UNIDAD 4 ILUMINACION Y SOMBREADO

UNIDAD 4
ILUMINACION Y SOMBREADO
GRAFICACION
11 DE NOVIEMBRE DEL 2013
Flores carrera Cristina
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RELLENO DE POLÍGONOS
Polígono es una figura básica dentro de las representaciones y tratamiento
de imágenes bidimensionales 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 líneas (aristas) y cuyo interior puede estar rellenado por un color
o patrón dado.
CASOS DE RELLENO SEGÚN SU COMPLEJIDAD
El caso más 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
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SCAN-LINE
Fila a fila van trazando líneas de color entre aristas.

para san-line que cruce el polígono se busca en la intersección entre las líneas
de barrido y las aristas del polígono.

Dichas intersecciones se ordenan y se rellenan a pares.
LINEA DE BARRIDO
Es válido para polígonos cóncavos como convexos. Incluso para sí el objeto tiene
huecos interiores.
Funcionan en el trozo de líneas horizontales, denominadas líneas de barridos, que
intersecan un número 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.
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
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
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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.
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4.3 TÉCNICAS DE SOMBREADO
TÉCNICAS DE SOMBREADO
INTENSIDAD CONSTANTE
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 DE GOURAUD
ESTE ESQUEMA DE INTERPOLACIÓN DE INTENSIDAD, CREADO POR GOURAUD,
ELIMINA DISCONTINUIDADES EN INTENSIDADES ENTRE PLANOS ADYACENTES DE
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LA REPRESENTACIÓN DE UNA SUPERFICIE VARIANDO EN FORMA LINEAL LA
INTENSIDAD SOBRE CADA PLANO DE MANERA QUE LO VALORES DE LA INTENSIDAD
CONCUERDEN EN LAS FRONTERAS DEL PLANO. EN ESTE MÉTODO LOS VALORES DE LA
INTENSIDAD A LO LARGO DE CADA LÍNEA DE RASTREO QUE ATRAVIESAN UNA
SUPERFICIE SE INTERPOLAN A PARTIR DE LAS INTENSIDADES EN LOS PUNTOS
DE INTERSECCIÓN DE CON LA SUPERFICIE.
La siguiente figura demuestra este esquema de interpolación.
ESTE PROCESO SE REPITE CON CADA LÍNEA QUE PASA POR EL POLÍGONO. EN ESTE
MÉTODO DE INTERPOLACIÓN PRIMERO DEBEN APROXIMARSE LAS NORMALES A LA
SUPERFICIE EN CADA VÉRTICE DE UN POLÍGONO. ESTO SE LOGRA PROMEDIANDO LAS
NORMALES A LA SUPERFICIE PARA CADA POLÍGONO QUE CONTIENE EL PUNTO DE
VÉRTICE, COMO SE MUESTRA EN LA SIGUIENTE FIGURA. ESTOS VECTORES NORMALES
DE LOS VÉRTICES SE UTILIZAN ENTONCES EN EL MODELO DE SOMBREADO PARA
GENERAR LOS VALORES DE INTENSIDAD DE LOS VÉRTICES.
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Un ejemplo de un objeto de sombreado con el método de Gouraud.
SOMBREADO DE PHONG
ESTE MÉTODO CREADO POR PHONG BUI TUONG TAMBIÉN SE CONOCE COMO
ESQUEMA DE INTERPOLACIÓN DE VECTOR NORMAL DESPLIEGA TOQUES DE LUZ MAS
REALES SOBRE LA SUPERFICIE Y REDUCE CONSIDERABLEMENTE EL EFECTO DE LA
BANDA DE MACH.
Aprecia la franja obscura que aparece justo a la derecha del gradiente, y la franja
blanca que aparece justo a la izquierda de éste.
EL SOMBREADO DE PHONG PRIMERO INTERPOLA LOS VECTORES NORMALES EN LOS
PUNTOS LIMITE DE UNA LÍNEA DE RASTREO. PUEDE HACERSE MEJORAS A LOS
MODELOS DE SOMBREADO DE GOURAUD DETERMINANDO LA NORMAL APROXIMADA
A LA SUPERFICIE EN CADA PUNTO A LO LARGO DE UNA LÍNEA DE RASTREO Y
CALCULANDO DESPUÉS LA INTENSIDAD MEDIANTE EL USO DEL VECTOR NORMAL
APROXIMADO EN ESE PUNTO.
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ALGORITMO DE TRAZO DE RAYAS
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PUESTO QUE PODRÍA GENERARSE UN
NÚMERO INFINITO DE PUNTOS DE INTENSIDAD SOBRE LAS DIVERSAS SUPERFICIES DE
UNA ESCENA, UN BUEN MÉTODO PARA DETERMINAR LAS INTENSIDADES
ESPECULARES EN POSICIONES VISIBLES DE LA SUPERFICIE CONSISTE EN TRAZAR RAYAS
HACIA ATRÁS DESDE LA POSICIÓN DE VISIÓN HASTA LA FUENTE DE LUZ.
COMENZANDO DESDE LA POSICIÓN DE VISIÓN, LA RAYA QUE ATRAVIESA CADA PIXEL
EN EL PLANO DE VISIÓN SE TRAZA HACIA ATRÁS A UNA SUPERFICIE DE LA ESCENA
TRIDIMENSIONAL. ESTA TÉCNICA, CONOCIDA COMO TRAZO DE RAYAS, SE ILUSTRA EN
LA SIGUIENTE FIGURA.
CUANDO SE ENCUENTRAN OBJETOS TRANSPARENTES EN EL PROCESO DEL TRAZO DE
RAYAS, LAS CONTRIBUCIONES DE INTENSIDAD DE LA REFLEXIÓN ESPECULAR SE TOMA
EN CUENTA. EN UNA SUPERFICIE TRANSPARENTE, LA RAYA SE DIVIDE EN LOS DOS
COMPONENTES QUE SE MUESTRAN EN LA SIGUIENTE FIGURA. CADA RAYA SE TRAZA
DESPUÉS EN FORMA INDIVIDUAL HACIA SU FUENTE.
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DESPUÉS QUE SE HA PROCESADO UNA RAYA PARA DETERMINAR TODAS LAS
CONTRIBUCIONES DE INTENSIDAD ESPECULAR, SE FIJA LA INTENSIDAD DEL PIXEL
CORRESPONDIENTE. LA FIGURA SIGUIENTE MUESTRA DOS VISTAS DE UNA ESCENA
GENERADA CON TÉCNICAS DE TRAZO DE RAYAS.
SUPERFICIES FRACTALES
PARA DETERMINAR NIVELES DE INTENSIDAD PARA LOS DIVERSOS PUNTOS DE LA
SUPERFICIE DE UN OBJETO FRACTAL SE NECESITA ALGÚN MÉTODO PARA DETERMINAR
LAS NORMALES A LA SUPERFICIE. UN MÉTODO PARA REALIZAR ESTO CONSISTE EN
REPRESENTAR A UN FRACTAL COMO UN NÚMERO DE PLANOS PEQUEÑOS CON UN
CONJUNTO DE NORMALES A LA SUPERFICIE PARA CADA PLANO.
FRONTERAS DE SUPERFICIES CON ANTI SEUDÓNIMOS
LAS LÍNEAS Y LAS ARISTAS DE POLÍGONOS PUEDEN ALIARSE CON TÉCNICAS DE ANTI
SEUDÓNIMOS QUE AJUSTAN POSICIONES DE PIXELES O BIEN FIJA LAS INTENSIDADES
DE LOS PIXELES DE ACUERDO CON EL PORCENTAJE DE ÁREA-PIXEL CUBIERTA EN CADA
PUNTO. PUEDEN APLICARSE MÉTODOS DE ANTI SEUDÓNIMOS SEMEJANTES PARA
ALISAR LAS FRONTERAS DE UNA ESCENA QUE CONTIENE UN CONJUNTO DE
SUPERFICIES.
BIBLIOGRAFÍA:
GRAFICACIÓN POR COMPUTADORA.
AUTOR: DONALD HERAN / M. PAULINE BAKER
4.3
Tecnicas de Sombreado
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.
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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)
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.
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
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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
Modelo de Reflexión Phong
El modelo de reflexión de Phong es eficiente y suficientemente aproximado a la
realidad física para producir buenas imágenes, bajo una variedad de condiciones de luz
y propiedades de materiales. Apoya los tres tipos de interacciones material-luz:
ambiente, difusa y especular. Si se tiene un conjunto de fuentes puntos, con
componentes independientes para cada uno de los tres colores primarios para cada
uno de los tres tipos de interacciones material-luz.
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
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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.
Buffer de Acumulacion
Normalmente se usa un buffer de acumulación para unir las 2 imágenes
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
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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 por efectos de iluminación es la siguiente:
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ión del observador (cálculos simples). Modelos de iluminación complejos Las sombras,
las interre flexiones y la difusión de la luz en otros medios se calculan por otros
algoritmos (implican cálculos complejos). Modelo de iluminación simple Pero
igualmente, con un modelo de iluminación simple + trucos se puede dar ilusión de
realismo.
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14-Iluminacion y Sombreado
Conclusión
Esta unidad me demostró que existen tantas formas de realizar una simple figura, un proceso
tan complejo y tan fácil según muchos que no sabemos que en realidad todos los pasos son
tan esenciales y complejos.
BIBLIOGRAFIA
http://e-md.upc.edu/diposit/material/24099/24099.pdf
http://informatica.uv.es/iiguia/AIG/web_teoria/tema3.pdf
http://www.azrodin.com/2009/09/generacion-de-sombras-con-stencil-buffer/
http://cannes.itam.mx/Alfredo/Espaniol/Cursos/Grafica/Sombreado.pdf
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http://sabia.tic.udc.es/gc/Contenidos%20adicionales/trabajos/3D/modelosIlumionacion/intr
oduccion_intensidad_completa.html
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