Transcript Cours_Illumination

Synthèse d’images
Chaîne de Synthèse
Réel
Modélisation
Fichier Scène
ex. VRML, ...
Rendu
Image
Fichier Image
ex. BMP, JPG, ...
• Elimination des parties cachées
• Illumination des objets
Imagerie Numérique - 2
Introduction
• Lois de l’optique géométrique (Descartes)
– Modèle le plus simple (rayon lumineux)
– Propagation rectiligne, principe du chemin inverse
– Rayon incident, réfléchi et transmis dans le même plan
n1
n2
r  i
n1 sin i   n 2 sin t 
• Approches locales
– Seuls les éclairages directs sont pris en considération
– Permet d’expliquer les effets simples (ombre, pénombre, pleine lumière)
– Les effets des éclairages indirects sont simulés (souvent de manière assez approximative).
Imagerie Numérique - 3
Introduction
Imagerie Numérique - 4
Rendu
Illumination (approches locales)
Modèle de réflexion
• Un modèle de réflexion décrit l’interaction entre la lumière et une surface
en fonction des propriétés du matériau constitutif de la surface ainsi que de
la nature de la lumière et de son incidence.
lumière incidente
normale
lumière
réfléchie
réflexion spéculaire
Réflexion diffuse
lumière
transmise
lumière réfractée
Une partie du flux lumineux est absorbée par le matériau.
Imagerie Numérique - 6
Flat : une seule
couleur par
facette
Paramètres Lumière & Matière
• Source lumineuse
– couleur de la lumière
– ambiante, ponctuelle, directionnelle, spot
– intensité, facteur d’atténuation
• Matériaux des objets
– couleur propre (diffuse et spéculaire), couleur émissive.
– surface lambertienne, spéculaire, mixte
lambertienne
spéculaire
diffuse directionnelle
– transparence
– textures
Imagerie Numérique - 7
Le modèle Lambertien
intensité lumineuse diffuse
I d  kd I l (cos )
Il
énergie dispersée
Incidence normale ;
énergie conservée
Incidence nulle ;
Pas d’énergie
Imagerie Numérique - 8
Le modèle de Phong
intensité lumineuse réfléchie
• Le modèle d’illumination de Phong permet de calculer la
quantité de lumière réfléchie spéculaire allant vers
l’observateur en fonction du matériau.
I s  ks Il (cos )
nsh in y

ks
: Angle entre le rayon de lumière réfléchie R et l’observateur V
: Luminance spéculaire
nshiny : Brillance de l’objet
L
N
R
 

V
Imagerie Numérique - 9
Le modèle de Phong
n
e
v
s
direction
spéculaire
coupe de la surface par le plan
e n
Réflectance pour un matériau lambertien (pas de spécularité)
Réflectance pour un matériau légèrement spéculaire
Réflectance pour un matériau moyennement spéculaire
Imagerie Numérique - 10
Le modèle de Phong
Si on déplace une source lumineuse
Si on change la brillance
Imagerie Numérique - 11
Le modèle de Cook-Torrance
Ce modèle corrige une faiblesse du modèle de Phong en ce qui concerne la
composante spéculaire ; en effet, pour beaucoup de matériaux (métalliques,
entre autres), la protubérence spéculaire augmente avec l’angle d’incidence et
s’écarte de la direction de spéculaire.
e1
n
s1
e2
s2
Réflectance avec l’éclairage 1
Réflectance avec l’éclairage 2 (pour le même matériau)
Imagerie Numérique - 12
Rendu
Algorithmes de Rendu
Le rendu des polygones
• Etant donné un modèle d’illumination local (ex. Phong), comment « rendre »
en globalité les polygones de la scène ?
• Les algorithmes de rendu travaillent presque toujours avec des maillages de
polygones... c ’est beaucoup plus simple et rapide !
• Algorithmes de rendu
–
–
–
–
–
fil de fer
rendu facette
Gouraud
Phong
Texturation
Imagerie Numérique - 14
Rendu facette (flat shading)
• C’est l’algorithme le plus simple dans la mesure où il n’y a pas
d’interpolation entre les faces. Tous les points d’une face ont la même
normale.
• Les points sont rendus en utilisant le modèle d’illumination Lambertien,
par exemple.
• Les arêtes entre faces sont partout visibles (discontinuité des normales).
Imagerie Numérique - 15
Gouraud
• Cet algorithme améliore le rendu en faisant une interpolation entre les faces
appartenant à un même groupe (smoothing group).
• On attribue à chaque sommet une “normale” qui est la moyenne des
normales des faces aboutissant au sommet.
n1
n
n3
n  14 (n1  n2  n3  n4 )
n4
n2
Imagerie Numérique - 16
Gouraud (suite)
• Calcul de l’intensité réfléchie sur chaque sommet (avec le modèle
d’illumination de Phong par exemple).
• L’interpolation des intensités réfléchies (ou plus simplement des couleurs)
se fait alors le long des arêtes et ensuites dans les faces.
Ymax
CYmin , CYmax  shadingat Ymin,Ymax
Y
Cy 
y
Y  Y minCY max  Y max Y CY min
Y max Y min
Ymin
x
• Plus rapide que de calculer l’illumination pour chaque pixel.
• Le rendu spéculaire n’est pas de très bonne qualité; en effet, une réflexion
spéculaire doit apparaître à un sommet pour être rendue.
Imagerie Numérique - 17
Phong
•
•
•
•
Interpolation des normales plutôt que des couleurs
Méthode d’interpolation identique
L’intensité réfléchie n’est calculée qu’après interpolation des normales.
Le rendu spéculaire est de bien meilleure qualité que dans le cas de
l’algorithme de Gouraud.
n1
na ns
nb
n3
ligne de
scanning
n2
Imagerie Numérique - 18
Phong
Les arêtes visibles séparent des faces appartenant à des groupes différents.
Imagerie Numérique - 19
Rendu facette
Gouraud
Phong
Imagerie Numérique - 20
Comparaison des algorithmes de rendu
– Rendu facette (pas d’interpolation)
Couleur constante pour chaque polygone
Peu coûteux
– Gouraud (interpolation des couleurs)
Rendu pour chaque sommet
Interpolation linéaire des couleurs sur le polygone
Coût : 3 entiers additionnés pour chaque pixel
– Phong (interpolatation des normales)
Calcul des normales des sommets
Interpolation linéaires des normales sur le polygone
Utilisation des normales interpolées pour rendre chaque pixel (cher !)
Coût : de 10 à 100 opérations sur des réels pour chaque pixel
Imagerie Numérique - 21
Gouraud - exercice
• Calculer la couleur du pixel M.
B(0,0,1)
0.5
E
0.9
0.6 M
F
C(1,1,0)
A(1,0,0)
Imagerie Numérique - 22
Modèle d’illumination d’OpenGL
• Adaptation du modèle Phong
Ambiant
Emission
Réflectance
Intensité atténuée
Imagerie Numérique - 23