synthèse dimages. imagerie numérique - 2 chaîne de synthèse modélisation réel renduimage...
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Synthèse d’images
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Imagerie Numérique - 2
Chaîne de Synthèse
ModélisationRéel Rendu Image
Fichier Scèneex. VRML, ...
Fichier Imageex. BMP, JPG, ...
• Elimination des parties cachées• Illumination des objets
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Imagerie Numérique - 3
ir t2i1 sinnsinn
Introduction
• Lois de l’optique géométrique (Descartes)– Modèle le plus simple (rayon lumineux)
– Propagation rectiligne, principe du chemin inverse
– Rayon incident, réfléchi et transmis dans le même plan
• Approches locales– Seuls les éclairages directs sont pris en considération
– Permet d’expliquer les effets simples (ombre, pénombre, pleine lumière)
– Les effets des éclairages indirects sont simulés (souvent de manière assez approximative).
n1
n2
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Imagerie Numérique - 4
Introduction
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Rendu
Illumination (approches locales)
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Imagerie Numérique - 6
Modèle de réflexion
• Un modèle de réflexion décrit l’interaction entre la lumière et une surface en fonction des propriétés du matériau constitutif de la surface ainsi que de la nature de la lumière et de son incidence.
lumière incidentenormale
réflexion spéculaire
Réflexion diffuse
lumière réfractée
lumièreréfléchie
lumièretransmise
Une partie du flux lumineux est absorbée par le matériau.
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Imagerie Numérique - 7
Paramètres Lumière & Matière
• Source lumineuse– couleur de la lumière– ambiante, ponctuelle, directionnelle, spot– intensité, facteur d’atténuation
• Matériaux des objets– couleur propre (diffuse et spéculaire), couleur émissive. – surface lambertienne, spéculaire, mixte
– transparence– textures
Flat : une seule couleur par
facette
Flat : une seule couleur par
facette
lambertienne spéculaire diffuse directionnelle
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Imagerie Numérique - 8
Le modèle Lambertienintensité lumineuse diffuse
Incidence normale ;énergie conservée
énergie dispersée
Incidence nulle ;Pas d’énergie
I l
)(cosldd IkI
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Imagerie Numérique - 9
• Le modèle d’illumination de Phong permet de calculer la quantité de lumière réfléchie spéculaire allant vers l’observateur en fonction du matériau.
Le modèle de Phongintensité lumineuse
réfléchie
shinynlss IkI )(cos
: Angle entre le rayon de lumière réfléchie R et l’observateur Vsk : Luminance spéculaire
shinyn : Brillance de l’objet
LN
R
V
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Imagerie Numérique - 10
en v
s
direction
spéculaire
Réflectance pour un matériau lambertien (pas de spécularité)
Réflectance pour un matériau légèrement spéculaire
Réflectance pour un matériau moyennement spéculaire
coupe de la surface par le plan
ne
Le modèle de Phong
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Imagerie Numérique - 11
Si on change la brillance
Le modèle de Phong
Si on déplace une source lumineuse
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Imagerie Numérique - 12
n1e
2e
1s
2s
Réflectance avec l’éclairage 1
Réflectance avec l’éclairage 2 (pour le même matériau)
Ce modèle corrige une faiblesse du modèle de Phong en ce qui concerne la composante spéculaire ; en effet, pour beaucoup de matériaux (métalliques, entre autres), la protubérence spéculaire augmente avec l’angle d’incidence et s’écarte de la direction de spéculaire.
Le modèle de Cook-Torrance
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Rendu
Algorithmes de Rendu
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Imagerie Numérique - 14
Le rendu des polygones
• Etant donné un modèle d’illumination local (ex. Phong), comment
« rendre » en globalité les polygones de la scène ?
• Les algorithmes de rendu travaillent presque toujours avec des maillages de
polygones... c ’est beaucoup plus simple et rapide !
• Algorithmes de rendu– fil de fer
– rendu facette
– Gouraud
– Phong
– Texturation
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Imagerie Numérique - 15
Rendu facette (flat shading)
• C’est l’algorithme le plus simple dans la mesure où il n’y a pas d’interpolation entre les faces. Tous les points d’une face ont la même normale.
• Les points sont rendus en utilisant le modèle d’illumination Lambertien, par exemple.
• Les arêtes entre faces sont partout visibles (discontinuité des normales).
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Imagerie Numérique - 16
Gouraud
• Cet algorithme améliore le rendu en faisant une interpolation entre les faces appartenant à un même groupe (smoothing group).
• On attribue à chaque sommet une “normale” qui est la moyenne des normales des faces aboutissant au sommet.
1n
2n
3n
4n
n
)( 432141 nnnnn
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Imagerie Numérique - 17
Gouraud (suite)
• Calcul de l’intensité réfléchie sur chaque sommet (avec le modèle d’illumination de Phong par exemple).
• L’interpolation des intensités réfléchies (ou plus simplement des couleurs) se fait alors le long des arêtes et ensuites dans les faces.
• Plus rapide que de calculer l’illumination pour chaque pixel.• Le rendu spéculaire n’est pas de très bonne qualité; en effet, une réflexion
spéculaire doit apparaître à un sommet pour être rendue.
minmax
maxmin
Ymax Ymin,atshading,
minmax
YY
CYYCYY YYy
YmaxYmin
C
CC
y
x
Ymin
Ymax
Y
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Imagerie Numérique - 18
Phong
• Interpolation des normales plutôt que des couleurs
• Méthode d’interpolation identique
• L’intensité réfléchie n’est calculée qu’après interpolation des normales.
• Le rendu spéculaire est de bien meilleure qualité que dans le cas de l’algorithme de Gouraud.
1n
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2n
ligne de scanning
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Imagerie Numérique - 19
Les arêtes visibles séparent des faces appartenant à des groupes différents.
Phong
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Imagerie Numérique - 20
Rendu facette Gouraud Phong
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Imagerie Numérique - 21
Comparaison des algorithmes de rendu
– Rendu facette (pas d’interpolation)
Couleur constante pour chaque polygone
Peu coûteux
– Gouraud (interpolation des couleurs)
Rendu pour chaque sommet
Interpolation linéaire des couleurs sur le polygone
Coût : 3 entiers additionnés pour chaque pixel
– Phong (interpolatation des normales)
Calcul des normales des sommets
Interpolation linéaires des normales sur le polygone
Utilisation des normales interpolées pour rendre chaque pixel (cher !)
Coût : de 10 à 100 opérations sur des réels pour chaque pixel
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Imagerie Numérique - 22
Gouraud - exercice
• Calculer la couleur du pixel M.
A(1,0,0)
C(1,1,0)
B(0,0,1)
0.5
MF
0.9
E0.6
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Imagerie Numérique - 23
Modèle d’illumination d’OpenGL
• Adaptation du modèle Phong
Ambiant Emission Réflectance Intensité atténuée