Fotorrealismo

1. Fotorrealismo Introdução à Multimídia (if687) {Bruno Sandres, Daniel Costa, Leandro Aguiar, Marcelo Frota, Winícius Marques} {bms, dvpc, lhfa, mfpp, wsam} @cin.ufpe.br

2. Roteiro Este é o planejamento da apresentação • Introdução • Motivação • Evolução do Fotorrealismo • Fatores que tornam uma cena “real” • Efeitos de lente • Fotorrealismo e jogos • Tendências Fotorrealismo 31/05/2010

3. Introdução O que é Fotorrealismo? Fotorrealismo é uma visão artística, para a qual a representação detalhada de suas obras é o objetivo principal. Escultura do artista australiano Ron Mueck. Fotorrealismo 31/05/2010

4. Introdução O que é Fotorrealismo? Com computadores, a renderização é o processo de gerar imagens a partir de modelos tridimensionais, os quais devem conter alguns dados que serão discutidos mais adiante. Imagens criadasutilizando POV-Ray 3.6 Fotorrealismo 31/05/2010

5. Motivação Por que usar Fotorrealismo? • Arquitetura • Marketing • Engenharia • Jogos Fotorrealismo 31/05/2010

6. Evolução Quais ferramentas são utilizadas? • Algoritmos • Hardware • Software Fotorrealismo 31/05/2010

7. Fatores que tornam uma cena “real” • Iluminação • Materiais • Sombras Fotorrealismo 31/05/2010

8. Iluminação Fotorrealismo 31/05/2010

9. Iluminação • A manipulação da luz é fundamental nos aspectos realísticos da cena • A maioria dos objetos não emite luz própria, pelo contrário, reflete a radiação neles incidente em diferentes comprimentos de onda • Todo objeto numa cena é potencialmente uma fonte de luz podendo emitir ou refletir luz Fotorrealismo 31/05/2010

10. Modelo de iluminação • Propriedades das fontes de luz: intensidade, cor, posição, direção e forma • Propriedades dos materiais: reflexão, absorção e transmissão da luz incidida • Interação entre as fontes de luz • Interação entre os materiais iluminados Fotorrealismo 31/05/2010

11. Absorção x Reflexão x Refração • Raios de luz podem ser absorvidos, refletidos ou refratados • Na absorção a energia do raio de luz é convertida em calor • A luz pode ser refletida ou transmitida Fotorrealismo 31/05/2010

12. Reflexão ambiente • A luz ambiente não possui uma direção identificada • Determina o nível de iluminação das superfícies no ambiente • A luz ambiente não possui a propriedade de iluminar outros objetos • Superfícies que não recebem raios de luz diretos da fonte são visíveis devido à luz ambiente Fotorrealismo 31/05/2010

13. Reflexão difusa • Iluminação recebida por uma superfície e é refletida uniformemente em todas as direções • Comum em materiais foscos Fotorrealismo 31/05/2010

14. Reflexão especular • Pontos de brilho • A luz refletida fica concentrada em determinados locais do objeto • Depende do ponto de vista do observador • Comum em superfícies polidas • Faz com que objetos do tipo espelho apresentem a imagem de outros objetos da cena Fotorrealismo 31/05/2010

15. Refração • Diferentes índices de refração em diferentes meios • Os objetos localizados atrás do objeto atingido pela luz não se encontram na sua verdadeira posição Fotorrealismo 31/05/2010

16. Técnicas de iluminação • Luz Principal (Key Light) • Resulta numa imagem plana e sem vida com sombras marcadas, porque não há uma luz ambiente natural para iluminar as áreas sombreadas • Luz de Preenchimento (Fill Light) • Suaviza e estende a iluminação provida pela luz principal tornando o objeto alvo mais visível, fornecendo a noção de profundidade e a sensação de realidade à cena • Luz de Recuo (Back Light) • Luz de fundo ou borda e tem como objetivo auxiliar a visualização do objeto alvo separando-o do fundo. É posicionada atrás do objeto e oposta à câmera. Fotorrealismo 31/05/2010

17. Iluminação local • Considera apenas as interações individuais entre uma fonte de luz e um objeto, e a posição do observador • Não simula fenômenos como sombras e reflexões entre objetos • Em geral, apresentam baixo realismo • Rápida para cálculo • Não é fisicamente correta Fotorrealismo 31/05/2010

18. Modelos de iluminação local • Modelo de Lambert • É um modelo empírico • Baseado na suposição de que todos os objetos refletem a mesma quantidade de luz em todas as direções • Válido para superfícies idealmente difusas Fotorrealismo 31/05/2010

19. Modelos de iluminação local • Modelo de Phong • O modelo de Phong adiciona a contribuição de luz especular ao modelo de Lambert • Um dos modelos mais comuns utilizados em computação gráfica • A luz em qualquer ponto é composta por três componentes: luz difusa, luz especular e luz ambiente. Fotorrealismo 31/05/2010

20. Lambert - Phong Fotorrealismo 31/05/2010

21. Modelo Phong Fotorrealismo 31/05/2010

22. Iluminação Global • Um ponto é iluminado por todos os emissores e refletores da cena • Maior custo computacional • Maior realismo que iluminação local • Efeitos mais suaves • Simula sombras, reflexões e transmissões Fotorrealismo 31/05/2010

23. Ray Tracing • Funcionamento • Simula a natureza • Raios “saindo” da câmera Fotorrealismo 31/05/2010

24. Ray Tracing • Ray Casting • Ray Tracing Distribuído Fotorrealismo 31/05/2010

25. Path Tracing • Muito mais complexo que o Ray Tracing • Tenta simular o máximo a natureza • Método unbiased • Usado para validar outros • algoritmos Fotorrealismo 31/05/2010

26. Radiosidade • Baseado na teoria de transferência de calor • Pode ser usada com outras técnicas Fotorrealismo 31/05/2010

27. HighDynamic Range • Olho humano consegue perceber uma grande variação de contraste • Usada para dar mais realidade a cena • Gera efeitos como Bloom e Glare Fotorrealismo 31/05/2010

28. “BxDF”s • Funções de distribuição bidirecionais • Dada uma direção de incidência de energia luminosa, em que quantidade e em quais direções a energia é emitida • BSDF (Bidirectionalscatteringdistributionfunction) • A mais genérica • Descreve o espalhamento dos raios de maneira geral Fotorrealismo 31/05/2010

29. BSSRDF • BSSRDF (Bidirectionalsurfacescatteringreflectancedistributionfunction) • Descreve o espalhamento dos raios em uma dada superfície Fotorrealismo 31/05/2010

30. BRDF • BRDF (Bidirectionalreflectancedistributionfunction) • É uma BSSRDF simplificada • Assume que a luz entra e sai no mesmo ponto Fotorrealismo 31/05/2010

31. BTDF • BTDF (Bidirectionaltransmittancedistributionfunction) • Similar à BRDF sendo q para o lado oposto da superfície Fotorrealismo 31/05/2010

32. Gonioreflectômetro Fotorrealismo 31/05/2010

33. Materiais • Superfícies diferentes têm propriedades diferentes • A cor do material é dada pela percentagem das componentes RGB que são refletidas em várias direções • Materiais plásticos, metálicos, especulares, foscos, retro-reflexivos, etc Fotorrealismo 31/05/2010

34. Materiais Fotorrealismo 31/05/2010

35. Materiais Fotorrealismo 31/05/2010

36. CUReT • Columbia-UtrechtReflectanceandTexture Database Fotorrealismo 31/05/2010

37. Sombras Fotorrealismo 31/05/2010

38. Porque sombras são importantes? Sombras são essenciais para o aumento do realismo das cenas Por que? Influenciam bastante na percepção espacial de cenas 3D, pois auxiliam na percepção do posicionamento relativo dos objetos • Podem remover ambigüidades sobre a trajetória de um objeto Exemplo • Ajudam a entender a geometria de um receptor complexo • Ajudam a entender a geometria de um objeto complexo Exemplo Fotorrealismo 31/05/2010

39. Sombras e Fontes de Luz Sombras somente existem porque há emissão de luz Elas são projetadas de maneiras diferentes, de acordo com: + A visibilidade da fonte de luz + O número de fontes de luz Considerações: + Não há sombras se a fonte de luz coincide com o ponto de observação + Se a fonte de luz é pontual não há zonas de penumbra geradas por essa fonte Fotorrealismo 31/05/2010

40. Sombras Projetadas Podem ser de 2 tipos: • HardShadows (sombras “duras” ou “rígidas”) • SoftShadows (sombras “moles” ou “suaves”) Fotorrealismo 31/05/2010

41. Hard Shadows Pelo senso-comum, a noção de sombra é uma coisa binária, ou seja, um determinado ponto OU está na sombra OU não está. Essa idéia faz sentido se falarmos de hard shadows Este tipo sombra é produzido por fontes de luz pontuais A sensação transmitida por este tipo de sombra não é realista Ainda assim são bastante utilizadas, pois são bem mais fáceis de calcular em tempo real Fotorrealismo 31/05/2010

42. Soft Shadows Num caso mais realista, onde as fontes de luz são corpos extensos finitos, um ponto no receptor pode ter uma visão parcial da luz, produzindo soft shadows Este tipo sombra é produzido por fontes de luz não-pontuais A sensação transmitida por este tipo de sombra é mais realista É formada por 2 regiões: • Umbra: região onde a fonte de luz está totalmente bloqueada • Penumbra: região onde a fonte de luz está parcialmente visível Muito custoso, difícilde calcular em tempo real Fotorrealismo 31/05/2010

43. Hard Shadows x Soft Shadows Exemplo: alternando hard e soft shadows num mesmo objeto Fotorrealismo 31/05/2010

44. Sombras Projetadas (cont.) Embora a criação de uma sombra seja facilmente descrita pela tripla (fonte de luz, obstáculo, receptor), existem outras situações mais complexas. Como exemplo: • veremos a situação das Múltiplas Sombras • veremos a situação das Self-Shadows Fotorrealismo 31/05/2010

45. Múltiplas Sombras • Sombras de várias fontes de luz São relativamente fáceis de obter, se soubermos como lidar com uma única fonte Basta somar a contribuição de cada fonte de luz Exemplo • Sombras de vários objetos Para fontes de luz pontuais: a área de sombra é a união de todas as sombras individuais Para fontes de luz não-pontuais: é bem mais complicado, devido às diferentes funções de visibilidade parcial dos objetos Fotorrealismo 31/05/2010

46. Self-Shadows A existência de self-shadows consiste no fato de que um objeto real, além de projetar sua sombra sobre os objetos ao seu redor, pode também projetá-la sobre si mesmo Self-shadowing faz exatamente isso, calcula a projeção das sombras de um objeto sobre ele mesmo e sobre os demais objetos à sua volta O resultado é de um realismo impressionante, é ele quem possibilita enxergar, por exemplo, um rosto com apenas meia face iluminada Fotorrealismo 31/05/2010

47. Efeitos de Lente • Causam alterações nas imagens • Acontecem por causa de características do meio óptico utilizado Fotorrealismo 31/05/2010

48. Bloom Fotorrealismo 31/05/2010

49. Bloom • Espalhamento da luz • Parte do HDR • Menor custo Fotorrealismo 31/05/2010

50. Bloom • Processo: • Extração dos highlights • Blurring dos highlights • Composição da imagem final Fotorrealismo 31/05/2010