LUCES Y L

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LUCES Y LÁMPARAS

• Realizado por
• Mercedes Sánchez Marcos
• Almudena Sardón García

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Contenido (I)

• Introducción.
• Los modelos de iluminación.
• Rendering. Determinación de superficies visibles.
• Métodos de rendering de los polígonos.
• Iluminación en OpenGL
• Tipos de iluminación
• Caracteristicas de las fuentes de lus
• Vectores normales
• Colocar luces
• Atenuación con la distancia
• Área de cobertura

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Contenido (II)

• Propiedades de los materiales
• Efectos de la iluminación
• Focos de luz
• Sombras
• Conclusiones

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Introducción I

• Actuación de la luz al chocar con una
  superficie.
• Cómo representa OpenGL la luz y sus fenómenos.
• Uso de la luz para construir escenas.
• Modelos de renderizado más usados.
• Uso de la iluminación en OpenGL.
• Especificación de los materiales de la escena.

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Introducción II

• Efectos de iluminación que se pueden conseguir
  con OpenGL.
• Modelos de iluminación y reflexión.
• Luz incidente luz reflejada luz dispersa
  luz absorbida luz transmitida.
• Parámetros distancia entre la fuente de luz y el
  objeto, rugosidad de la superficie, tipo de
  material, ángulo de incidencia de la luz,
  longitud de onda de la luz incidente.

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Los modelos de iluminación I

• El fenómeno de iluminación y reflexión indica
  cómo la luz interactúa con un sólido.
• Clasificación de la luz
• Luz incidente.
• Luz de reflexión.
• Luz difusa.
• Luz difusa global.
• Luz difusa local.
• Luz especular.
• Luz de refracción.
• Luz de transmisión.

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Los modelos de iluminación II

• Los diferentes tipos de iluminación producen
  distintos efectos de brillo y color
  (reflectancia).
• El ángulo entre los rayos de luz y la
  perpendicular de la superficie determina en que
  medida la superficie aparecerá brillante a los
  ojos del espectador.
• La perpendicular de una superfice plana es la
  línea qu sale con un ángulo de 90 grados
  (normal).
• Una superficie plana aparecerá más brillante
  cuando su perpendicular apunte directamente hacia
  el foco de luz.
• La superficie no reflejará luz cuando esté más de
  90 grados de los rayos de luz, ni tampoco cuando
  esté mirando al lado opuesto del foco luminoso.
• El modelo básico de iluminación considera sólo
  las reflexiones ?Intensidad luz ambiente luz
  difusa luz especular

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Los modelos de iluminación III

• Luz ambiental.
• Es la luz indirecta, por ejemplo la que se ve en
  un día nuboso.
• Es el resultado de la reflexión múltiple de todos
  los objetos en la escena.
• En teoría no produce sombras en el mundo real,
  pero en caso de producirlas serán suaves.
• Luz difusa.
• Es la que la superficie de un objeto refleja en
  todas las direcciones debido a la iluminación
  directa.
• Es la responsable del color del objeto.
• Es una característica propia de los objetos mates.

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Los modelos de iluminación IV

• Luz especular.
• Procede de un único punto de luz, es decir de una
  sola dirección.
• Es una luz con alta intensidad que una superficie
  brillante refleja a lo largo de la dirección del
  espejo.
• Es la que produce el efecto espejo.
• Tiene el color de la fuente de luz.
• La reflexión especular depende de la posición del
  observador.

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Los modelos de iluminación V

• Modelo de Phong (I).
• La luz en un punto tiene tres componentes y es
  igual a la suma de las tres ? luz difusa luz
  especular luz ambiental.
• El modelo de Phong consiste en modelar el efecto
  de la luz especular. Lo hace de la forma
  IespksIlcosnfksIl(VR)n

• n es el parámetro de reflexión especular.
• Si la superficie es más brillante, n es mas
  grande

11
Los modelos de iluminación VI

• Modelo de Phong (II).
• La componente difusa toma el color de la
  superficie.
• El rayo reflejado (componente especular) toma el
  color de la fuente de luz.
• I d I i k d cos q
• Si sólo se consideran la componente difusa y la
  especular el objeto queda como si estuviera
  iluminado por un flash. Para evitarlo se usa la
  componente ambiental.
• I g I a k a
• En la componente ambiental se engloban las otras
  componentes.

12
Los modelos de iluminación VII

• Modelo básico de iluminación.
• Considerando el modelo de Phong se puede definir
  el modelo básico de iluminación de la siguiente
  forma
• IIambienteIdifusaIespecularkaIakdIl(NL)ksIl
  (NH)n
• Modelo básico de iluminación con n fuentes de
  luz.
• De la misma forma, se puede definir el modelo
  básico de iluminación si se dispone de n fuentes
  de luz
• IIambienteIdifusaIespecularkaIaIIkd(NLl)ks
  (NHl)n
• Atenuación de la intensidad a lo largo de la
  distancia de la luz.
• Para tener en cuenta que los objetos más cercanos
  son más brillantes que los más lejanos se usa un
  término de atenuación.
• El modelo básico con atenuación de distancia y
  fuentes múltiples
• IkaIa f(dl)II kd(N Ll) ks (N Hl)n
• Donde f es una función de atenuación empírica.

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Rendering. Determinación de superficies visibles I

• Una parte importante de la generación de gráficos
  realistas es la identificación de las partes de
  una escena que son visibles desde un punto de
  vista determinado.
• Distintos planteamientos
• Métodos de detección de superficie visible.
• Imagen-espacio.
• Objeto-espacio.
• Métodos de eliminación de superficies ocultas.

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Rendering. Determinación de superficies visibles
II

• Método de la normal.
• Se aplica en figuras planas.
• Permite ocultar la mitad de las superficies que
  hay en escena.
• Se basa en calcular la normal a todas las
  superficies.
• Las normales cuya proyección en la dirección de
  visión sean positivas son superficies ocultas y
  las negativas visibles.
• Se calcula haciendo el producto escalar del
  vector de visión por el vector normal de cada
  cara.
• Si un objeto es poliédrico, las caras son
  totalmente visibles o totalmente ocultas.
• Si hay varios objetos se realiza el algoritmo
  para todos los objetos.
• Los que hace el algoritmo es eliminar la cara
  posterior de los objetos.

15
Rendering. Determinación de superficies visibles
III

• Método de buffer con profundidad. Buffer Z.
• Es un método de espacio-imagen.
• Se mantiene una base de datos que corresponde a
  cada pixel de la pantalla de visión.
• La base de datos contiene información sobre la
  profundidad de la coordenada visual z para cada
  parte de un objeto que ocupe una posición
  determinada de pixel.
• Para cada pixel (x,y) de la imagen, el punto con
  menor coordenada z es visible.
• El método del Z-Buffer es infalible para todas
  las escenas 3D, no importa cuál sea su
  complejidad. Sin embargo, es de memoria
  intensiva.

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Rendering. Determinación de superficies visibles
IV

• Algoritmo del pintor.
• Se basa en pintar primero el fondo. Sobre este
  fondo, se dibuja la siguiente figura. Si sobre
  esa figura va otra, se dibujaría encima.
• Este método tiene un inconveniente cuando las
  superficies se oscurecen alternativamente.

17
Rendering. Determinación de superficies visibles V

• Método de traza de rayos.
• Se aplica la definición del algoritmo de
  superficie oculta (método de imagen-espacio).
• Para cada pixel se traza un rayo. Si no
  intercepta ningún objeto se le da el color de
  fondo. Si intercepta un objeto, se le da el color
  del primer objeto interceptado.
• Es un método es muy lento, pero tiene la ventaja
  de dar imágenes muy realistas. Por ejemplo,
  usando varias fuentes de luz, se obtienen unos
  resultados muy buenos, casi fotográficos.

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Métodos de rendering de los polígonos I

• Sombreado con intensidad constante.
• Consiste en calcular una única intensidad para
  cada polígono.
• Una vez calculada la intensidad de cada polígono,
  se visualizan todos los puntos del mismo polígono
  con una única intensidad.
• Es muy rápido y preciso si las luces y el
  observador están lejos.
• Presenta el inconveniente de que hay
  discontinuidad de intensidad entre los polígonos.
• Este método es el más ineficiente y menos usado
  de los tres.

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Métodos de rendering de los polígonos II

• Método de sombreado de Gouraud (Gouraud Shading).
• El método consiste en calcular la intensidad de
  los pixeles a lo largo de la línea de escaneo por
  interpolación.
• Elimina la discontinuidad de la intensidad entre
  los polígonos que presentaba el método anterior.
• Método de sombreado de Phong (Phong Shading).
• En lugar de interpolar las intensidades, lo que
  hace es interpolar las normales para cada punto
  de la superficie.
• Con este método es con el que se consiguen
  resultados mas realistas, pero tiene el
  inconveniente de que necesita realizar entre 6 y
  7 veces mas cálculos que para el método de
  Gouraud.

20
Activar la iluminación

• Para activar/desactivar la iluminación, OpenGL
  propone las siguientes primitivas
• glEnable(GL_LIGHTING)
• glDisable(GL_LIGHTING)
• Con estas funciones se le indica a OpenGL que
  realice los cálculos correspondientes para el uso
  de las fuentes de luz y de las propiedades de los
  materiales.

21
Tipos de iluminación

• Hay tres tipos de iluminación en OpenGL
• Iluminación plana evalúa sólo un color para
  todos los puntos de un polígono
• glShadeModel(GL_FLAT)
• Iluminación suaveefectúa cálculos de color para
  cada uno de los puntos del polígono.
• glShadeModel(GL_SMOOTH)
• Iluminación de Phong OpenGL no implementa PHONG
  directamente

22
Características de las fuentes de luz(I)

• OpenGL soporta hasta 8 luces por escena.
• Las luces llevan asociado un nombre
• GL_LIGHT0, GL_LIGHT1, GL_LIGHT2
• Para activar y desactivar una luz se utiliza
• glEnable(GL_LIGHT0)
• glDisable(GL_LIGHT0)
• Para definir las fuentes de luz tenemos que
  decirle a OpenGL cuáles son las propiedades de
  cada una de nuestras luces.
• GLvoid glLightfv(GLenum light, GLenum pname,
  const GLfloat params)

23
Características de las fuentes de luz(II)
24
Vectores Normales a la superficie (I)

• Para iluminar una superficie (plano) necesitamos
  información sobre su vector normal asociado.
• En OpenGL es necesaria la definición de un vector
  normal para cada uno de los vértices de nuestra
  geometría.
• Una vez calculada la normal tenemos que
  normalizar, es decir, dividir ese vector por su
  propio módulo para que sea unitario.
• OpenGL utilizará la normal asociada a cada
  vértice para evaluar la luz que incide sobre
  éste.

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Vectores Normales a la superficie (II)

• Para definir normales con OpenGL
• glBegin(GL_POLYGON )
• glNormal3f(CoordX, CoordY, CoordZ)
• glVertex3f ( ... )
• glVertex3f ( ... )
• glVertex3f ( ... )
• glVertex3f ( ... )
• ...
• glEnd( )

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Vectores Normales a la superficie (III)

• En este caso cada vértice tiene su normal
• glBegin ( GL_POLYGON )
• glNormal3f ( CoordX, CoordY, CoordZ )
• glVertex3f ( ... )
• glNormal3f ( CoordX, CoordY, CoordZ )
• glVertex3f ( ... )
• glNormal3f ( CoordX, CoordY, CoordZ )
• glVertex3f ( ... )
• glNormal3f ( CoordX, CoordY, CoordZ )
• glVertex3f ( ... )
• ...
• glEnd( )

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Vectores Normales a la superficie (IV)

• Se puede indicar a OpenGL que realice el cálculo
  de la normal automáticamente
• glEnable(GL_NORMALIZE)
• glDisable(GL_NORMALIZE)
• No recomendable

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Colocar las luces

• Para colocar la luz se utiliza
• GLvoid glLightfv (GLenum light, GL_POSITION,
  const GLfloat params)
• La posición se indica con un array de valores
• Glfloat posición0.0, 0.0, 100.0, 1.0)
• Los rayos de la luz se asumen paralelos.
• Podemos mover una luz a gusto por una escena.

29
Atenuación con la distancia (I)

• Es la atenuación que sufre la luz a medida que se
  desplaza.
• Para modelar esto contamos con tres parámetros a
  definir
• GL_CONSTANT_ATTENUATION. En la formula es "a".
• GL_LINEAR_ATTENUATION. En la formula es "b".
• GL_QUADRATIC_ATTENUATION. En la formula es c".

30
Atenuación con la distancia (II)

• Para pasarle los valores a OpenGL se usa la
  función de siempre
• GLvoid glLightfv ( GL_LIGHT5, GL_CONSTANT_ATTENUAT
  ION, 0.8 )
• GLvoid glLightfv ( GL_LIGHT5, GL_LINEAR_ATTENUATIO
  N, 0.5 )
• GLvoid glLightfv ( GL_LIGHT5, GL_QUADRATIC_ATTENUA
  TION, 0.1 )

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Área de cobertura(I)

• Hace referencia al área que abarca el haz de luz
  que surge de la fuente.
• Podemos definir los siguientes parámetros
• GL_SPOT_CUTOFF para definir un "cono" de luz.
• GL_SPOT_DIRECTION para restringir la dirección de
  la luz emitida.
• GL_SPOT_EXPONENT que regula la pérdida de
  intensidad de la luz a medida que nos alejamos
  del centro del cono.
• Pasamos estos parámetros a OpenGL con la función
• glLightfv(GL_LIGTH0, GL_SPOT_DIRECTION,
  dirección)
• Glfloat dirección0.0, 0.0, 1.0

32
Área de cobertura (II)
33
Propiedades de los materiales (I)

• Para cada polígono de la escena hay que definir
  un material de forma que su respuesta a la
  incidencia de luz varíe según sea el caso.
• Se definen cinco características para un
  material
• Reflexión difusa
• Reflexión especular
• Reflexión ambiental
• Coeficiente de brillo
• Coeficiente de emisión

34
Propiedades de los materiales (II)

• Para indicar las características de los
  materiales se utiliza
• GLvoid glMaterialfv(GLenum face, GLenum pname,
  const GLfloat params)
• Los parámetros de la función son

Glenum face Glenum pname const GLfloat params
GL_FRONT GL_DIFFUSE ( R, G, B, 1.0 )
GL_BACK GL_AMBIENT ( R, G, B, 1.0 )
GL_FRONT_AN D_BACK GL_AMBIENT_AND_ DIFFUSE ( R, G, B, 1.0 )
GL_EMISSION ( R, G, B, 1.0 )
GL_SPECULAR ( R, G, B, 1.0 )
GL_SHININESS 0, 128
35
Efectos de la iluminación (I)

• Se basan en la componente especular.

36
Efectos de la iluminación (II)

• Para conseguir los efectos de la luz especular
  hay que realizar lo siguiente
• Por un lado tenemos que activar la iluminación
  especular recurriendo a las primitivas de OpenGL
• Espec 1.0f,1.0f,1.0f,1.0f
• GlLight(GL_LIGHT0,GL_SPECULAR,Espec)
• Por otro lado tenemos que asignar al material las
  propiedades adecuadas de brillo
• GlMaterialfv(GL_FRONT,GL_SPECULAR,espec)
• GlMateriali(GL_FRONT,GL_SHININESS,128)

37
Focos de luz (I)

• Tenemos dos tipos de luz
• Luz propia es proporcionada por un foco de luz
  bien situado, del cual conocemos su ubicación, y
  que emite sus rayos de luz de forma radial o
  divergente.
• Luz impropia emite sus rayos de luz desde una
  ubicación muy distante, de forma que podemos
  considerar sus rayos como paralelos entre si

38
Focos de luz (II)

• Colocación de un foco de luz.
• Para colocar una fuente de luz en OpenGL
• glLightfv (GL_LIGHT0, GL_POSITION,LightPos)
• Si queremos le podemos dar el efecto foco
• Se configura el ángulo del cono de luz.
• glLight (GL_LIGHT0, GL_SPOT_CUTOFF, 60.0f)
• Configura el brillo del mismo.
• glLight (GL_LIGHT0, GL_SPOT_EXPONENT, 100.0f)

39
Focos de luz (III)

• Para ver como los focos de luz interaccionan en
  una escena hay que hablar de
• iluminación local cómo se comporta cada
  superficie al ser iluminada de forma individual.
• iluminación global iluminación de un determinado
  objeto en una escena, teniendo en cuenta los
  rayos provenientes varias fuentes de luz y varios
  objetos.

40
Sombras (I)

• Es una de las partes de la iluminación que mayor
  realismo aporta a nuestras escenas.
• En general vamos a tener muy diversos tipos de
  sombras, y diversas formas de aplicarlos, pero
  sólo nos vamos a centrar en dos técnicas y su
  aplicación mediante el buffer plantilla.

41
Sombras (II)

• Sombras proyectadas.
• Es la técnica más sencilla, y consiste en
  calcular una matriz de proyección sobre el plano
  sobre el que queremos dibujar la sombra.
• Una vez calculada esta matriz, si la
  multiplicamos por la matriz del modelo, y
  procedemos a dibujar nuestras figuras, las
  estaremos dibujando sobre ese plano.
• Por tanto una vez dibujada nuestra escena,
  desactivamos la iluminación, proyectamos y
  dibujamos nuestras figuras teniendo en cuenta que
  hay que elegir un color adecuado porque van a ser
  las sombras.

42
Sombras (III)

• Sombras Volumétrica
• La técnica anterior es muy sencilla, pero solo
  nos sirve para dibujar esas sobras proyectadas
  sobre planos.
• Si tenemos una composición de figuras en las que
  unas proyectan sombras sobre otras, con la
  técnica anterior no las podremos representar.
• Para evitar esto vamos a utilizar una técnica que
  consiste en calcular las sombras como
  intersección de volúmenes.

43
Sombras (IV)

• Sombras Volumétricas el buffer plantilla.
• El funcionamiento de este buffer es muy sencillo
• Cada píxel tiene asignado un valor en este
  buffer.
• Además, hay una operación de comparación definida
  para el buffer.
• Si el valor de plantilla de un píxel satisface la
  condición de comparación este se dibuja, si no,
  no se dibuja.
• También tenemos una operación de modificación de
  este valor, que se aplica sobre los píxel que
  satisfacen la condición.

44
Sombras (V)

• El algoritmo será como sigue
• Calculamos el volumen de la sombra, y lo
  dibujamos de tal manera que modifique el valor de
  todos los píxeles asignándoles un valor
  reconocible para nosotros posteriormente como
  sombreado.
• Dibujamos nuestra escena.
• Desactivamos la luz, asignamos el color de
  nuestra sombra activamos es test del buffer, de
  tal manera que solo se dibuje en las regiones
  donde el valor del buffer sea el que hemos
  asignado a nuestra sombra.
• Volvemos a dibujar nuestra escena y ya tendremos
  las sombras.

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Conclusiones

• El capítulo de iluminación es uno de los más
  interesantes de la programación gráfica, porque
  es uno de los que más nos va a permitir dotar de
  fotorrealismo a las escenas que estemos
  modelando, pero exige un gran dominio del resto
  de temas.
• Existen una serie de técnicas que ayudan a
  conseguir ese fotorrealismo.No hemos querido
  profundizar mucho en ellas, ya que en la mayoría
  de los casos nos saldríamos de lo que es el
  carácter introductorio a lo que es OpenGl y a lo
  que es la programación gráfica.