Show page

Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- egc:laboratoare:07 [2019/11/20 09:03]
anca.morar [Componenta difuză]
+++ egc:laboratoare:07 [2022/11/22 09:38] (current)
andrei.lambru
@@ Line 1: / Line 1: @@
 ===== Laboratorul 07 =====
+**Video Laborator 7**: https://youtu.be/y1st9QxXbn8 \\
+**Autor**: [[andrei.lambru@upb.ro | Cristian Lambru]]
 ==== Iluminare folosind GLSL ====
@@ Line 5: / Line 9: @@
 Lumina este un factor foarte important în redarea cât mai realistă  a unei scene 3D. Împreună cu proprietățile de material ale unui obiect, lumina determină modalitatea în care obiectul este afișat în scena 3D.
-Există mai multe modele empirice pentru calculul reflexiei luminii într-un punct al unei suprafețe: Phong ([[http://www.cs.northwestern.edu/~ago820/cs395/Papers/Phong_1975.pdf|1975]]), Blinn-Phong ([[https://www.microsoft.com/en-us/research/wp-content/uploads/1977/01/p192-blinn.pdf|1977]]), Oren-Nayar ([[http://www1.cs.columbia.edu/CAVE/publications/pdfs/Oren_SIGGRAPH94.pdf|1994]]), Cook-Torrance ([[http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs283/sp13/lectures/cookpaper.pdf|1981]]), Lambert ([[https://ia600204.us.archive.org/35/items/bub_gb_zmpJAAAAYAAJ/bub_gb_zmpJAAAAYAAJ.pdf|1760]]), etc (la curs veți discuta despre modelul Lambert și despre modelul Phong).
+Există mai multe modele empirice pentru calculul reflexiei luminii într-un punct al unei suprafețe: Phong ([[http://www.cs.northwestern.edu/~ago820/cs395/Papers/Phong_1975.pdf|1975]]), Blinn ([[https://www.microsoft.com/en-us/research/wp-content/uploads/1977/01/p192-blinn.pdf|1977]]), Oren-Nayar ([[http://www1.cs.columbia.edu/CAVE/publications/pdfs/Oren_SIGGRAPH94.pdf|1994]]), Cook-Torrance ([[http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs283/sp13/lectures/cookpaper.pdf|1981]]), Lambert ([[https://ia600204.us.archive.org/35/items/bub_gb_zmpJAAAAYAAJ/bub_gb_zmpJAAAAYAAJ.pdf|1760]]), etc (la curs veți discuta despre modelul Lambert, Phong și Blinn).
-De asemenea, există mai multe modele de shading, care specifică metoda de implementare a modelului de calcul al reflexiei luminii. Mai exact, modelul de shading specifică unde se evaluează modelul de reflexie. Dacă vrem să calculăm iluminarea pentru o suprafață poligonală:
-  * în modelul de shading Lambert, se calculează o singură culoare pentru un poligon al suprafeței
-  * în modelul de shading Gouraud ([[https://collections.lib.utah.edu/pdfjs/web/viewer.html?v=1&file=/dl_files/3b/70/3b70218f4236a783b37dbb283cf29c18e7842c7d.pdf|1971]]), se calculează câte o culoare pentru fiecare vârf al unui poligon. Apoi, culorile fragmentelor poligonului se calculează prin interpolare între vârfuri (interpolarea liniară a culorilor vârfurilor, pentru fragmentele de pe laturi și interpolare liniară între culorile capetelor fiecărui segment interior, pentru fragmentele interioare poligonului). Calcularea culorilor vârfurilor se poate efectua în vertex shader.
-  * în modelul de shading Phong ([[http://www.cs.northwestern.edu/~ago820/cs395/Papers/Phong_1975.pdf|1975]]), se calculează câte o normală pentru fiecare vârf al unui poligon. Apoi, pentru fiecare fragment se determină o normală prin interpolare între normalele din vârfuri. Astfel, se calculează o culoare pentru fiecare fragment al unui poligon (în fragment shader)
-{{ :egc:laboratoare:lab07:iluminareglsl.png?300 |}}
-Figura 1. Diferite modele de shading: Lambert (o culoare per primitivă), Gouraud (o culoare per vârf), Phong (o culoare per fragment)
-În acest laborator se va discuta modelul de shading Gouraud peste modelul de reflexie Phong.
 ==== Modelul Phong pentru calculul reflexiei luminii ====
-Ca model de reflexie vom prezenta în continuare un model care extinde modelul de reflexie Phong și care conține toate cele 4 componente care pot fi folosite pentru a calcula iluminarea.
+Ca model de reflexie vom prezenta în continuare un model care extinde modelul de reflexie Phong și care conține toate cele 4 componente care pot fi folosite pentru a calcula iluminarea. Pentru a obține astfel culoarea într-un punct al unei suprafețe vom avea următoarele componente :
-Pentru a obține astfel culoarea într-un punct al unei suprafețe vom avea următoarele componente :
   * Componenta emisivă
   * Componenta ambientală
   * Componenta difuză
   * Componenta speculară
-Contribuția fiecărei componente este calculată ca o combinație dintre proprietățile de material ale obiectului (factorul de strălucire, culoarea materialului) și proprietățile sursei de lumină (culoarea sursei de lumină, poziția sursei de lumină).
+Contribuția fiecărei componente este calculată ca o combinație dintre proprietățile de material ale obiectului (factorul de strălucire și de difuzie al materialului) și proprietățile sursei de lumină (culoarea sursei de lumină, poziția sursei de lumină).
-Astfel, culoarea finală a unui punct aparținând unei suprafețe este:
+Astfel, culoarea finală a luminii într-un punct aparținând unei suprafețe este:
 <code glsl>
-     culoare = emisiva + ambientala + difuza + speculara
+     culoare = emisiva + ambientala + difuza + speculara; # GLSL
 </code>
@@ Line 37: / Line 30: @@
 ==== Componenta emisivă ====
-Aceasta reprezintă lumina emisa de un obiect și nu tine cont de nicio sursă de lumină. Dacă un obiect care are o anumită culoare emisivă s-ar afla într-o scenă complet întunecată atunci el ar apărea exact cu această culoare.
+Aceasta reprezintă lumina emisă de un obiect și nu ține cont de nicio sursă de lumină. O utilizare des întâlnită pentru componenta emisivă este aceea de a simula obiectele care au strălucire proprie (de ex: sursele de lumina precum neonul sau televizorul).
-O utilizare des întâlnită pentru componenta emisivă este aceea de a simula strălucirea unui obiect.
 Avem astfel:
 <code glsl>
-     emisiva = Ke
+     emisiva = Ke; # GLSL
 </code>
 <note tip>
@@ Line 51: / Line 42: @@
 ==== Componenta ambientală ====
-Aceasta reprezintă lumina reflectată de catre obiectele din scenă de atât de multe ori încât pare să vină de peste tot.
+Aceasta reprezintă lumina reflectată de către obiectele din scenă de atât de multe ori încât pare să vină de peste tot.
 Astfel, lumina ambientală nu vine dintr-o direcție anume, apărând ca și cum ar veni din toate direcțiile. Din această cauză, componenta ambientală este independentă de poziția sursei de lumină.
-Componenta ambientală depinde de culoarea de material ambientală a suprafeței obiectului și de culoarea ambientală a luminii.
+Componenta ambientală depinde de culoarea de material ambientală a suprafeței obiectului și de culoarea ambientală luminii.
 Similar componentei emisive, componenta ambientală este o constantă (se poate extinde modelul atribuind fiecărei lumini din scenă o culoare ambientală).
@@ Line 62: / Line 53: @@
 <code glsl>
-     ambientala = Ka * culoareaAmbientalaGlobala
+     ambientala = Ka * culoareAmbientalaGlobala; # GLSL
 </code>
@@ Line 79: / Line 70: @@
 Avem astfel:
+$difuza = K_d \cdot culoareLumina \cdot max(\vec{N}\cdot \vec{L}, 0)$
 <code glsl>
-     difuză = Kd * culoareLumina * max (dot(N,L), 0)
+     difuza = Kd * culoareLumina * max (dot(N,L), 0); # GLSL
 </code>
 <note tip>
-  * Kd - constanta de reflexie difuza a materialului
+  * Kd - constanta de reflexie difuză a materialului
-  * culoareLumina – culoarea difuză a luminii
+  * culoareLumina – culoarea luminii
   * N – normala la suprafață (normalizată)
   * L – vectorul direcției luminii incidente (normalizat)
-  * $max(N\cdot L, 0)$ – produsul scalar $N\cdot L$ reprezintă măsura unghiului dintre acești 2 vectori; astfel, dacă $i$ este mai mare decât $\pi/2$ valoarea produsului scalar va fi mai mică decât 0, acest lucru însemnând că suprafața nu primește lumină ( sursa de lumină se află în spatele suprafeței ) și de aici și formula care asigură că în acest caz suprafața nu primește lumină difuză
+  * $max(\vec{N}\cdot \vec{L}, 0)$ – produsul scalar $\vec{N}\cdot \vec{L}$ reprezintă măsura unghiului dintre acești 2 vectori; astfel, dacă $i$ este mai mare decât $\pi/2$ valoarea produsului scalar va fi mai mică decât 0, acest lucru însemnând că suprafața nu primește lumină ( sursa de lumină se află în spatele suprafeței ) și de aici și formula care asigură că în acest caz suprafața nu primește lumină difuză
 </note>
 ==== Componenta speculară ====
-Un reflector perfect, de exemplu o oglindă, reflectă lumina numai într-o singură direcție $R$, care este simetrică cu $L$ față de normala la suprafață. Prin urmare, doar un observator situat exact pe direcția respectivă va percepe raza reflectată.
+Un reflector perfect, de exemplu o oglindă, reflectă lumina numai într-o singură direcție $\vec{R}$, care este simetrică cu $\vec{L}$ față de normala la suprafață. Prin urmare, doar un observator situat exact pe direcția respectivă va percepe raza reflectată.
 {{ :egc:laboratoare:lab07:specular.jpg?300 |}}
-Componenta speculară reprezintă lumina reflectată de suprafața obiectului numai în jurul acestei direcții, $R$.
+Componenta speculară reprezintă lumina reflectată de suprafața obiectului numai în jurul acestei direcții, $\vec{R}$. Acest vector se obține prin:
-În modelul Phong se aproximează scăderea rapidă a intensității luminii reflectate atunci când $\alpha$ crește prin $cos^n \alpha$, unde $n$ este exponentul de reflexie speculară al materialului (shininess).
+<code glsl>
+     vec3 R = reflect (-L, N) # GLSL
+</code>
+<note tip>
+  * Este necesar să se utilizeze -L deoarece ''reflect()'' are primul parametru vectorul incident care intră în suprafață,  nu cel care iese din ea așa cum este reprezentat în figură
+</note>
+În modelul Phong se aproximează scăderea rapidă a intensității luminii reflectate atunci când $\alpha$ crește prin $(cos \alpha)^n$, unde $n$ este exponentul de reflexie speculară al materialului (shininess).
+După cum se observă, față de celelalte 3 componente, componenta speculară depinde și de poziția observatorului. Dacă observatorul nu se află într-o poziție unde poate vedea razele reflectate, atunci nu va vedea reflexie speculară pentru zona respectivă. De asemenea, nu va vedea reflexie speculară dacă lumina se află în spatele suprafeței.
 Astfel avem:
-$speculară = K_s \cdot culoareLumina \cdot primesteLumina \cdot (max(V\cdot R, 0))^n$
+$speculara = K_s \cdot culoareLumina \cdot primesteLumina \cdot (max(\vec{V}\cdot \vec{R}, 0))^n$
 <code glsl>
-     speculară = Ks * culoareLumina * primesteLumina * pow(max(dot(V, R), 0), n) # GLSL
+     speculara = Ks * culoareLumina * primesteLumina * pow(max(dot(V, R), 0), n) # GLSL
 </code>
-O altă formulare a modelului Phong se bazează pe vectorul median, notat cu $H$. El face unghiuri egale cu $L$  și cu $V$. Dacă suprafața ar fi orientată astfel încât normala sa să aibă direcția lui $H$, atunci  observatorul  ar  percepe  lumina speculară  maximă (deoarece ar fi pe direcția razei reflectate specular).
+<note tip>
+  * Ks - constanta speculară de reflexie a materialului
+  * V – vectorul direcției de vizualizare (normalizat)
+  * R – vectorul direcției luminii reflectate (normalizat)
+  * n – coeficientul de strălucire (shininess) al materialului
+  * primesteLumina – 1 dacă $\vec{N}\cdot \vec{L}$ este mai mare decât 0; sau 0 în caz contrar
+</note>
+Un alt model de iluminare (Blinn ([[https://www.microsoft.com/en-us/research/wp-content/uploads/1977/01/p192-blinn.pdf|1977]])) pentru componenta speculară se bazează pe vectorul median, notat cu $\vec{H}$. El face unghiuri egale cu $\vec{L}$  și cu $\vec{V}$. Dacă suprafața ar fi orientată astfel încât normala sa să aibă direcția lui $\vec{H}$, atunci  observatorul  ar  percepe  lumina speculară  maximă (deoarece ar fi pe direcția razei reflectate specular).
 {{ :egc:laboratoare:lab07:specular1.jpg?300 |}}
 Termenul care exprimă reflexia speculară este în acest  caz:
-$(N_u \cdot H_u)^n$
+$(\vec{N} \cdot \vec{H})^n$
 <code glsl>
-     pow(dot(Nu, Hu), n) # GLSL
+     pow(dot(N, H), n) # GLSL
 </code>
 <note tip>
-  * $H_u = (L_u + V_u)$ (normalizat)
+  * $\vec{H} = (\vec{L} + \vec{V})$ (normalizat)
 </note>
-Atunci când sursa de lumină și observatorul sunt la infinit, utilizarea termenului $N_u\cdot H_u$  este avantajoasă deoarece $H_u$ este constant.
+Atunci când sursa de lumină și observatorul sunt la infinit, utilizarea termenului $\vec{N}\cdot \vec{H}$  este avantajoasă deoarece $\vec{H}$ este constant.
-Dupa cum se observă, față de celelalte 3 componente, componenta speculară depinde și de poziția observatorului. dacă observatorul nu se află într-o poziție unde poate vedea razele reflectate, atunci nu va vedea reflexie speculară pentru zona respectivă. De asemenea, nu va vedea reflexie speculară dacă lumina se află în spatele suprafeței.
 Ținând cont de toate acestea, avem pentru componenta speculară următoarea formulă:
-$speculara = K_s \cdot  culoareLumina \cdot  primesteLumina \cdot  (max(N\cdot H, 0)^n $
+$speculara = K_s \cdot  culoareLumina \cdot  primesteLumina \cdot  (max(\vec{N}\cdot \vec{H}, 0)^n $
 <code glsl>
      speculara = Ks * culoareLumina * primesteLumina * pow(max(dot(N, H), 0), n) # GLSL
 </code>
-<note tip>
-  * Ks - constanta speculara de reflexie a materialului
-  * culoareLumina – culoarea speculară a luminii
-  * N – normala la suprafață (normalizată)
-  * L – vectorul direcției luminii incidente (normalizat)
-  * H – vectorul median (normalizat)
-  * primesteLumina – 1 dacă $N\cdot L$ este mai mare decat 0; sau 0 în caz contrar
-</note>
 ==== Atenuarea intensității luminii ====
-Atunci  când sursa de lumină punctiformă este suficient de îndepărtată de obiectele scenei vizualizate, vectorul  $L$  este același în orice punct. Sursa de lumină este numită în acest caz direcțională. Aplicând modelul pentru vizualizarea a două suprafețe paralele construite din același material, se va  obține o aceeași intensitate (unghiul dintre $L$ și normală este același pentru cele două suprafețe). Dacă proiecțiile suprafețelor se suprapun în  imagine,  atunci ele nu se  vor  distinge.  Aceasta deoarece în  model nu se ține cont de faptul că intensitatea luminii descrește proporțional cu inversul pătratului distanței de la sursa de lumină la obiect. Deci, obiectele mai îndepărtate de sursă sunt mai slab luminate. O posibilă corecție a  modelului, care poate fi aplicată pentru surse poziționale (la distanță finită de scenă) este:
+Atunci  când sursa de lumină punctiformă este suficient de îndepărtată de obiectele scenei vizualizate, vectorul $\vec{L}$ este același în orice punct. Sursa de lumină este numită în acest caz direcțională. Aplicând modelul pentru vizualizarea a două suprafețe paralele construite din același material, se va  obține o aceeași intensitate (unghiul dintre $\vec{L}$ și normală este același pentru cele două suprafețe). Dacă proiecțiile suprafețelor se suprapun în  imagine,  atunci ele nu se  vor  distinge.  Această situație apare deoarece în  model nu se ține cont de faptul că intensitatea luminii descrește proporțional cu inversul pătratului distanței de la sursa de lumină la obiect. Deci, obiectele mai îndepărtate de sursă sunt mai slab luminate. O posibilă corecție a  modelului, care poate fi aplicată pentru surse poziționale (la distanță finită de scenă) este:
-     culoareObiect = emisiva + ambientala + factorAtenuare * ( difuza + speculara )
+<code glsl>
+     culoareObiect = emisiva + ambientala + factorAtenuare * ( difuza + speculara ); # GLSL
+</code>
 <note tip>
@@ Line 147: / Line 149: @@
 </note>
-Corecția de mai sus nu satisface cazurile în care sursa este foarte îndepărtată. De asemenea, dacă sursa este la distanță foarte mică de scenă, intensitățile obținute pentru două suprafețe cu același unghi  $i$, între $L$ și $N$, vor fi mult diferite.
+Corecția de mai sus nu satisface cazurile în care sursa este foarte îndepărtată. De asemenea, dacă sursa este la distanță foarte mică de scenă, intensitățile obținute pentru două suprafețe cu același unghi  $i$, între $\vec{L}$ și $\vec{N}$, vor fi mult diferite.
 <note tip>
@@ Line 157: / Line 159: @@
   * $K_q$ - factorul de atenuare patratic
 </note>
+====Modele de shading====
+De asemenea, există mai multe modele de shading, care specifică metoda de implementare a modelului de calcul al reflexiei luminii. Mai exact, modelul de shading specifică unde se evaluează modelul de reflexie. Dacă vrem să calculăm iluminarea pentru o suprafață poligonală:
+  * în modelul de shading Lambert, se calculează o singură culoare pentru un poligon al suprafeței
+  * în modelul de shading Gouraud ([[https://collections.lib.utah.edu/pdfjs/web/viewer.html?v=1&file=/dl_files/3b/70/3b70218f4236a783b37dbb283cf29c18e7842c7d.pdf|1971]]), se calculează câte o culoare pentru fiecare vârf al unui poligon. Apoi, culorile fragmentelor poligonului se calculează prin interpolare între vârfuri (interpolarea liniară a culorilor vârfurilor, pentru fragmentele de pe laturi și interpolare liniară între culorile capetelor fiecărui segment interior, pentru fragmentele interioare poligonului). Calcularea culorilor vârfurilor se poate efectua în vertex shader.
+  * în modelul de shading Phong ([[http://www.cs.northwestern.edu/~ago820/cs395/Papers/Phong_1975.pdf|1975]]), se calculează câte o normală pentru fiecare vârf al unui poligon. Apoi, pentru fiecare fragment se determină o normală prin interpolare între normalele din vârfuri. Astfel, se calculează o culoare pentru fiecare fragment al unui poligon (în fragment shader)
+{{ :egc:laboratoare:lab07:iluminareglsl.png?300 |}}
+Figura 1. Diferite modele de shading: Lambert (o culoare per primitivă), Gouraud (o culoare per vârf), Phong (o culoare per fragment)
+În acest laborator se va discuta modelul de shading Gouraud.
 ==== Detalii de implementare ====
@@ Line 162: / Line 176: @@
 Pentru simplitate, în cadrul laboratorului vom implementa modelul de shading Gouraud (în vertex shader):
   * Se vor calcula practic doar componentele difuze și speculare așa cum au fost prezentate anterior; componenta emisivă nu va fi folosită iar calculul componentei ambientale va fi simplificat astfel încât să nu mai trebuiască trimis nimic din program către shader (mai multe detalii la punctul 3).
-  * Vom folosi ca materiale pentru obiecte doar culoarea de material difuză și speculară (transmise din program către shader) : Ks și Kd.
+  * Vom folosi ca proprietăți de material pentru obiecte doar culoarea de material difuză și speculară (transmise din program către shader) : Ks și Kd.
-  * În shader vom aproxima lumina ambientală cu o culoareAmbientalaGlobala care va fi o constantă în shader, iar în loc de Ka (constanta de material ambientală a obiectului) vom folosi Kd (constanta de material difuză a obiectului).
+  * În shader vom aproxima lumina ambientală cu o ''culoareAmbientalaGlobala'' care va fi o constantă în shader, iar în loc de Ka (constanta de material ambientală a obiectului) vom folosi Kd (constanta de material difuză a obiectului).
   * Culoarea luminii (difuză și speculară) va fi albă, deci culoareLumina va fi 1 și nu va mai fi necesar să fie folosită la înmulțirile din formulele de calcul pentru componentele difuză și speculară.
   * Calculele de iluminare se vor face în world space, deci înainte de a fi folosite, poziția și normala vor trebui aduse din object space în world space. Acest lucru se poate face astfel:
-     *   pentru position: <code glsl>vec3 world_pos = (model_matrix * vec4(v_position,1)).xyz;</code>
+     *   pentru poziție: <code glsl>vec3 world_pos = (model_matrix * vec4(v_position,1)).xyz;</code>
-     *   pentru normala: <code glsl>vec3 world_normal = normalize( mat3(model_matrix) * v_normal );</code>
+     *   pentru normală: <code glsl>vec3 world_normal = normalize( mat3(model_matrix) * v_normal );</code>
   * Vectorul direcției luminii L: <code glsl>vec3 L = normalize( light_position - world_pos );</code>
   * Vectorul direcției din care priveste observatorul V: <code glsl>vec3 V = normalize( eye_position - world_pos );</code>
@@ Line 175: / Line 189: @@
 Funcții GLSL utile care pot fi folosite pentru implementarea modelului de iluminare
   * normalize(V) – normalizează vectorul V
-  * normalize(L+V) – normalizează vectorul obținut prin L+V
+  * normalize(V1+V2) – normalizează vectorul obținut prin V1+V2
-  * normalize(X1-X2) - returnează un vector de direcție normalizat având două puncte X1 și X2
+  * normalize(P1-P2) - returnează un vector de direcție normalizat între punctele P1 și P2
-  * dot(N,L) – calculează produsul scalar dintre N și L
+  * dot(V1,V2) – calculează produsul scalar dintre V1 și V2
-  * pow(L, shininess) – calculează L la puterea shininess
+  * pow(a, shininess) – calculează a la puterea shininess
-  * max(N,V) – returnează maximul dintre N și V
+  * max(a,b) – returnează maximul dintre a și b
   * distance(P1,P2) – returnează distanța euclidiană dintre punctele P1 și P2
-  * reflect(L,N) - calculează vectorul de reflexie pornind de la incidenta L și normala N
+  * reflect(V,N) - calculează vectorul de reflexie pornind de la incidenta V și normala N
 </note>
@@ Line 188: / Line 202: @@
 <note tip>
-tasta **F5** - reîncarcă shaderele în timpul rularii aplicatiei. Nu este nevoie să opriți aplicația întrucât shaderele sunt __compilate și rulate de către placa video__ și nu au legătură cu codul sursă C++ propriu zis.
+Tasta **F5** - reîncarcă programele shader în timpul execuției aplicației. Nu este nevoie să opriți aplicația întrucât un program shader este __compilat și executat de către procesorul grafic__ și nu are legătură cu codul sursă C++ propriu-zis.
 </note>
@@ Line 205: / Line 219: @@
     * Culoarea finală
   - Completați fragment shader-ul astfel încât să aplicați iluminarea calculată în Vertex Shader
-  - Colorați sfera și planul din scena (de ex: sfera - albastru, planul - gri)
+  - Colorați sfera și planul din scenă (de ex: sfera - albastru, planul - gri)

Info curs

Elemente de Grafică pe Calculator

Cataloage EGC

Notele vor fi vizibile pe Moodle individual

Laboratoare

Teme

Resurse

egc/laboratoare/07.1574233400.txt.gz · Last modified: 2019/11/20 09:03 by anca.morar

Show page Old revisions

Media Manager Back to top