion locale ne traite que de lillumination directe –les ombres sont traitées séparément (sauf ray tracing) –aucune interréflexion Les trois types de réflexion les plus communes sont –Diffuse –Spéculaire –Ambiante

13 On combine ces trois types pour obtenir un modèle de réflexion plus complet Modèle de réflexion locale + + = Ambiante Diffuse Spéculaire Combinée

14 Lumière ambiante (1) Sans interréflexion de la lumière, tout ce qui est dans lombre est noir (e.g. lune) La contribution de linterréflexion entre les surfaces est un phénomène extrêmement complexe On simplifie lillumination globale en parlant dune lumière ambiante qui est partout la même, pour nimporte quelle direction Toute surface éclairée seulement par une lumière ambiante a un éclairage uniforme. Cette surface apparaît donc sans profondeur.

15 Lumière ambiante (2) Credit: Foley Van Dam

16 Lumière ambiante (3) Intensité de la lumière ambiante en un point donné (propriété de scène) Proportion de la lumière ambiante réfléchie par ce point (propriété de surface)

17 Réflexion diffuse Normalement, lintensité de chaque point sur une surface varie en fonction de sa distance et de son orientation relative à la lumière Réflexion diffuse est égale en intensité dans toutes les directions Correspond intuitivement à ce que lon perçoit comme la forme 3D Ex: peinture matte, papier, bois sablé

18 Réflexion diffuse Deux modèles pour expliquer ce type de réflexion ex.: de la craie ex.: du papier

19 La réflexion diffuse La réflexion diffuse ou lambertienne est associée à la perception de la forme des objets de type mat Plus la surface fait face à la lumière, plus elle en reçoit

20 La réflexion diffuse La réflexion diffuse redistribue les photons également (en intensité) au-dessus de la surface

21 où et sont des vecteurs normalisés. On devrait utiliser pour toute orientation de surface « » mais on allège habituellement la formulation avec Proportion de la lumière diffuse réémise à ce point Réflexion lambertienne Surface Intensité de la lumière en un point donné

22 Réflexion spéculaire La réflexion spéculaire apparaît sur des surfaces brillantes sous la forme dune région de haute intensité que lon appelle highlight Pour une surface parfaitement lisse (miroir), la direction de réflexion spéculaire est unique et correspond à N L R Observateur

23 Réflexion spéculaire : Phong (1) Si une surface est un peu rugueuse, un peu de lumière sera réfléchie spéculairement autour de Le modèle spéculaire de Phong fait décroître lintensité de cette réflexion selon entre les directions et La réflexion spéculaire dépend de lorientation de la surface ainsi que de la position de lobservateur et de la lumière Surface Observateur

24 Réflexion spéculaire : Phong (2) n contrôle la rugosité de la surface telle que pour un miroir et une surface très rugueuse

25 Phong : rugosité n n=1 n=2 n=4 n=16 n=8 n=32 n=64 n=128 n=256 n=512 n=1024

26 Réflexion spéculaire : Blinn Le modèle spéculaire de Blinn fait aussi décroître lintensité selon Cependant, représente ici langle entre les vecteurs et est le vecteur bisecteur entre et

27 Réflexion diffuse + spéculaire Lumière diffuse Lumière spéculaire Combo

28 BRDF (1) Modèle simple diffus-spéculaire isotrope BRDF dun modèle plus complexe anisotrope Bidirectional Reflectance Distribution Function

29 BRDF (2) shading isotrope shading anisotrope

30 BRDF (3) Capture de la BRDF dune surface complexe anisotrope Surface anisotrope Credit: McMillan

31 BRDF (4)

32 BRDF (5)

33 Lumières

34 Source de lumière Directionnelle –contrôle: direction et intensité –lumière située à linfini (direction) –rayons de lumière sont parallèles entre eux Ponctuelle –contrôle: position et intensité –rayons sont émis également dans toutes les directions émanant de ce point –intensité décroît comme le carré de la distance

35 Lumière ponctuelle Lintensité varie "physiquement" comme où r est la distance dun point à la lumière En pratique, ceci décroît souvent trop vite OpenGL permet : où sont des constantes (Angel, section 6.7)

36 Autres sources de lumière Spotlights: lumière ponctuelle qui émet dans une direction principale Sources de lumière surfaciques: lumières qui occupent une surface 2D (e.g. lumière encastrée) Sources de lumière étendue: lumière 3D (e.g. tube fluorescent)

37 Autres sources de lumière Contrairement aux sources de lumière directionnelles et ponctuelles, les sources de lumière surfaciques et étendues génèrent des ombres floues lumière ponctuelle: ombre nette lumière sphérique: ombre floue

38 Sources de lumière multiples Chaque lumière contribue à lintensité finale Si la scène possède plusieurs sources de lumière, il faudra faire la sommation de la contribution de chacune La contribution ambiante nest considérée quune seule fois Le modèle final correspond donc à

39 Modèle simple de couleur Chaque coefficient peut être considéré comme valide pour une longueur donde donnée Rouge Vert Bleu

40 Shadings

41 On peut calculer lillumination en chaque point dune scène, mais cette opération peut savérer être très coûteuse en temps de calcul Il est possible den réduire le coût en approximant lillumination sur chaque polygone de la scène Ces approximations interpolent lillumination lors de la projection sur la fenêtre Quelques types de shadings: –flat –Gouraud –Phong

42 Shading Flat (constant) calcule lillumination pour un point du polygone (centre ou un sommet) assume que cette illumination est la même sur tout le polygone couleur uniforme mais rapidement calculée valide si – est constant : lumière directionnelle – est constant : projection parallèle –face polygonale

43 Calcul de normales des polygones Calcul analytique si on connaît la surface que le polygone approxime (ex: sphère) Moyenne des normales des polygones dont le sommet fait partie (ou moyenne pondérée par langle formé par ce polygone au sommet) Si une arête existe vraiment, un sommet a i normales dont une seule est choisie dépendant du polygone à rendre

44 Shading de Gouraud calcule lillumination à chaque sommet du polygone (normale + illumination = couleur) interpolation bilinéaire des couleurs (tout comme on le faisait pour la profondeur) rapide mais peut rater des highlights, il faut alors un maillage plus fin de polygones élimine les discontinuités dintensité, mais pas celles de pente dintensité Crédit : E.Angel

45 Obtenir la couleur à partir de, et Interpolation bilinéaire X Y Interpole aussi: profondeur, texture, normale, etc.

46 Shading de Phong interpolation bilinéaire des normales pour tout point dans le polygone calcule lillumination pour chaque normale interpolée Plus coûteux à calculer mais approxime beaucoup mieux les highlights

47 Flat vs. Gouraud vs. Phong

48 Normales aux sommets Flat shading Gouraud shading Phong shading Crédit : Foley Van Dam

49 Flat vs. Gouraud vs. Phong Gouraud Phong Virginia University Flat Gouraud

50 Problèmes de linterpolation (1) Silhouette polygonale Distorsion due à la projection en perspective

51 Problèmes de linterpolation (2) Dépendance dorientation

52 Problèmes de linterpolation (2) Sommet en T Normales comme une mauvaise représentation

53 En résumé Illumination locale vs globale Modèles de réflexion –Ambiant –Lambertien (diffus) –Spéculaire (Phong, Blinn) –BRDF Modèles de lumière –Pontuelle –Directionnelle –Surfacique Shadings –Flat –Gouraud –Phong Problèmes


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