BETY Ölçeği Maddelerine Ait Tanımlayıcı Bilgiler

Para que seja poss´ıvel visualizar uma cena, ´e necess´ario que esta seja iluminada por uma ou mais fontes de luz, e que sejam definidas as propriedades de interac¸˜ao entre os objetos e a energia luminosa que incide em cada um deles.

Os modelos de iluminac¸˜ao, ou modelos de reflex˜ao, s˜ao uma forma de representar como as imagens s˜ao percebidas pelos nossos olhos, e consistem em simular como os objetos refletem a luz. Sem um modelo de iluminac¸˜ao adequado, os objetos tendem a n˜ao apresentar caracter´ısticas realistas.

Basicamente, os modelos de iluminac¸˜ao possuem dois tipos de representac¸˜ao da reflex˜ao da luz:

• Reflex˜ao Difusa ou Lambertiana: gera uma reflex˜ao da luz igualmente em todas as direc¸˜oes, e depende do parˆametro de reflectˆancia difuso do objeto e das posic¸˜oes das fontes de luz;

• Reflex˜ao Especular: gera uma reflex˜ao mais acentuada em determinados pontos da su- perf´ıcie – de acordo com a cor da luz e n˜ao apenas do objeto – e depende do parˆametro de reflectˆancia especular do objeto, da posic¸˜ao da fonte de luz e da posic¸˜ao do obser- vador.

Os modelos de iluminac¸˜ao est˜ao divididos em:

Local a cor de um ponto na cena depende apenas das propriedades materiais do objeto e da iluminac¸˜ao prim´aria, seja ambiente ou de uma fonte de luz espec´ıfica. Toda informac¸˜ao necess´aria ao modelo ´e obtida localmente. Exemplo: modelo de Phong [Phong, 1975].

Global a cor de um ponto na cena depende das propriedades materiais do objeto e das iluminac¸˜oes prim´aria e secund´aria, considerando os efeitos de inter-reflex˜ao e trans- miss˜ao da luz em outros objetos da cena, tamb´em chamada de iluminac¸˜ao indireta e que equivale ao segundo termo da Equac¸˜ao (1.1). Estes modelos s˜ao fisicamente mais abrangentes e produzem imagens com um grau de realismo muito pr´oximo da cena real. Exemplo: Radiosidade [Hearn e Baker, 1994].

2.1 Conceitos de Radiometria e Reflectˆancia 24

Como os modelos de iluminac¸˜ao local n˜ao s˜ao capazes de representar a interac¸˜ao en- tre diferentes superf´ıcies, fenˆomenos que podem ocorrer em uma cena, tais como sombras, iluminac¸˜ao indireta refletida de outras superf´ıcies, interac¸˜ao da luz com o meio em que ´e transmitida (´agua, ar, etc), simplesmente n˜ao s˜ao suportados por este modelo. A Figura1.2 apresentou um exemplo comparativo da mesma cena em um modelo de iluminac¸˜ao local e global.

Entre os principais m´etodos de iluminac¸˜ao global encontram-se o m´etodo do Trac¸ador de Raios, mais conhecido como Ray Tracing, e o m´etodo da Radiosidade.

O Ray Tracing ´e um m´etodo de renderizac¸˜ao que calcula a imagem da cena simulando a forma como os raios de luz percorrem o seu caminho no mundo real. Os raios de luz s˜ao emitidos a partir de uma fonte de luz, de acordo com as caracter´ısticas desta fonte de luz, e iluminam os objetos da cena. A luz ´e ent˜ao refletida por estes objetos e pode ainda passar atrav´es de objetos transparentes e semi-transparentes. Esta luz refletida ent˜ao chega a lente de uma cˆamera.

No Ray Tracing, um raio ´e lanc¸ado a partir de cada pixel no plano de imagem da cˆamera em direc¸˜ao `a cena, seguindo o caminho inverso da luz. A cada intersecc¸˜ao deste raio com uma superf´ıcie da cena o mesmo ´e refletido e ou transmitido em direc¸˜ao a outras superf´ıcies e assim por diante, “ricocheteando” na cena at´e ir em direc¸˜ao a uma fonte de luz, se perder no espac¸o ou atingir um n´umero m´aximo de interac¸˜oes pr´e-estabelecido. Esses raios permitem construir uma ´arvore bin´aria com a qual, conhecidas as intensidades e posic¸˜oes das fontes de luz, ´e poss´ıvel calcular e armazenar em cada n´o a contribuic¸˜ao daquela superf´ıcie intercep- tada para o valor final de intensidade do pixel. Por se tratar do modelo a ser utilizado nesta tese, maiores detalhes s˜ao dados no Cap´ıtulo4, quando ser´a apresentado o m´etodo proposto para a reflectˆancia inversa.

A Radiosidade ´e um m´etodo de renderizac¸˜ao baseado em uma an´alise detalhada das reflex˜oes da luz em superf´ıcies difusas e ´e baseado em um modelo de transferˆencia de ener- gia. A superf´ıcie ´e dividida em elementos (pequenas partes), todos com reflex˜ao conside- rada difusa, e em cada superf´ıcie do modelo a quantidade de energia ´e a soma da energia que o elemento de uma superf´ıcie emite internamente e da quantidade de energia refletida pelos elementos das superf´ıcies que interagem com a primeira, conforme a Equac¸˜ao (2.4) [Hearn e Baker, 1994]. Observe que essa equac¸˜ao ´e, basicamente, uma soluc¸˜ao discreta e aproximada da Equac¸˜ao Geral da Renderizac¸˜ao (Equac¸˜ao (1.1)), o que explica a semelhanc¸a entre os termos de ambas. Considerando todos os elementos de cada superf´ıcie, o m´etodo estabelece um sistema de equac¸˜oes lineares cuja soluc¸˜ao ´e a distribuic¸˜ao da luz na superf´ıcie.

2.2 Renderiza¸c˜ao e Modelagem Baseada em Imagens 25 Bi = Bei+ ρi X j FijBj, (2.4) onde:

Bi ´e a Radiosidade no elementoi, considerando a luz direta e indireta (global);

Bei ´e a energia emitida internamente pelo elementoi. Este termo existe quando o elemento

emite luz pr´opria, como uma lˆampada;

ρi ´e a BRDF difusa do elemento i. Observe que neste caso a superf´ıcie do elemento ´e

considerada lambertiana;

Fij ´e o Fator de Forma, que ´e uma func¸˜ao que dependente da geometria das superf´ıcies e

que determina a quantidade da Radiosidade do elementoj que chega ao elemento i.

Ambos os m´etodos de iluminac¸˜ao global apresentados possuem vantagens e desvanta- gens. O Ray Tracing n˜ao representa bem a interac¸˜ao luminosa difusa, criando imagens altamente reflexivas, al´em disto pode se tornar lento para para cenas complexas e de altas resoluc¸˜oes. Contudo, tem a vantagem de permitir o c´alculo de cada pixel isoladamente, e de ser aplicado a superf´ıcies especulares, com forte inter-reflex˜ao e materiais transl´ucidos, esta ´ultima caracter´ıstica se configura uma das limitac¸˜oes da Radiosidade, que em contrapartida tem um custo computacional reduzido, se comparado ao Ray Tracing.