Modelos de iluminación global en la imagen Whitted, trazado básico de rayos recursivos.

1. Modelos de iluminación global THE WHITTED IMAGE - BASIC RECURSIVE RAY TRACING Copyright © 1997 A. Watt and L. Cooper

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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. Realidad e iluminación • La iluminación depende del emisor y del receptor

9. Modelos de iluminación global • Ray tracing (trazado de rayos) – interacciones especulares • Radiosity (radiosidad) – interacciones difusas • La mayoría de los algoritmos utilizan conceptos de ambos

10. 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´´

11. 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

12. 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

13. 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

14. Ray tracing - proceso • Se calcula la intersección con los objetos – Visibilidad de las luces – Se calcula el rayo reflejado y refractado (transmitido), se realiza el proceso para cada rayo • Se continúa hasta que: – el rayo tiene poca energía – sale de la escena – choca con un objeto difuso

15. Ray tracing - esquema • Trazado de rayos desde el punto de vista S: a luces R: reflejado T: refractado

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. Radiosity - ejemplo de proceso

23. Radiosity - imagenes http://www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/radiosity/overview_3.htm Escenario

24. Radiosity - limitaciones • No tiene en cuenta la reflexión especular – las escenas suelen combinar ambos • Es necesario discretizar la escena en polígonos antes del cálculo

25. 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

26. Radiance - imagen http://www.siggraph.org/education/materials/HyperGraph/raytrace/radiance/abstract.html