Clásicas:
Iluminación local.
Luces que no son extensas,
como las reales, sino inextensas, puntuales. Y, por añadidura, se relacionan
con los objetos como mónadas aisladas, sin tener en cuenta la interacción entre
ellos. Esto explica lo artificioso de muchas de las técnicas que se describirán
más adelante y que buscan compensar estas limitaciones.
Las insuficiencias de los
métodos de iluminación local se han superado en parte por medio de sistemas de
iluminación global que permiten tomar en cuenta la interacción entre objetos.
Las dos técnicas principales son el trazado de rayos (ray tracing) y la
radiosidad (radiosity)
Calculos de iluminación por vértices
Para poder aplicar
iluminación necesitamos asociar a cada vértice de nuestro objeto un vector
normal asociado. Cuando tenemos la normal calculada tenemos que normalizarla, o
sea, dividir ese vector por su propio modulo para que sea unitario, pero
también podemos hacer que se encargue la OpengGl activando la normalización,
glEnable GL_NORMALIZE
o desactivarla con,
glDisable GL_NORMALIZE
el usar GL_NORMALIZE
dependerá de nuestra aplicación ya que forzando a que sea OpenGl que las
utilice se ralentiza ya que le estamos hacer mas cálculos de los que debe.
Para definir las normales en
opengl utilizaremos la función glNormal3f(X,Y,Z) por ejemplo para definir una
cara con 4 vértices la definiremos de la siguiente manera
GlBegin GL_QUADS
glNormal3f nX,nY,nZ
glvertex3f x,y,z
glvertex3f x,y,z
glvertex3f x,y,z
glvertex3f x,y,z
glEnd
Es decir, cada vez que
queremos definir una normal a un vértice usamos glNormal y el vértice/s que
siguen se asocian a esta normal.
La luz de tipo SMOOTH el
polígono que definamos tendrá un color definido par cada vértice, asociando las
normales a los vértices OpenGL puede hacer los cálculos de los colores a cada
uno del vértice y después hace una interpolación de colores con este tipo de
luz se acerca bastante al realismo pero a un la podemos mejorar.
Posterior
relleno de triangulos
Rellenado de los triángulos
(rastering). Para ello se realizan varias fases de procesamiento por Pixel.
Comprobar si cada nuevo pixel es visible o no (comprobación de profundidad).
Interpolación lineal del
color para el nuevo pixel (método de Gouraud).
Si existe una textura
definida o transparencia, efectuar la modificación de color correspondiente.
Se trata de la última fase,
en ocasiones la más costosa, del proceso, por lo que es la primera que se suele
integrar en el hardware gráfico. En esta etapa se trata de asignar colores a
los pixels correspondientes al interior de cada triángulo proyectado que cae
dentro del área de visualización. Los colores asignados deben calcularse por el
método de Gouraud, interpolando linealmente entre los colores de los tres
vértices.
Renderizado
en Tiempo real
La idea fundamental del
procesado en tiempo real es que todos los objetos deben ser descompuestos en
polígonos. Estos polígonos serán descompuestos a su vez en triángulos. Cada
triángulo será proyectado sobre la ventana bidimensional y rellenado con los
colores adecuados para reflejar los efectos de la iluminación, texturas, etc.
Una vez se han generado los triángulos, en la pipeline existen dos partes
claramente diferenciadas: una primera etapa operaciones realizadas sobre cada
uno de los vértices, y después de que éstos se proyecten sobre la ventana,
entonces comienza una segunda fase de cálculos realizados para cada pixel
cubierto por los triángulos.
Realistas:
Iluminación global
Son sencillos y rápidos pero
proporcionan imágenes muy simples, que no representan adecuadamente el modo en
que la luz ilumina los objetos y los espacios. Esto no quiere decir que no sean
útiles para un gran número de casos, y es muy importante calibrar adecuadamente
que es lo que se necesita, pues puede muy bien ocurrir que un cálculo local
proporcione imágenes relativamente esquemáticas pero más adecuadas para la representación
de un proyecto.
Los métodos principales que
existen en la actualidad pueden considerarse como desarrollos, con diferentes
variantes, de los dos métodos principales que surgieron en la década de los
1980, ray tracing (introducido por T.Whitted en 1980) y radiosity (hacia 1984
por varios autores). Una base téorica más firme para los algoritmos y métodos
de GI (Global Illumination), vino con la publicación, por Kajiya, en 1986 de la
rendering equation, que puede encontrarse en un manual especializado
Trazado
de Rayos
El trazado de rayos computa
la interacción de la luz desde un punto de vista determinado y es
particularmente adecuado para superficies reflectantes. Puede utilizarse como
propiedad específica de un determinado material.
Radiosidad
Está basado en principios
generales que se pueden encontrar en un manual general sobre rendering. En el
estadio inicial la escena consta de dos tipos de objetos: objetos que emiten
luz y objetos que reciben luz. A partir de aquí, en una primera vuelta, se
computa la luz que recibe cada objeto o, en una aproximación más exacta, cada
parte de un objeto, según una subdivisión cuya densidad puede precisarse en
sucesivas aproximaciones. Cada una de estas partes, según su grado de
reflexividad, su orientación y su distancia con respecto a las fuentes de luz
original, se convertirá, en una segunda vuelta, en un nuevo emisor de energía
lumínica, una fuente de luz secundaria que iluminará a su vez a los objetos que
le rodean.
Casi todos los modelos de
iluminación necesitan conocer la normal de cada superficie para calcular su
color.
El primero, llamado método de Gouraud, efectúa
una interpolación a partir de los colores calculados por los vértices del
polígono, en los que se conoce la normal. El segundo llamado método de Pong,
interpola la normal en el punto en estudio a partir de las normales en los
vértices, calculando a continuación el color con la ayuda de esta normal según
el modelo de iluminación elegido.
Cálculos de iluminación por
pixel
Iluminación por fragmento
(por pixel) puede ser elaborada en hardware de gráficos moderno como un proceso
de post-rasterización por medio de un programa de shader.
Pixel Shader (PS) como un
pequeño programa que procesa fragments (algo así como pixelscon más datos) y
que se ejecuta en la GPU. Al crear un PS, se crea una función de procesado de
fragmentos que manipula datos de fragmentos.
Frecuentemente necesitan
datos del VS, llegando incluso a veces a ser “conducidos” por éste. Por
ejemplo, para calcular una iluminación por pixel, el PS necesita la orientación
del triángulo, la orientación del vector de luz y en algunos casos la
orientación del vector de vista.
Alto Acabado
Sombreado Constante o plano.
Un cálculo para todo el polígono. Obtenemos una intensidad que aplicamos a un conjunto de puntos de un
objeto (p.ej. todo un triángulo). Aceleramos el proceso de síntesis. Correcto si se verifica: Fuente de luz en el
infinito. Observador en el infinito. El polígono representa una superficie
plana real del objeto que se modela y no es una aproximación de un objeto
curvo.
Sombreado
Constante o Plano
Obtenemos una intensidad que aplicamos a
un conjunto de puntos de un objeto
*Aceleramos el proceso de síntesis
*Correcto si se verifica.
* Fuente de luz en el infinito
*Observador en el infinito
Un cálculo para todo el
polígono
Obtenemos una
intensidad que aplicamos a un conjunto
de puntos de un objeto (p.ej. todo un triángulo)
Aceleramos el proceso de
síntesis
Correcto si se verifica
Fuente de luz en el infinito
Observador en el infinito
El polígono representa una
superficie plana real del objeto que se modela y no es una aproximación de un
objeto curvo.
• Interpolación de Intensidades (Gouraud)
Se basa en la interpolación de intensidad
o color
Considera que facetas planas vecinas
proceden deaproximar una superficie curva (salvo que se declare una arista real entre ambas)
*Elimina en gran medida las
discontinuidades de iluminación
* Es sencilla, pero produce peores
resultados en objetos con brillos especulares que el método de Phong
*Implementado en OpenGL
Calcula normales al polígono
La iluminación cte. no
produce buenos resultados en superficies curvas (aprox. por
facetas planas).
Evaluar la ecuación de
iluminación en cada punto de una superficie genérica es muy costoso. Posible
solución: aproximar mediante facetas planas e interpolar dentro de cada polígono. Hay que evitar producir una
apariencia “faceteada” (bandas de Mach; respuesta del ojo humano).
Sombreado de Phong
• Se basa en la
interpolación de la dirección de la normal, calculada de la misma forma que
antes.
• Igual que en Gouraud, se
interpola a lo largo de cada línea de barrido, entre los puntos inicial y
final, interpolados a su vez de los valores de los vértices de la arista.
• Captura mejor los brillos
especulares en el medio de facetas planas (Gouraud los puede omitir).
Produce mejores resultados,
a un coste computacional mayor (hay que incrementar la dirección de la normal
en tres direcciones, normalizarla y calcular la ecuación de sombreado encada
punto)
• Si el coeficiente de
reflexión especular es pequeño, los resultados no difieren tanto (se pueden
combinar objetos sombreados por ambos métodos en una escena).
Ray Tracing
En muchas formas, ray
tracing es una extensión al enfoque de rendering con un modelo de iluminación
local. Está basado en la observación previa que, de los rayos de luz saliendo
de una fuente, los únicos que contribuyen a la imagen son aquellos que entran
el lente de la cámara sintética y pasan por el centro de proyección.
Buffer
de Profundidad.
El Z-Buffer se basa en que
al generar la posición de un punto en la pantalla la computadora reserve una
zona de memoria especial, llamada Z-Buffer, información relacionada con la
profundidad del punto que ocupa en la escena representada. Cuando el ordenador
representa un nuevo punto consulta el Z-Buffer del píxel que corresponde en
pantalla. Si el valor que ya existe en el píxel es mayor que el que posee el
nuevo punto, el sistema asume que este último es el visible y lo sustituye en
la memoria del Z- Buffer.
Buffer
Stencil.
Stencill Buffer es una
memoria intermedia que analiza y actualiza píxeles (con sus operaciones) junto
con “depth buffer” o buffer de profundidad. Añade planos de bits adicionales
para cada píxel además de los bits de color y profundidad.
Stencil buffer es similar al
buffer de profundidad en que los dos son colección de planos de bit que no se
pueden mostrar. Del mismo modo que el buffer de profundidad asocia a cada píxel
de la ventana un valor de profundidad, el stencil buffer asocia su propio valor
a cada píxel mostrado. Cuando el buffer de profundidad esta activado los
valores de profundidad son usados para aceptar o rechazar fragmentos, del mismo
modo los valores de Stencil buffer son usados para aceptar o rechazar
fragmentos.
Fuentes
de Luz
La luz puede dejar una
superficie mediante dos procesos fundamentales:
* Emisión propia
* Reflexión
Normalmente se piensa en una
fuente de luz como un objeto que emite luz solo mediante fuentes de energía
internas, sin embargo, una fuente de luz, como un foco, puede reflejar alguna
luz incidente a esta del ambiente. Este aspecto no será tomado en cuenta en los
modelos más sencillos.
Fuentes
de Luz Distantes
La mayoría de los cálculos
de sombreado requieren la dirección de un punto sobre la superficie a la fuente
de luz. Según se mueve a lo largo de la superficie, se debe recomputar este
vector para calcular la intensidad en cada punto, una computación que es una
parte significativa del cálculo del sombreado. Sin embargo, si la fuente de luz
está lejos de la superficie, el vector no cambiará mucho según se mueve de un
punto a otro, al igual que la luz del sol da en todos los objetos cercanos
entre si con el mismo ángulo.
Fuentes
de Color
No solamente las fuentes de
luz emiten diferentes cantidades de luz en diferentes frecuencias, pero también
sus propiedades direccionales varían con la frecuencia. Por lo tanto, un
modelos físicamente correcto puede ser muy complejo. Para la mayoría de las
aplicaciones, se puede modelar fuentes de luz en base a tres componentes
primarios, RGB, y puede usar cada uno de los tres colores fuentes para obtener
el componente de color correspondiente que un observador humano vería.
Luz
Ambiente
La luz ambiente ilumina por
igual todas las zonas en sombra para simular el efecto de interacción entre
objetos que hace que las partes en sombra de los objetos queden parcialmente
iluminadas.
En algunos cuartos, las
luces se diseñan y ubican para proveer iluminación uniforme en el cuarto. Tal
iluminación se logra mediante fuentes grandes con difusores cuyo propósito es
esparcir la luz en todas las direcciones. Se puede crear una simulación precisa
de tal iluminación, modelando todas las fuentes distribuidas, y luego
integrando la iluminación de estas fuentes en cada punto de una superficie
reflectora. Hacer tal modelo y generar la escena sería un tarea formidable para
un sistema gráfico, especialmente si se desea ejecución en tiempo real. De
manera alternativa, se puede ver el efecto deseado de las fuentes: lograr un
nivel de luz uniforme en el cuarto. Esta iluminación uniforme se llama luz
ambiente. Si se sigue este segundo enfoque, se puede postular una intensidad
ambiente en cada punto del ambiente. Por lo tanto, iluminación ambiente se
caracteriza por una intensidad Ia, que es idéntica en cada punto de la escena.
Spotlights (direccionales)
Los spotlights se
caracterizan por un rango delgado de ángulos por los cuales se emite luz. Se
puede construir un spotlight sencillo de una fuente de punto limitando los
ángulos de donde la luz de la fuente se puede ver. Se puede usar un cono cuyo
ápice está en ps, apuntando en la dirección ls, y cuyo ancho está determinado
por el ángulo θ.
Intensidad
Completa
La intensidad completa exclusivamente para efectos de
iluminación es la siguiente:
