Simulação de Iluminação Volumétrica

1. Simulação de Iluminação Volumétrica Trabalho de Graduação em Computação Gráfica Aluno – Saulo A. Pessoa, sap@cin.ufpe.br Orientador – Sílvio de B. Melo, sbm@cin.ufpe.br 28 de agosto de 2007

2. Roteiro • Introdução • Motivação • Objetivos • Relevância • Contextualização • Solução Proposta • Interação entre luz e partículas • Espalhamento da luz • Modelo de shading • Técnica de renderização • “Visultados” • Conclusões • Problemas Encontrados • Trabalhos Futuros • Referências

3. Motivação • Indústrias demandam imagens e efeitos realistas • Cinema • Jogos eletrônicos [Pixar] [OffsetSoftware]

4. Motivação • Advento das GPUs • Grande capacidade de processamento gráfico • Alguns fenômenos naturais ocorrem devido ao meio ser participativo • Iluminação Volumétrica

5. Objetivos • Revisão bibliográfica • Evolução e estado da arte sobre efeitos atmosféricos • Implementação • Escolha e adaptação do modelo de shading • Estudo das tecnologias de desenvolvimento • OpenGL, C++ • Codificação do simulador interativo

6. Relevância • Efeitos de iluminação volumétrica transmitem: • Atmosfera sombria • Clima de mistério • Ideal para ser aplicado em jogos e filmes de terror/suspense • Atualmente, alguns motores de jogo já possuem luzes volumétricas] • Torque Game Engine[Torque] • CryENGINE 2[Crytek] [AlanWake]

7. Contextualização • Inúmeros tipos de efeitos atmosféricos ocorrem na natureza[Cowley03] • Variação da cor do céu durante o crepúsculo • Iluminação Volumétrica • Arco-íris • Raios crepusculares • Nuvens • Neblina • Etc.

8. Contextualização • O que já foi feito? • [CosmicArk82] • [Nishita87] • [Jensen98] • [Dobashi00] • [Dobashi02] • [James03] • [Torque] • [Mitchell04] • [Zhu04]

9. Contextualização • O que já foi feito? • [CosmicArk82] • [Nishita87] • [Jensen98] • [Dobashi00] • [Dobashi02] • [James03] • [Torque] • [Mitchell04] • [Zhu04]

10. Contextualização • O que já foi feito? • [CosmicArk82] • [Nishita87] • [Jensen98] • [Dobashi00] • [Dobashi02] • [James03] • [Torque] • [Mitchell04] • [Zhu04]

11. Contextualização • O que já foi feito? • [CosmicArk82] • [Nishita87] • [Jensen98] • [Dobashi00] • [Dobashi02] • [James03] • [Torque] • [Mitchell04] • [Zhu04]

12. Contextualização • O que já foi feito? • [CosmicArk82] • [Nishita87] • [Jensen98] • [Dobashi00] • [Dobashi02] • [James03] • [Torque] • [Mitchell04] • [Zhu04]

13. Contextualização • O que já foi feito? • [CosmicArk82] • [Nishita87] • [Jensen98] • [Dobashi00] • [Dobashi02] • [James03] • [Torque] • [Mitchell04] • [Zhu04]

14. Contextualização • O que já foi feito? • [CosmicArk82] • [Nishita87] • [Jensen98] • [Dobashi00] • [Dobashi02] • [James03] • [Torque] • [Mitchell04] • [Zhu04]

15. Contextualização • O que já foi feito? • [CosmicArk82] • [Nishita87] • [Jensen98] • [Dobashi00] • [Dobashi02] • [James03] • [Torque] • [Mitchell04] • [Zhu04]

16. Contextualização • O que já foi feito? • [CosmicArk82] • [Nishita87] • [Jensen98] • [Dobashi00] • [Dobashi02] • [James03] • [Torque] • [Mitchell04] • [Zhu04]

17. Solução Proposta • Interação entre luz e partículas[Biri02] • Modelo de shading • Baseou-se em Dobashi[Dobashi00] • Técnica de renderização • Similar as técnicas de renderização volumétrica • Utiliza texturas projetivas[Segal92]

18. Interação entre Luz e Partículas

19. Interação entre Luz e Partículas ‘

20. Interação entre Luz e Partículas • Absorção • Expressa pela equação de Beer-Lambert: • Onde • = coeficiente de extinção (proporcional à densidade das partículas) • = distância

21. fonte de luz Ip Io P α Interação entre Luz e Partículas • Espalhamento da luz • Espalhamento de Mie • Ocorre quando o tamanho das partículas é grande comparado com o comprimento de onda da luz • Modelado por uma função de fase • Onde • = constante • = ângulo de fase

22. fonte de luz câmera Io Ic T objeto Modelo de Shading • Sem espalhamento atmosférico

23. fonte de luz r volume de luz câmera Ip t Io Ic α P T objeto Modelo de Shading • Com espalhamento atmosférico • Onde • = função de visibilidade • = intensidade luminosa que alcança o ponto

24. Discretizando

25. Função de Visibilidade e de Iluminação

26. “Visultados” = 50, QUADs = 30x30, = 0.9, = 20, = 0.04, fps = 28

27. “Visultados” = 40, QUADs = 30x30, = 0.5, = 30, = 0.07, fps = 37

28. “Visultados” = 55, QUADs = 10x10, = 0.2, = 25, = 0.05, fps = 28

29. Conclusões • Método proposto obtém bons resultados visuais • Modelo fisicamente mais correto • O método é adequado para aplicação em jogos eletrônicos • Custo Computacional x Qualidade Visual

30. Problemas Encontrados • Faixas • Interseção entre planos de amostragem e geometria da cena • Aliasing • Mapas de iluminação com altas freqüências • Quantização • Baixa precisão do color buffer • Função de visibilidade • Perpendicularidade entre direção da luz e planos de amostragem

31. Problemas Encontrados • Faixas • Interseção entre planos de amostragem e geometria da cena • Aliasing • Mapas de iluminação com altas freqüências • Quantização • Baixa precisão do color buffer • Função de visibilidade • Perpendicularidade entre direção da luz e planos de amostragem

32. Problemas Encontrados • Faixas • Interseção entre planos de amostragem e geometria da cena • Aliasing • Mapas de iluminação com altas freqüências • Quantização • Baixa precisão do color buffer • Função de visibilidade • Perpendicularidade entre direção da luz e planos de amostragem

33. Problemas Encontrados • Faixas • Interseção entre planos de amostragem e geometria da cena • Aliasing • Mapas de iluminação com altas freqüências • Quantização • Baixa precisão do color buffer • Função de visibilidade • Perpendicularidade entre direção da luz e planos de amostragem

34. Trabalhos Futuros • Tratar o caso em que densidade das partículas é variável • Utilizar shaders programáveis para aumentar a performance • Resolver os problemas visuais encontrados • Tratar o caso em que a fonte de luz é onidirecional • Combinar o efeito de iluminação volumétrica com outros efeitos

35. Referências • [Pessoa07].“Simulação de IluminaçãoVolumétrica”. Trabalho de GraduaçãoemComputaçãoGráfica. • [Pixar]. Disponível em: http://www.pixar.com/index.html. Último acesso: 26/07/2007. • [OffsetSofware]. Disponível em: http://www.projectoffset.com/. Último acesso: 27/07/2007. • [AlanWake]. Disponível em: http://www.alanwake.com/. Último acesso: 26/07/2007. • [Cowley]. L. Cowley. “Atmospheric Optics”. Disponível em: http://www.atoptics.co.uk/. Último acesso: 31/07/2007. • [Nishita87]. T. Nishita, Y. Miyawaki e E. Nakamae. “A shading model for atmospheric scattering considering luminous intensity distribution of light sources”. In SIGGRAPH ’87: Proceedings of the 14th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, pages 303–310, New York, NY, USA, 1987. ACM Press. • [Jensen98]. H. Jensen e P. Christensen. "Efficient Simulation of Light Transport in Scenes with Participating Media using Photon Maps". In Proceedings of SIGGRAPH'98, pages 311-320, Orlando, July 1998. • [Dobashi00]. Y. Dobashi, T. Yamamoto e T. Nishita. “Interactive rendering method for displaying shafts of light”. In PG ’00: Proceedings of the 8th Pacific Conference on Computer Graphics and Applications, page 31, Washington, DC, USA, 2000. IEEE Computer Society.

36. Referências • [Dobashi02]. Y. Dobashi, T. Yamamoto e T. Nishita, "Interactive Rendering of Atmospheric Scattering Effects Using Graphics Hardware," Graphics Hardware, 2002.  • [James03]. R. James. “Graphics programming methods”, cap. 3.12 “True volumetric shadows”. Charles River Media, Rockland, MA, USA. 2003. • [Torque]. Disponível em:http://www.garagegames.com/. Último acesso: 16/08/2007. • [Zhu04]. Y. Zhu, G. Owen, F. Liu e A. Aquilio. “Gpu-based volumetric lighting simulation”. In CGIM ’04: Proceedings of The 7th IASTED International Conference on COMPUTER GRAPHICS AND IMAGING, page 479, Kauai, Hawaii, USA, 2004. IASTED/ACTA Press.  • [Mitchell04]. J. Mitchell. “ShaderX3: Advanced Rendering with DirectX and OpenGL”, cap. 8.1 “Light Shaft Rendering”. Charles River Media. 2004. • [Biri02]. V. Biri, S. Michelin e D. Arquès. “Real-Time Animation of Realistic Fog”. Thirteenth Eurographics Workshop on Rendering, 2002. • [Segal92] M. Segal, C. Korobkin, R. V. Widenfelt, J. Foran e P. E. Haeberli. “Fast Shadows and Lighting Effects Using Texture Mapping”. Computer Graphics, Vol. 26, No. 2, pages 249-252, 1992.

37. Simulação de Iluminação Volumétrica Trabalho de Graduação em Computação Gráfica Aluno – Saulo A. Pessoa, sap@cin.ufpe.br Orientador – Sílvio de B. Melo, sbm@cin.ufpe.br 28 de agosto de 2007