Synthèse dimages. Imagerie Numérique - 2 Chaîne de Synthèse Modélisation Réel RenduImage...

Synthèse d’images

Imagerie Numérique - 2

Chaîne de Synthèse

ModélisationRéel Rendu Image

Fichier Scèneex. VRML, ...

Fichier Imageex. BMP, JPG, ...

• Elimination des parties cachées• Illumination des objets

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

Imagerie Numérique - 4

Introduction

Rendu

Illumination (approches locales)

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.

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

Imagerie Numérique - 8

Le modèle Lambertienintensité lumineuse diffuse

Incidence normale ;énergie conservée

énergie dispersée

Incidence nulle ;Pas d’énergie

I l

)(cosldd IkI

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

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

Imagerie Numérique - 11

Si on change la brillance

Le modèle de Phong

Si on déplace une source lumineuse

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

Rendu

Algorithmes de Rendu

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

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).

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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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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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

3nsn

2n

ligne de scanning

an bn

Imagerie Numérique - 19

Les arêtes visibles séparent des faces appartenant à des groupes différents.

Phong

Imagerie Numérique - 20

Rendu facette Gouraud Phong

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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

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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Modèle d’illumination d’OpenGL

• Adaptation du modèle Phong

Ambiant Emission Réflectance Intensité atténuée