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I MAGIS is a joint project of CNRS - INPG - INRIA - UJF iMAGIS-GRAVIR / IMAG Modèles de matériaux Nicolas Holzschuch iMAGIS-GRAVIR/IMAG.

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1 i MAGIS is a joint project of CNRS - INPG - INRIA - UJF iMAGIS-GRAVIR / IMAG Modèles de matériaux Nicolas Holzschuch iMAGIS-GRAVIR/IMAG

2 Illumination et ombrage Représenter lapparence dun objet sous linfluence de la lumière –Réflexion –Réfraction –Transparence Modèles de matériaux –Heuristiques (hacks) : Phong –Basés sur la physique : Torrance-Sparrow, Ward

3 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Plan Modèles de matériaux : –Réflexion ambiante –Réflexion diffuse –Réflexion spéculaire –Modèle de Phong Interpolation : –Ombrage de Gouraud, ombrage de Phong –Problèmes avec linterpolation

4 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Illumination Les objets sont éclairés –On suppose une source ponctuelle On exclut tout interaction entre les objets –Pas dombres, pas de reflets, pas de transfert de couleurs Calculer la couleur des objets en tout point

5 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Réflexion ambiante La couleur ne dépend pas de la position, uniquement de lobjet : I = Ia ka Ia : lumière ambiante ka: coefficient de réflexion ambiante Modèle très primitif –Pas de sens physique possible –La forme des objets est invisible –Mais néanmoins très utile pour masquer les défauts des autres modèles

6 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Réflexion ambiante ka augmente

7 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Réflexion diffuse Matériaux mats La lumière de la source est réfléchie dans toutes les directions Laspect de lobjet est indépendant de la position de lobservateur –Pour ce qui est de la couleur Ne dépend que de la position de la source : I = Ipk d cos

8 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Réflexion diffuse I = Ipk d cos Ip : source ponctuelle kd: coefficient de réflexion diffuse : angle entre la source et la normale P

9 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Réflexion diffuse seule On augmente kd (ka=0)

10 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Diffuse + ambiant On augmente kd On augmente ka

11 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Réflexion spéculaire Miroirs parfaits Loi de Descartes : –La lumière qui atteint un objet est réfléchie dans la direction faisant le même angle avec la normale –Loi de Snell pour les anglo-saxons

12 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Réflexion spéculaire : problème Avec une source ponctuelle et pas de reflets, leffet nest visible quen un seul point de la surface Modèle très pratique pour léclairage indirect –Reflets, ombres…

13 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Modèle de Phong Réflecteur spéculaire imparfait :

14 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Modèle de Phong I = Ip k s (cos ) n Light source Direct reflection View point

15 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Modèle de Phong On augmente n ks

16 iMAGIS-GRAVIR / IMAG En pratique On les mets tous ensemble : I = Ia ka+ Ipk d cos Ip k s (cos ) n Plusieurs sources lumineuses : somme des intensités Modèle de matériaux des librairies graphiques

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20 Modèle de Torrance Cook-Torrance, Torrance-Sparrow… Le modèle de Phong na pas de sens physique –Très pratique –Rapide à calculer –Mais pas de lien avec les propriétés du matériau Rugosité Modèle physique –Lié aux propriétés des objets –Mais… plus complexe

21 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Modèle de Cook-Torrance Fondements physiques La surface est représentée par une distribution de micro-facettes Produit de trois termes : coefficient de Fresnel distribution angulaire auto-ombrage

22 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Fresnel = angle d'incidence = arcsin( /n) [n = indice de réfraction]

23 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Distribution des micro-facettes Probabilité qu'une micro- facette soit orientée dans la direction médiane entre la source et l'observateur.

24 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Distribution des micro-facettes Gaussienne Beckmann (1963)

25 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Auto-ombrage Masquage de la surface par elle- même

26 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Modèle de Ward Mesures physiques sur les objets –Gonio-réflectomètre –Série de données Lissées par des gaussiennes Modèle anisotrope

27 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Ombrage dun objet entier Pour linstant, calculs déclairage ponctuels Éviter de calculer léclairage pour tous les pixels de lécran Illumination constante pour chaque polygone –Éventuellement en augmentant le nombre de polygones –Problème : Mach banding

28 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Mach Banding Lœil est un réflecteur logarithmique –cf. plus haut Lœil exagère les changements dintensité et les changements de pente de lintensité –Appelé Mach banding Ça va poser des problèmes

29 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Mach banding Intensité Intensité perçue

30 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Interpolation de lillumination Interpolation de Gouraud –Calculer la couleur pour chaque sommet, puis on interpole Quelle est la normale dun sommet ? –Si la surface de départ est analytiquement connue, on extrait les normales –Si la donnée de départ est un maillage polygonal ?

31 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Interpolation de Gouraud Normale dun sommet : –Moyenne des normales aux polygones voisins du sommet

32 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Interpolation de Gouraud Quand on a la normale à un sommet : –On calcule la couleur pour ce sommet Puis on interpole suivant chaque scanline : I1 I2 I3

33 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Interpolation de Phong Au lieu dinterpoler les couleurs, on interpole les normales –Sur chaque arrête –Sur chaque scanline Plus lent que Gouraud, mais nettement plus beau Permet de calculer les effets spéculaires contenus dans une facette

34 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Effets spéculaires dans une facette

35 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Problèmes avec linterpolation La silhouette reste polygonale –Il suffit dajouter plus de polygones Dépend de lorientation : A BC D A C D B

36 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Ombrage et interpolation Le réalisme se paie Échange entre qualité et temps La plupart du temps, des hacks qui sont jolis La simplicité de lalgorithme est cruciale : –Ombrage de Gouraud fait en hardware sur la plupart des cartes –Ombrage de Phong faisable sur GeForce 3

37 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Et le lien avec la couleur ? Coefficients de réflexion, sources lumineuses –Tous en couleur –Quelle représentation ? La plupart du temps, RVB –Imparfait, mais tellement pratique… Quand on est sérieux : –Représentation spectrale complète Chère, mais exacte –Représentation de Meyer (AC 1 C 2 )

38 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Fonctions de base de Meyer

39 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Fonctions de base de Meyer Basées sur les fonctions de réception des cônes Peu déchantillons spectraux suffisent –4 échantillons (bien choisis) Représentation compacte –En général suffisante Parfois, besoin de précision dans la représentation de la fonction de réflexion –Représentation spectrale

40 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Échantillons nécessaires

41 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Efficacité de la représentation

42 iMAGIS-GRAVIR / IMAG …mais pas toujours D65 (jour) A (tungstène)

43 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Encore un peu plus loin Fluorescence : –La lumière reçue sous une longueur donde est réfléchie sous une autre longueur donde –Nouvelle longueur donde plus élevée (conservation de lénergie) –Phénomène fréquent dans la nature (murs, feuilles darbre) –Faisable uniquement avec un modèle spectral

44 iMAGIS-GRAVIR / IMAG Fluorescence A (tungstène) D65 (lumière du jour) Lumière noire


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