4.2
MODELOS BÁSICOS DE ILUMINACION.
Entendemos por modelo de
iluminación el cálculo de la intensidad de cada punto de la escena. En el
cálculo de la intensidad de un punto intervienen:
El tipo e intensidad de la
fuente de luz
El material del objeto
La orientación del objeto con
respecto a la luz
El modelo más utilizado es
el modelo de Phong.
PROCESO DE
ILUMINACIÓN
Si un rayo de luz entra al
ojo directamente de la fuente, se verá el color de la fuente. Si un rayo de luz
pega en una superficie que es visible al observador, el color visto se basará
en la interacción entre la fuente y el material de la superficie: se verá el
color de la luz reflejado de la superficie a los ojos.
En término de gráfica por
computadora, se reemplaza el observador por el plano de proyección, como se ve
en la siguiente figura:
El recorte del plano de
proyección y su mapeo a la pantalla significa un número particular de pixeles
de despliegue. El color de la fuente de luz y las superficies determina
el color de uno o más pixeles en el frame buffer. Se debe considerar solo
aquellos rayos que dejan las fuentes y llegan al ojo del observador, el COP,
después de pasar por el rectángulo de recorte. Cuando la luz da en una
superficie, parte se absorbe, y parte se refleja.
INTERACCIONES
ENTRE LUZ Y MATERIALES
Superficies
especulares
Superficies Difusas
Superficies difusas
perfectas
Superficies translucidas
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. Si se considera una fuente como en la
siguiente figura, se le puede ver como un objeto con una superficie.
MODELO DE
ILUMINACIÓN PHONG
Es un modelo empírico
simplificado para iluminar puntos de una escena Los resultados son muy
buenos en la mayoría de las escenas. En este modelo, los objetos no emiten luz,
sólo reflejan la luz que les llega de las fuentes de luz o reflejada de otros
objetos. El modelo usa cuatro vectores para calcular el color para un punto
arbitrario p sobre la superficie. Si la superficie es curva, los cuatro
vectores pueden cambiar según se mueve de punto a punto.
1. El vector n es la normal
en p.
2. El vector v tiene
dirección de p al observador o COP.
3. El vector l tiene
dirección de una línea de p a un punto arbitrario sobre la superficie para una
fuente de luz distribuida, o una fuente de luz de punto.
4. El vector r tiene la
dirección de un rayo perfectamente reflejado de l. La dirección de r está
determinada por n y l.
El modelo Phong 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; entonces, se puede describir la matriz de
iluminación para una fuente de luz i para cada punto p sobre una superficie,
mediante:
La primera fila contiene las
intensidades ambiente para rojo, verde y azul para la fuente i. La segunda fila
contiene los términos difusos. La tercera fila contiene los términos
especulares. (Aún no se ha aplicado ninguna atenuación por la distancia.) Si se
emplea solo reflexión ambiente y difusa, las imágenes serán sombreadas y
aparecerán tridimensionales, pero todas las superficies se verán sin vida. Lo
que hace falta es la reflexión de secciones más brillantes en los objetos. Esto
ocasiona un color diferente del color del ambiente reflejado y luz difusa. Una
esfera roja, bajo luz blanca, tendrá un resplandecer blanco que es la reflexión
de parte de la luz de la fuente en la dirección del observador. Mientras
que una superficie difusa es rugosa, una superficie especular es suave.
Mientras más lisa se la superficie, más se parece a un espejo, como se ve en la
siguiente figura.
Según la superficie se hace más
lisa, la luz reflejada se concentra en un rango más pequeño de ángulos,
centrado alrededor del ángulo de un reflector perfecto: un espejo o una
superficie especular perfecta. Modelar superficies especulares realísticas
puede ser complejo, ya que el patrón por el cual se esparce no es simétrico,
dependiendo del largo de onda de la luz incidente y cambia con el ángulo de
reflexión Phong propuso un modelo aproximado que puede computarse con solo un
pequeño incremento en el trabajo para superficies difusas. El modelo agrega un
término para reflexión especular. Se considera la superficie como rugosa para
el término difuso u lisa para el término especular. La cantidad de luz que el
observador ve depende del ángulo ø entre r, la dirección de un reflector
perfecto, y v, la dirección del observador. El modelo de Phong usa la
ecuación:
Is= ks Ls cosα φ 0 ≤ ks ≤ 1
El modelo de Phong se ha
hecho en espacio de objetos. El sombreado, sin embargo, no se hace hasta que
los objetos hayan pasado por las transformaciones modelo-vista y proyección.
Estas transformaciones pueden afectar los términos de coseno en el modelo.
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”. Los cálculos
matemáticos que se realizan con estos parámetros, aplicados a la geometría que
define la escena, se asocian con el concepto de “Modelos de iluminación“.
Phong, Lambert, Fressnell, Minnaert, Toon, Oren-Nayar, Toon etc son algunos de
los nombres con los que normalmente se referencian algunos de los principales
modelos de iluminación. No es necesario entender los modelos en profundidad
para su uso artístico en las herramientas de creación de imagen sintética, pero
es recomendable un conocimiento básico que permita entender cómo se forman las
imágenes para poder anticipar resultados en su aplicación.
BIBLIOGRAFIA:
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