Rendu réaliste en synthèse d’images

DESS I2NDESS I2N -- 1999-20001999-2000 - Lancer de rayons- Lancer de rayons

Rendu réaliste en synthèse d’images.

Le lancer de rayons

Organisation

Introduction au lancer de rayons Principe Modèle d’illumination associé Algorithme récursif Limitations

Le lancer de faisceaux Principe Algorithme Résultats et limitations

Organisation

Lancer de rayons distribués Modèle d’illumination Intégration de Monte Carlo Résultats et limitations

Accélération du lancer de rayons Objectifs Hiérarchie de volumes englobants Subdivision spatiale régulière et irrégulière Accélération matérielle

Introduction au lancer de rayons

Objectifs

Elimination des parties cachées [Appel 68] Travail dans l’espace objet. Indépendant de la géométrie.

Détermination de l’éclairage [Witted 80] Fondé sur les lois d’optique géométrique Ombres propres et ombres portées. Inter-réflexions lumineuses.

Principe géométrique

Ligne œil-pixel Objet visible

Rayons lumineux Couleur du pixel

Impossible de suivre tous les rayons lumineux

Trajet inverse des rayons lumineux

Pixel Plan image

xd)x,x(L)x,x,x()x,x()x,x(g)x,x(L

Permet de déterminerla luminance incidente

Modèle d’éclairage

Equation du rendu

xd)x(I)x,x(g)x,x,x()x()x(I

Simplification directionnelle

Pour simuler l’ombrage sur les objets Prise en compte des sources lumineuses

0)d(L/dS ii

Prise en compte des réflexions et transmissions

STdRd/dSS iii

Prise en compte des autres direction

xd)x(I)x,x(g)x,x,x()x(ANouveau terme ambiant :

0)x(A Par définition de ’ :

aI)x()x(A On pose alors :

Expression du modèle :

p,xdp,xp,'xg

xApIp,xgd,x,xxxI

Modèle local Reflets spéculaires

IR= ksIRefl+ ktITransILocal+

Intensité lumineuse sur un rayon

Modèle Local :

Calcul des ombres portées

Point éclairé Point dans l'ombre

Modèle Local :

ilocal VRLNd

)i(visII

Reflets spéculaires :

Calcul du rayon réfléchi

N.VN2 V

VN.VN2R N

Reflets spéculaires :

Calcul du rayon réfracté

Utilisation de la loi de Descarte :V N

2211 sinnsinn

Arbre de rayons

Pixel Plan image

Jaune RoseLumière

Lumière BleuLumière

Lumière

Algorithme

Couleur LR(origine,direction,profondeur)// origine et direction sont des vecteurs de R3

Si profondeur>Max_Prof Alors couleur=Noir; // choix discutable mais que mettre ? Sinon --Calcul et tri des intersections Si intersection Alors

Calcul du Ilocal (C_locale);Calcul du rayon réfléchi (D_réfléchi);Calcul du rayon réfracté (D_réfracté);C_réfléchi = LR(Pt-inter, D-réfléchi,profondeur+1);C_ réfracté = LR(Pt-inter, D-réfracté,profondeur+1);couleur = Somme des 3 composantes couleurs;

Sinon couleur = couleur de fond;

Résultat

Critiques du Lancer de Rayons

Pas d’éclairage indirect Les sources sont visées explicitement

Miroir

Eclairage diffus mal représenté Seules deux directions sont prises en compte

Platre

Aliassage et disparition de petits objets

Temps de calcul important Intersections Nombre de rayons

Illumination calculée dans l’espace image Stockage au niveau du pixel Recalculée pour chaque image

Lancer de Faisceaux

Réduction des problèmes d’aliassage pour le lancer de rayons

Le lancer de faisceau

Objectifs : réduire l’aliassage de l’image

Echantillonner correctement l’écran Peu de rayons dans le vide De nombreux rayons dans les régions image complexes

Utiliser la cohérence de la scène et des rayons De nombreux rayons suivent des chemins voisins Un objet recouvrant un pixel peut recouvrir les voisins

Familles de solutions : Ensemble de rayons d’épaisseur infinitésimale

[Sinya 87] Algorithmes fondés sur des rayons volumiques

Cônes [Amanatides 84] Pyramides [Heckbert 84]

Algorithmes hybrides (1) + (2)[Marks 88], [Ghanzanfarpour 92]

Faisceau

Objet intersecté

Le faisceau primaire rencontre un seul polygone

La couleur des pixels est celle de l ’objet

Couleur des pixels de l'écran ?

Le faisceau primaire rencontre un ou plusieurspolygones partiellement

Quatre sous faisceaux

Deux solutions : - Subdivision de l'écran- Utilisation d'un L.R

Critère de choix entre une subdivision et un LR :

C FF D

F nombre total de polygones dans la scèneD profondeur de la scèneFw nombre de polygones dans le faisceauEw largeur de l'écran en pixels

Positionnement d'un objet par rapport au faisceau

Intersection arêtes faisceau-plan polygones +intersections 2D entre polygones

Subdivision spatiale régulière

Subdivision régulière de laboite englobante Optimisation

Intersection scène-faisceau

Faisceau réfléchi

Objet réfléchissant

Faisceau primaire

Traitement de la réflexion

La réflexion est une transformation linéaire

Calcul et traitement du faisceau réfléchi

Polygone réfractant

Rayons réfractés

La réfraction n’est pas une transformation linéaire

Traitement de la réfraction

Calcul du faisceau réfracté et de sa courbure

Traitées par un LR conventionnel ou par LF

Faisceau d’ombrevide

Faisceau d’ombretotalement bloqué

Faisceau d’ombrepartiellement bloqué

Traitement des ombres portées

Résultats

Image calculée par lancer de faisceau

Résultats

Subdivisions des faisceaux primaires

Résultat

Subdivisions des faisceaux d’ombre

Résultat

Subdivisions des faisceaux réfléchis

Analyse

Lancer de rayons distribués :

pénombre bruitée.

Lancer de faisceaux :pénombre correcte.

Analyse

Lancer de rayons : Disparition de petits objets.

Lancer de faisceaux :pas de perte de précision.

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