Teoria Unidad 4 Graficacion

Unidad 4

Iluminación y sombreado

4.1 Relleno de polígonos

Polígono es una figura básica dentro de las representaciones y tratamiento de imágenes bidimencionales y su utilización es muy interesante para modelar objetos del mundo real.

En un sentido amplio, se define como una región del espacio delimitada por un conjunto de lineas (aristas) y cuyo interior puede estar rellenado por un color o patrón dado.

CASOS DE RELLENO SEGÚN SU COMPLEJIDAD

El caso mas sencillo de relleno es el triangulo.

Luego sigue el relleno de polígonos convexos de N-lados.

Relleno de polígonos cóncavos

MÉTODO DE RELLENO DE POLÍGONOS CON COLOR

· SCAN-LINE.

· INUNDACIÓN.

· FUERZA BRUTA.

· PATRÓN.

SCAN-LINE

Fila a fila van trazando lineas de color entre aristas. para scan-line que cruce el polígono se busca en la intersección entre las lineas de barrido y las aristas del polígono.Dichas intersecciones se ordenan y se rellenan a pares

LINEA DE BARRIDO

Es valido para polígonos cóncavos como convexos. Incluso para si el objeto tiene huecos interiores.

Funcionan en el trozo de lineas horizontales, denominadas lineas de barridos, que intersectan un numero de veces, permitiendo a partir de ella identificar los puntos que se consideran interiores al polígono.

INUNDACIÓN

· Empieza en un interior y pinta hasta encontrar la frontera del objeto.

· Partimos de un punto inicial (x,y), un colo de relleno y un color de frontera.

· El algoritmo va testeando los píxeles vecinos a los ya pintados, viendo si son frontera o no.

· No solo sirven para polígonos, sino para cualquier área curva para cualquier imagen AE se usan los programas de dibujo.

FUERZA BRUTA

· Calcula una caja contenedora del objeto.

· Hace un barrido interno de la caja para comprobar c/pixel este dentro del polígono.

· Con polígonos simétricos basta con que hagamos un solo barrido en una sección y replicar los demás pixeles.

· Requiere aritmética punto-flotante, esto lo hace preciso y costoso.

RELLENO MEDIANTE UN PATRÓN

Un patrón viene definido por el área rectangular en el que cada punto tiene determinado color o novel de gris. Este patrón debe repetirse de modo periódico dentro de la región a rellenar. Para ello debemos establecer una relación entre los puntos del patrón y los pixeles de la figura. En definitiva debemos determinar la situación inicial del patrón respecto a la figura de tal forma que podamos establecer una correspondencia entre los pixeles interiores al polígono y los puntos del patrón.

ALTERNATIVAS PARA LA SITUACIÓN INICIAL DEL PATRÓN

Consiste en situar el punto asociado a la esquina superior izquierda del patrón en un vértice del polígono.

1. Considerar la región a rellenar en toda la pantalla y por lo tanto el patrón se citua en el origen de esta (esquina superior izquierda).

EJEMPLO DE SCAN-LINE

· Encontrar las intersecciones de los scanlines en el polígono.

· Almacenar las intersecciones en alguna estructura de datos ET (edge table), de manera ordena ascendiente en Y y en X en buckets.

· Rellenar los spans usando la estructura.

· Usar algún criterio de paridad para saber cuando un intervalo debe ser rellenado o no.

4.2 Modelos básicos de iluminación

Luz ambiental

Corresponde al modelo en el cual cada objeto se presenta con una intensidad intrínseca. Se puede considerar este modelo, que no tiene una fuente de luz externa, como la descripción de un mundo ligeramente irreal de objetos no reflejantes y auto luminosos.

Un modelo de iluminación se puede expresar con una ecuación de iluminación de variables asociadas con el punto en el objeto que se sombrea. La ecuación de iluminación que expresa este sencillo modelo es:

I = Ki

Donde I es la intensidad resultante y el coeficiente Ki es la intensidad intrínseca del objeto.

En un lugar de Autoluminosidad hay una fuente luminosa difusa no direccional, producto de reflexiones múltiples de la luz en las superficies presente en el ambiente. Esto se conoce como luz ambiental. Si suponemos que la luz ambiental afecta de la misma forma a todas las superficies desde todas las direcciones, nuestra ecuación se convierte en:

I = Ia * Ka

Donde,

Ia es la intensidad de la luz ambiental (constante para todos los objetos); y,

Ka es la cantidad de luz ambiental reflejado por la superficie de un objeto, su valor está entre 0 y 1 y se conoce como el Coeficiente de Reflexión Ambiental. Este valor es una propiedad material no una propiedad física.

Reflexión difusa

En este caso se requiere una fuente luminosa puntual cuyos rayos emanan uniformemente en todas las direcciones a partir de un único punto. La brillantez de un objeto varia de una parte a otra, dependiendo de la dirección y la distancia de éste con respecto a la fuente luminosa.

Reflexión Lambertiana

Se trata de superficies que aparecen con la misma brillantez desde todos los ángulos de observaciones, pues reflejan la luz con igual intensidad en todas las direcciones.

En segundo lugar, se debe considerar la cantidad de luz que ve el observador. Las superficies lambertianas tienen la propiedad de que la cantidad de luz que reflejan hacia el observador en un área diferencial dA es directamente proporcional al coseno del ángulo entre la dirección al observador y el vector normal N, esto es independiente del material.

I = Ip * Kd * cos φ = Ip * Kd * (N • L), 

· N y L son vectores normalizados, N normal a la superficie en el punto a calcular y L apuntando a la fuente de luz.

· Ip es la intensidad de la fuente luminosa puntual.

· Kd es el coeficiente de reflexión difusa del material, el cual es una constante entre 0 y 1 y varía de un material a otro.

· El ángulo φ debe estar entre 0º y 90º para que tenga efecto directo en el punto sombreado (superficie autocluyente).

Reflexión especular

La reflexión especular se puede observar en cualquier superficie brillante.

En un espejo perfecto α = 0, sólo en la dirección del vector R se puede ver la reflexión de la luz (reflecto perfecto). En este caso el vector V representa la dirección del observador.

Modelo de Phong

Phong Bli-Tong desarrolló un modelo de iluminación para reflectores imperfectos. El modelo supone que la máxima reflectancia especular ocurre cuando α es cero y decrece rápidamente conforme aumenta α. Esta caída rápida se aproxima por cosnα, donde n es el exponente de reflexión especular del material.

La cantidad de luz incidente que se refleja especularmente depende del ángulo de incidencia θ. Si W(θ) es la fracción de luz reflejada especularmente, el Modelo de Phong queda:

I = Ia * Ka + fatt * Ip * [Kd * cosθ + W(θ) * cosnα]

Si se utilizan vectores normalizados (R y V), si Ks, que corresponde al coeficiente de reflexión especular del material, reemplaza a W(θ, conservando su valor, el que varía entre 0 y 1, seleccionándolo empíricamente para producir resultados atractivos y si, además, se consideran los componentes de un modelo de colores (Odλ) de la luz difusa, entonces el modelo de Phong queda:

Iλ = Iaλ * Ka * Odλ + fatt * Ipλ * [Kd * Odλ * (N•L) + Ks * (R•V)n]

donde

Odλ Componente difuso perteneciente a la longitud de onda λ.

Iaλ Componente λ de la iluminación ambiental

Ipλ Componente λ de la iluminación puntual que produce reflexión difusa y especular. 

Fuentes Luminosas Múltiples

Si se suman m fuentes luminosas, los términos de cada una de ellas deben agregarse a la fórmula, quedando esta como:

Iλ = Iaλ * Ka * Odλ + Σ i=1,n (fatti * Ipλi * [Kd * Odλ * (N•Li ) + Ks (Ri•V) n]) 

4.3 Tecnicas de Sombreado.

EN CIERTAS CONDICIONES, UN OBJETO CON SUPERFICIES PLANAS PUEDE SOMBREARSE EN FORMA REALISTA UTILIZANDO INTENSIDADES DE SUPERFICIE CONSTANTES. EN EL CASO DONDE UNA SUPERFICIE SE EXPONE SOLAMENTE A LA LUZ AMBIENTE Y NO SE APLICAN DISEÑOS, TEXTURAS O SOMBRAS DE SUPERFICIE, EL SOMBREADO CONSTANTE GENERA UN A REPRESENTACIÓN EXACTA DE LA SUPERFICIE.

UNA SUPERFICIE CURVA QUE SE REPRESENTA COMO UN CONJUNTO DE SUPERFICIES PLANAS PUEDE SOMBREARSE CON INTENSIDADES DE SUPERFICIE CONSTANTE, SI LOS PLANOS SE SUBDIVIDEN LA SUPERFICIE SE HACE LO SUFICIENTEMENTE PEQUEÑOS.

La siguiente figura muestra un objeto modelado con sombreado constante.

CON ESTE MÉTODO, LA INTENSIDAD SE CALCULA EN UN PUNTO INTERIOR DE CADA PLANO Y TODA LA SUPERFICIE SE SOMBREA CON LA INTENSIDAD CALCULADA. CUANDO LA ORIENTACIÓN ENTRE PLANOS ADYACENTES CAMBIA EN FORMA ABRUPTA, LA DIFERENCIA EN INTENSIDADES DE SUPERFICIE PUEDE PRODUCIR UN EFECTOS ÁSPERO O IRREAL. PODEMOS ALISAR LAS DISCONTINUIDADES DE INTENSIDAD SOBRE CADA SUPERFICIE DE ACUERDO CON ALGÚN ESQUEMA DE INTERPOLACIÓN.

Sombreado Interpolado

Este método es muy fácil de usar en un algoritmo de línea de barrido que interpola el valor de z en un tramo a partir de valores de z interpolados que se calculan para los puntos extremos del tramo.

Es recomendable usar una ecuación de diferencias para aumentar la eficiencia en la determinación del valor de z en cada pixel. Aunque la interpolación z es físicamente correcta (suponiendo que el polígono es plano), observe que el sombreado interpolado no lo es, ya que sólo aproxima la evaluación del modelo de iluminación en cada punto del polígono. 

Sombreado de una Malla Poligonal

Si se quiere aproximar una superficie curva a través de una malla de polígonos y cada faceta se sombrea individualmente entonces cada polígono será claramente distinguible de sus polígonos vecinos. Aunque la malla sea más fina no se logrará una mejora debido al Efecto de Banda de Mach. Este efecto es ocasionado por la inhibición de laterales de los receptores del ojo.

Sombreado de Gouraud

Este modelo utiliza fundamentalmente la interpolación, aunque no se elimina completamente el efecto de la banda de Mach. El siguiente paso en el sombreado de Gouraud es encontrar las intensidades de los vértices. Esto se hace usando las normales a los vértices y cualquier modelo de iluminación. Luego cada polígono se sombrea a lo largo de las aristas usando interpolación lineal de las intensidades de los vértices. Finalmente, se interpola entre las aristas a lo largo de las líneas de barrido.

Sombreado de Phong

También llamado sombreado de interpolación de normales, porque interpola el vector normal a la superficie en lugar de la intensidad. La interpolación ocurre en un tramo de polígono sobre una línea de rastreo, entre las normales inicial y final del tramo. A su vez, estas normales se interpolan en las aristas de los polígonos a partir de normales a vértices que se calculan como en el sombreado de Gouraud.

Conclusion:En esta unidad aprendimos que los objetos tridimensionales pueden ser mejorados cuando se agrega iluminacion y sombras. La iluminacion se crea a partir de un ente que emite luz dentro de la animacion, la cual se proyecta por el espacion hasta chocar con un objeto, dependiendo de la posicion, distancia y angulo del emisor de luz, es como se iluminara el objeto. Dependiendo de esto es como se crearan las sombras. Las sombras pueden ser creadas con distintos metodos, y de estos dependen como se rellenaran, si las sombras estaran seccionadas o difuminadas, etc. 

Una figura en el espacio describe gran cantidad de variables en su interior, exterior e incluso a otros objetos que le rodea o que están relacionados. En la computación grafica se intenta simular lo más exacto a la realidad, un objeto cualquiera.

Entendí que para poder visualizar un objeto, necesita de varias técnicas de iluminación aplicadas simultáneamente para poder apreciar la calidad de su figura, e implícitamente una técnica de sombreado que marque a la figura y sus límites, pues sin la técnica de sombreado correcta, no se apreciaría los diferentes matices de colores que un objeto describe, ni observar un detallado contorno que posee la figura.

También entendí sobre las técnicas de relleno de polígonos, donde se describió las diferentes técnicas para colorear o rellenar una figura de un color, junto con el algoritmo que deben seguir.

Para esto, se debe tener bien claro cuáles son los límites de área a rellenar.

Los modelos básicos de iluminación en donde una escena de animación se ilumina mediante unas propiedades globales (Luz ambiente) así como por diferentes puntos de luz (Luz puntual) que emulan otros tantos tipos de “lámparas”, para detallar las características de los objetos de la forma más real posible. Los cálculos matemáticos que se realizan con estos parámetros, aplicados a la geometría que define la escena. Iluminación.