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L 'ombres (En anglais ombres), Dans infographie, est la manière dont la lumière interagit avec le maillage de polygones, sur la base de l'absorption ou de réflexion de la lumière, l'angle d'incidence et l'angle de vision[1], et d'autres caractéristiques.

aspects théoriques

En fait, nous voyons que nos yeux détectent la lumière qui rebondit sur les objets. L'apparition d'une surface est donc déterminée par la façon précise dont il interagit la lumière, qui est donc déterminée par la structure et la composition du matériau.

Et spéculaires Diffuse Reflection.svg

Dans le monde réel, les surfaces opaques, telles que la roche et le caoutchouc, possèdent une structure rugueuse à l'échelle microscopique. La lumière rebondit d'eux dans toutes les directions, et en conséquence, la lumière qui peut être vu réfléchie semble ne pas avoir à faire avec la direction à partir de laquelle vous regardez la surface. Ceci est appelé réflexion diffuse (réflexion diffuse, en anglais). Au contraire, les surfaces polies sont relativement lisses, même à l'échelle microscopique. Cela signifie que vous verrez un reflet parfait quand on regarde vers la surface, et le déplacement du point de vue, ce qui se reflète, change de direction. Ceci est appelé La réflexion spéculaire (spéculaire ou réflexion de miroir, en anglais).

Dans le monde de l'infographie, cependant, souvent, ils prennent des raccourcis pour obtenir l'aspect des matériaux réels. Par exemple, alors que la réflexion spéculaire: bien qu'il soit possible de rendre les reflets spéculaires, le faire est plus lent que de rendre des réflexions diffuses, car il y a des algorithmes plus simples qui se rapprochent l'effet des réflexions diffuses. Donc, rendre des réflexions diffuses peut être extrêmement rapide, mais rendre les reflets spéculaires nécessite un traitement intensif raytracing.[2] Pour contourner ce problème, ils considèrent parfois que les choses les plus évidentes qu'une surface peut refléter, comme les lumières.

plus modèles d'ombrage, d'une manière ou d'une autre, ils sont conçus pour capturer le processus de réflexion de la lumière.[3]

Modèles Shading

Ombrage

ombres
ombrage plat

également appelé ombrage constant, Il est ombrage « numéro zéro. » Chaque sommet de chaque triangle du maillage de polygones, est choisi comme un dessus de touche pour que le triangle. L'équation d'éclairage est effectuée pour calculer la valeur d'éclairement de ce sommet, et l'ensemble du triangle est investi d'une copie de cette valeur.[4]

L'ombrage plat peut être approprié pour les pyramides, mais quand un maillage de triangles se rapprochant d'une surface courbe, comme dans le cas du dauphin, il est alors nécessaire d'un modèle d'ombrage plus sophistiqué. Comme on peut augmenter le nombre de sommets du maillage, l'approximation reste toujours apparente, et il est évidemment aussi contre-productif en termes de performances de calcul.[4]

Shading Lambertian

ombres
Lambert ombrage Géométrie

Le modèle d'ombrage plus simple est basé sur une observation faite par Johann Heinrich Lambert dans le dix-huitième siècle: la quantité d'énergie provenant d'une source de lumière qui tombe sur la surface d'une surface dépend de l'angle d'incidence de la lumière par rapport à la surface. Une surface qui regarde directement vers une source de lumière reçoit la lumière maximale; une surface tangente à la direction de la lumière (ou à la recherche de la source) ne reçoit pas d'illumination; et au milieu de l'éclairage, il est proportionnel au cosinus de l'angle entre la normal de la surface et la source de lumière. Cela conduit au modèle d'ombrage Lambert:[3]

est la couleur du pixel; est le coefficient de diffusion, ou la couleur de la surface; et Il est l'intensité de la source lumineuse. parce que et sont des vecteurs unitaires, nous pouvons utiliser comme un court-forme appropriée (à la fois sur du papier et dans le code) pour .

Cette équation applique séparément pour les trois canaux de couleur, de sorte que la composante rouge de la valeur de pixel est le produit de la composante diffuse de la rouge, l'intensité de la source de lumière rouge, et le produit des vecteurs; même pour le vert et le bleu.[3]

le transporteur Elle est calculée en soustrayant le point d'intersection entre le faisceau et la surface, à partir de la position de la source lumineuse. Ne pas oublier que , et doivent tous être dans des vecteurs unitaires; des erreurs dans la normalisation de ces transporteurs est une erreur très courante dans les calculs d'ombrage.

Blinn-Phong Shading

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Géométrie de l'ombrage Blinn-Phong

L'ombrage Lambertian est indépendante de vue: la couleur d'une surface ne dépend pas de la direction à partir de laquelle vous regardez. De nombreuses surfaces réelles montrent des degrés de brillance, produisant des taches de lumière, ou les reflets spéculaires, qui semblent se déplacer autour de la surface, comme point de vue de changement. L'ombrage Lambertian ne produit pas de point de lumière et implique un aspect très opaque et pâle. Un grand nombre de modèles d'ombrage ajoutent une composante spéculaire à l'ombrage Lambertian; la partie lambertienne alors la composante diffuse.[3]

Un modèle très simple et largement utilisé pour les points d'éclairage spéculaires a été proposé par Bui Tuong Phong en 1975, puis mis à jour - sous la forme la plus couramment utilisée aujourd'hui - de Jim Blinn en 1976.[3] Au lieu d'interpolation des valeurs d'éclairage calculées au niveau de chaque sommet (comme dans l'ombrage de Gouraud), l'ombrage Blinn-Phong interpole la normale au sommet, la direction de la source lumineuse et la direction d'un triangle le long de point de vue, et calcule la formule éclairage pour chaque pixel.[5] L'idée est de produire une réflexion qui est à son plus brillant lorsque et Ils sont positionnés symétriquement le long de la normale de la surface, et ce qui se produirait lorsque la réflexion spéculaire; la réflexion diminue ensuite légèrement à l'enlèvement de porteurs à partir d'une configuration spéculaire.

Blinn phong comparison.png

Nous pouvons dire à quel point nous sommes proches d'une configuration en miroir en comparant le support (Biseziona que l'angle entre et ) à normal de la surface. Si le transporteur est à la surface normale, composante spéculaire doit être brillante; il est loin, il devrait être faible. Ce résultat est obtenu en calculant le produit scalaire entre et (Rappelez-vous qu'ils sont des vecteurs unitaires, donc Elle est égale à un maximum de 1, lorsque les supports sont égaux), et amenant en outre le résultat à une puissance 1 « /> de faire diminuer rapidement. Le pouvoir, ou exposant Phong, commande la luminosité apparente de la surface. le transporteur lui-même est facile à calculer: pour et ont la même longueur, leur somme est un vecteur qui biseziona l'angle entre eux, qui ne demande qu'à être normalisée pour produire .

En recueillant toutes ces informations, le modèle d'ombrage Blinn-Phong est:[3]

est le coefficient spéculaires, la couleur spéculaire, de la surface.

Noircissant l'équation standard

La couleur réfléchie calculé au point sur une surface à éclairer lumières est donnée par[5]:

0)]} « />

où les produits scalaires et Ils sont mis à zéro, et les montants en cause sont définies comme suit:

  • = Couleur de la réflexion diffuse
  • = Couleur de la réflexion spéculaire
  • = Exposant spéculaire
  • = Couleur de la lumière
  • Couleur = problème
  • = Carte de texture de couleur
  • = Couleur de la carte de brillant
  • = Couleur de la carte d'émission
  • = Couleur du i-ième lumière
  • = Vecteur de direction de la i-ième lumière
  • = Mi-chemin vecteur à la lumière ième
  • = Vecteur normal

Gouraud Shading

L'ombrage Gouraud, qui est nommé Henri Gouraud, Il est une méthode utilisée dans infographie pour simuler les différents effets de la lumière et la couleur d'un objet. En pratique, il permet d'obtenir un changement de couleur graduée sur des surfaces à faible de polygones nombre (faible polygone) Sans avoir à recourir à la lourdeur de calcul du calcul du pixel par pixel. Gouraud a publié cette recherche pour la première fois en 1971.

Gouraud Shading
ombres
Sphère traitée avec ombrage Gouraud - noter les erreurs le long des côtés des polygones.
ombres
La même balle jouée avec un grand nombre de polygones.

Le principe sur lequel la technique Gouraud est la suivante:

  1. Il détermine la normale de chaque sommet de chaque polygone
  2. Il applique un modèle d'éclairage à chaque sommet pour calculer l'intensité du sommet
  3. Ils sont interpoler les intensités des vertex en utilisant l'interpolation bilinéaire sur la surface de polygone

Avant l'avènement de matériel graphique capable d'effectuer des calculs d'éclairage de pixel par pixel, les couleurs éclatées et des spéculaires ont été calculées seulement à chaque sommet d'un maillage triangulaire. Cette méthode calcule les couleurs[5]:

0)} « />
où:

  • = Couleur de la réflexion diffuse
  • = Couleur de la réflexion spéculaire
  • = Exposant spéculaire
  • = Couleur de la lumière
  • Couleur = problème
  • = Couleur du i-ième lumière
  • = Vecteur de direction de la i-ième lumière
  • = Mi-chemin vecteur à la lumière ième
  • = Vecteur normal

à chaque sommet et les interpole le long de la face du triangle. la couleur un pixel est ensuite calculée en utilisant l'équation

où chaque Elle représente une couleur échantillonnée à partir de l'un des carte de texture, et l'opération Il est l'un de plusieurs opérations disponibles et la combinaison qui incluent la modulation et l'addition.

Les forces et les faiblesses de l'ombrage Gouraud les deux résident dans l'usage qu'elle fait de l'interpolation.

Interpoler les pixels de couleurs différentes (savoir avec précision que quelques-uns) le calcul éclaire par rapport à des modèles plus sophistiqués (tels que l'ombrage Phong, à ne pas confondre avec le 'motif de réflexion homonyme). Cependant, les effets de la lumière localisés (tels que des points de réflexion, comme le reflet d'une source de lumière sur une pomme) ne seront pas rendu correctement: si l'effet est positionné au centre du polygone, sans atteindre les sommets, il ne sera pas apparaître à la suite de la prestation de Gouraud; si le même effet est positionné sur un sommet, il sera correctement affiché, mais sera d'une manière non naturelle reproduit sur les polygones adjacents. Le problème est facilement reconnaissable si vous restituez une scène dans laquelle la source de lumière se déplace, en déplaçant la réflexion sur l'objet en question, avec l'ombrage Gouraud vous verriez la réflexion et élargir en agitant continuellement, atteignant les pics d'intensité dans les sommets et disparaissant au milieu des polygones.

Malgré les problèmes ci-dessus, l'ombrage créé par Gouraud est certainement mieux que l'ombrage plat qui nécessite beaucoup moins de calculs, mais vous obtenez un résultat à multiples facettes.

Shading ambiante

Résumé: dans le monde réel, les surfaces qui ne sont pas éclairées par des sources lumineuses sont éclairées par des réflexions indirectes d'autres surfaces.

Les surfaces qui ne reçoivent pas de lumière seront rendus comme tout à fait noir, ce qui est souvent pas ce souhaitable. Un procédé heuristique brut, mais utile pour éviter les ombres noires est d'ajouter une composante constante du modèle d'ombrage, dont la contribution à la couleur du pixel ne dépend que de l'incidence sur l'objet, sans aucune dépendance à la géométrie de la surface.[3] Ceci est connu comme l'ombrage ambiante - où les surfaces sont éclairées par « l'environnement » lumière provenant également de toutes les directions. Pour la commodité de réglage des paramètres, la trame de fond ambiant est généralement exprimée comme le produit d'une couleur de surface avec la couleur de la lumière ambiante, de telle sorte que la trame de fond ambiant peut être réglé à la fois pour les zones individuelles, à la fois pour toutes les surfaces ensemble. En collaboration avec le modèle Blinn-Phong, l'ombrage complet ambiant un modèle de shader simple et utile:

Il est le coefficient de l'environnement des surfaces, ou « couleur ambiante », et Il est l'intensité lumineuse de l'environnement.

notes

  1. ^ Roland Hess, Le guide essentiel à l'apprentissage Blender.
  2. ^ Ben Simonds, Blender Master Class.
  3. ^ à b c et fa g Marschner, Shirley, Principes fondamentaux de Computer Graphics.
  4. ^ à b John F. Hughes, Andries van Dam, Morgan McGuire, David F. Sklar, James D. Foley, Steven K. Feiner, Kurt Akeley, Infographie: Principes et pratiques, 3e éd ..
  5. ^ à b c Eric Lengyel, Mathématiques pour la programmation de jeux 3D et infographie, 3e éd ..

bibliographie

  • H. Gouraud "ombrage continu des surfaces courbes," IEEE Transactions sur les ordinateurs, 20 (6): 623-628, 1971.
  • H. Gouraud, Affichage de l'ordinateur de surfaces courbes, Thèse de doctorat, Université de l'Utah, USA, 1971.
  • H. Gouraud, ombrage continu des surfaces courbes. Dans Rosalee Wolfe (rédacteur en chef) Séminales Graphics: Les efforts pionniers qui ont façonné le champ, ACM Press, 1998. ISBN 1-58113-052-X.

Articles connexes

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