Réalité Virtuelle et Interaction Introduction au Rendu 3D · intensité dans toutes les directions 34. Mise en situation : RVI / Cédric Fleury - APP5 Info à Polytech Paris-Sud

Réalité Virtuelle et Interaction Introduction au Rendu 3D

Année 2017 - 2018 / APP5 Info à Polytech Paris-Sud Cédric Fleury ([email protected])

https://www.lri.fr/~cfleury/teaching/app5-info/RVI-2018/

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https://www.lri.fr/~cfleury/teaching/app5-info/RVI-2018/

Mise en situation : RVI / Cédric Fleury - APP5 Info à Polytech Paris-Sud - Introduction au Rendu 3D

Réalité Virtuelle

• Restitution visuelle des objets de l’environnement virtuel

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Visualisation d’objets virtuels

• Image = { pixels }

• Rendu = associer à chaque pixel : – Une couleur – Une intensité lumineuse

• L’intensité lumineuse dépend : – Des sources lumineuses – De la position de l’observateur – De la position des objets de la scène

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Principales étapes du rendu

• Placer les objets dans le repère caméra : – Simplifier les calculs – Axe Z = axe des profondeurs

• Déterminer les objets se trouvant dans le champ de vision de la caméra (pyramide de vue)

• Utiliser des algorithmes pour déterminer les facettes visibles de chaque objet

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Plan du cours

• Introduction au rendu 3D – Projections – Pyramide de vue et clipping – Algorithmes de rendu – Modèles d’éclairage – Placage de texture

Remerciement à Thierry Duval (Université de Rennes 1)

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Plan du cours



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Projections

• Afficher des modèles 3D sur une surface 2D • Transformer les coordonnées 3D du modèle

vers les coordonnées 2D des pixels7


Projections

• Rendu de la scène 3D pour un observateur virtuel particulier (camera) – Point de vue (isAt) – Direction de visée (lookAt)

• Projection sur un plan particulier8


Différents types de projections

• Projections parallèles – Pas de rétrécissement des objets éloignés – Plusieurs types de projections parallèles

• Isométrique, cavalière,…

• Projections perspectives – Les objects éloignés sont plus petits – Plusieurs types

• Un, deux ou trois points de fuite

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Projection parallèle

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Projection perspective

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Projection perspective

Différents types de projections

Projection parallèle

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Plan du cours



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Pyramide de vue

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• Modélise le champs de vision de l’utilisateur • Est constituée de 6 plans

Yc

Oc

Xc

Zc

plan arrière (back plane) (far plane)

plan avant (front plane) (near plane)

plan de projection


Distance focale

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plan de projection

Distance focale


Distance focale et ouverture

• Distance focale – Défini la pyramide de vue pour un écran donné – Paramètre peu intuitif : nécessite de connaitre la

taille de l’écran

• Ouverture de vue – Paramètre plus simple lorsqu’il n’y a pas de head

tracking (indépendant de la taille de l’écran) – Défini la largueur du champ visuel (field of view) – Différent pour l’horizontal et la verticale

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Ouverture

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plan de projection

Angle d’ouverture

vertical FOV


• Pour le head tracking : déformation de la pyramide de vue – En fonction de la position de l’utilisateur – On définit généralement :

• 4 coins de l’écran et position de l’utilisateur

Pyramide de vue

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Pyramide de vue et clipping

• Les objets visibles sont ceux qui se trouvent dans la pyramide de vue

• Les objets en partie dans la pyramide de vue sont coupés par un ou plusieurs des 6 plans

• Clipping = trouver les facettes situées dans la pyramide de vue – Exemple : algorithme de Sutherland-Hogman

• Visibilité de chaque facette par un plan infini • Appliquer 6 fois le traitement pour les 6 plans

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Plan du cours



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• < 0 : on garde la facette • > 0 : on l’élimine

Back Face Culling• Eliminer tous les facettes qui ne sont pas

tournés vers la camera

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Produit scalaire : direction de visée (lookAt) * normale sortante de la facette


Back Face Culling

• Economise 50% du temps de calcul du rendu – En moyenne

• Faible coût de calcul pour chaque facette – Algorithme rapide

• Etape préliminaire pour les autres algorithmes

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Elimination des parties cachées• Eliminer les facettes qui se trouvent cachées

derrière d’autres facettes

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Elimination des parties cachées

• Deux types d’algorithme : – Basé image (chaque pixel de l’image) – Basé objets (chaque objet dans la scène)

• Quelques algorithmes particuliers : – Z-Buffer – Balayage en lignes – Priorités sur les objets – Subdivision du plan de projection de l’image

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Z-Buffer• Basé image • Mémoire de profondeur

– Utilise un tableau pour stocker les profondeurs de chaque pixel

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Balayage en lignes• Basé Image • Traitement ligne par ligne dans l’image

– Extension du Z-Buffer – Stocke une table des arrêtes actives

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Priorités sur les objets• Basé objets • Trier les objets en fonction de leur profondeur

par rapport à la camera • Afficher les objets en fonction de la profondeur

(de l’arrière vers l’avant de la scène) – Exemple : algorithme du peintre

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Subdivision de l’image

• Basé image

• Subdivision du plan de projection de l’image – Si on ne sait pas afficher simplement une zone

• on subdivise de façon récursive cette zone

– La diminution de la taille des zones entraîne une diminution des recouvrements

• Exemple : algorithme de Warnock

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Warnock• 4 cas d’arrêt de la

subdivision – Tous les objets sont

disjoints de la zone (d) • Couleur du fond

– Un seul objet sécant ou inscrit dans la zone (b ou c)

• Couleur du fond, puis couleur de l’objet

– Un seul objet circonscrit (a) • Couleur de l’objet

– Un objet circonscrit placé devant les autres (a)

• Couleur de l’objet29


Stéréovision• Consiste à calculer 2 images

– 2 caméras situées à gauche et à droite du point de vue de l’utilisateur

– 2 calculs de clipping – 2 calculs de rendu – Association de chaque image à chaque œil

• 2 fois plus coûteux ? – Partager des calculs entre les 2 images ? – Dépend de l’algorithme de rendu...

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Plan du cours



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Modèle d’éclairage• Exprime l’intensité lumineuse d’un point

– Lumière ambiante que produit dans toutes les directions un éclairage uniforme

– Sources lumineuses qui sont à l’origine : • Réflexions diffuses et spéculaires • Ombres portées

• Ir = Ia + Id + Is – Ia : intensité ambiante – Id : intensité diffuse – Is : intensité spéculaire

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Eclairage ambiant

• Chaque objet est montré avec une intensité intrinsèque : – Pas de source extérieure – Univers irréel d’objets lumineux non

réfléchissants

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Réflexion diffuse• Une partie de la lumière incidente pénètre

dans l’objet et ressort avec la même intensité dans toutes les directions

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Réflexion spéculaire• Réflexion par la surface de l’objet de la

lumière incidente qui n’a pas pénétré dans l’objet, dépend de la direction d’observation

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Lissage des facettes• Il n’est pas réaliste, pour une facette :

– De calculer l’intensité lumineuse en chaque point (trop coûteux)

– D’attribuer la même intensité à tous les points (effet de « facettisation)

• Il est plus judicieux : – De calculer les intensités aux sommets de la

facette – De déduire l’intensité de chaque point par une

interpolation bilinéaire

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Lissage des facettes• 2 types de lissage :

– lissage de Gouraud : interpolation linéaire des couleurs des sommets (remplissage par balayage ligne par ligne)

– lissage de Phong : interpolation des normales des sommets (remplissage point par point)

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Definition de la couleur• Définition de la couleur d’un objet dans les

librairies graphiques 3D – Couleur ambient (RGB) – Couleur diffuse (RGB) – Couleur spéculaire (RGB) – Couleur emissive (RGB) – Transparence (alpha) – Brillance (value) – etc.

• Généralement regroupé dans un « Material »38


Synthèse d’image avancée• Ombres

• Illumination globale et lancer de rayon

• Rendu sous-surfacique

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Plan du cours

• Introduction au rendu 3D – Projections – Pyramide de vue et clipping – Algorithmes de rendu – Modèles d’éclairages – Placage de texture


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Placage de textures• Texture : tableau 2D de triplets RVB • Associer à chaque sommet d’une facette des

coordonnées dans l’espace texture : – espace de texture normalisé :

• (u, v), u et v variant de 0 à 1

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v

ux

y

(0,0) (1,0)

(1,1)(0,1)A

BC

D

espace 3D espace texture


v

ux

y

(0,0) (1,0)

(1,1)(0,1)A

BC

D

P

espace 3D espace texture

Placage de textures

• Pour un pixel donné P : – Les coordonnées texture de P sont obtenues

par interpolation bilinéaires des coordonnées de texture des sommets ABCD

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Documents

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