Animace a geoprostor První etapa: Animace 3. přednáško-cvičení
Jaromír Landa
[email protected] Ústav informatiky PEF MENDELU v Brně
Náplň přednáško-cvičení • Nasvícení scény • Světelné zdroje • umělé • přirozené (denní světlo)
• Vlastnosti světelných zdrojů
• Režimy renderování • Renderování metodou raytracingu • změna nastavení raytracingu • hloubka ostrosti • renderovací výkon
• Renderování fotometrickým režimem • změna nastavení fotometrického režimu • využití radiozity • ruční nastavení expozice
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
2
Režimy renderování ve Flamingu • režim raytracingu • studiové scény (obrázky samostatných objektů) • malý rozsah nasvícení (nerealistické prvky nasvícení zdůrazňující určitou část výrobku) • jednoduché scény, které nemusí vypadat realisticky • světelné hodnoty jsou počítány v obecných hodnotách • po výpočtu nelze měnit expozici obrázku
• fotometrický režim • • • • •
architektonické interiéry a exteriéry vytváření širokého spektra světelných efektů světelné zdroje definovány a počítány ve wattech po výpočtu lze změnit expozici obrázku lze v něm počítat i tzv. radiozitu
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
3
Nasvícení scény •
Správné umístění světel a kompozice scény je důležitější než výpočet stínů nebo radiozity!
•
Nasvícení pro renderování je téměř totožné jako nasvícení pro fotografování!
•
Chcete-li zdokonalit nasvícení svého modelu, seznamte se nejprve se světlem a jeho účinky na různých plochách!
•
V režimech Raytrace a Photometric se osvětlení chová rozdílně!
•
Volba nasvícení vždy závisí na orientaci kamery vůči snímanému objektu!
•
Studiové nasvícení pomocí tří světelných zdrojů: • hlavní – pod úhlem 30 až 40 stupňů, nad kamerou (45 stupňů u portrétů)
• pomocný – nad kamerou, na opačné straně než hlavní (vykreslení detailů ve stínech)
• zadní – za objektem a nad ním (zvýraznění obrysů, opticky odděluje objekt od pozadí a přidává do scény hloubku)
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
4
Atributy světla • Kontrast – rozdíl mezi nejsvětlejšími a nejtmavšími oblastmi ve scéně • Trojrozměrná hloubka – např. krychle bude působit prostorověji, pokud bude mít každá ze stěn vlivem nasvícení jinou světlost (horní bývá nejsvětlejší) • Optické oddělení objektu od pozadí – hrany předmětu musí být světlejší nebo tmavší než pozadí • Tvrdé a měkké světlo • tvrdé (přímé) vrhá stíny s ostrými okraji • měkké (difuzní, rozptýlené) vrhá jemné, někdy téměř nerozeznatelné stíny
• Barva světla – např. studené ranní světlo, teplé večerní světlo • Světelné efekty – např. čelní a boční osvětlení, osvětlení zespodu či zezadu Animace a geoprostor – Jaromír Landa
5
Světelné zdroje 1) Umělé světelné zdroje • Vestavěné světelné zdroje Rhina: • • •
Kuželový světelný zdroj (Spot Light) Bodový světelný zdroj (Point Light) Směrový světelný zdroj (Directional Light) • • •
•
Plošný světelný zdroj (Rectangular Light) •
•
jako soustava stropních zářivek (jemnější stíny)
Lineární světelný zdroj (Linear Light) •
•
rovnoběžné paprsky (rovnoměrné nasvícení) nevhodné pro studiové nasvícení (působí ploše) vhodné pro velké objekty (např. budovy)
podélná a pravidelná distribuce světla
Specifické světla Flaminga: •
Goniometrický světelný zdroj •
•
na každý světelný zdroj je možné aplikovat tzv. IES data reálných svítidel (specifikují intenzitu a distribuci světla) Ambientní světlo (konstantní, všudypřítomné)
2) Přirozené zdroje osvětlení • Denní světlo Animace a geoprostor – Jaromír Landa
6
Denní světlo • skládá se ze dvou složek: • přímé světlo vyzařované ze Slunce (musíme znát čas, datum a stanoviště)
• nepřímé světlo získané z oblohy, zemského povrchu a dalších objektů (jeho výpočet je složitý) • v režimu Photometric se používají dva druhy výpočtů: Interior a Exterior
• pro osvětlení scény se využívá jako světelný zdroj Slunce • interiéry v režimu Photometric • do modelu vložíme tzv. zdroje denního světla – okna (udávají, kudy do místnosti vstupuje sluneční světlo) Animace a geoprostor – Jaromír Landa
7
Sluneční úhel • směr slunečního svitu lze zadat 2 způsoby: • datem, časem a místem (kde stojí např. budova) • přímým zadáním úhlů • pokud nejde o reálnou simulaci Slunce
• za sever je v modelu považován kladný směr osy y globálního souřadného systému • nastavení Slunce a oblohy • míra oblačnosti, intenzita světla Slunce a oblohy, severní směr modelu
• barvy Slunce a oblohy (barva světla, které vychází ze Slunce a z oblohy) • barevná teplota • přímé zadání barev • denní světlo v interiérech • vložení zdroje denního světla (pravoúhlá „okna“) • do interiéru vstupuje rozptýlené denní světlo Animace a geoprostor – Jaromír Landa
8
Ray-tracing • metoda sledování paprsku • paprsky se šíří od světelných zdrojů různými směry, některé zasáhnou povrch objektů ve scéně • určení barevného složení paprsku, který dopadá na sítnici našeho oka je spojeno s vyhledáním trasy, kterou paprsek v prostoru scény prošel • výsledná barva paprsku vznikne složením barev více paprsků, které přicházejí jak ze zdrojů světla, tak od těles, která světlo odrážejí • v PG proces šíření světla modelujeme obráceným postupem (tzv. zpětné sledování paprsku)
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
9
Dvě varianty sledování paprsku • Vržení paprsku (ray casting) • nalezení a zobrazení bodu na povrchu nejbližšího tělesa zasaženého paprskem
• Sledování paprsku vyššího řádu • sledování paprsku nekončí po nalezení nejbližšího tělesa, ale pokračuje sledováním dalších paprsků, odvozených podle odrazivosti a průhlednosti
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
10
Ray-tracing •
Primární paprsek • je vyslán z místa pozorovatele bodem obrazu
•
Sekundární paprsek • je vytvořen po dopadu primárního nebo sekundárního paprsku na těleso
•
Stínový paprsek • je vyslán z bodu, kam dopadl primární nebo sekundární paprsek, ke světelnému zdroji
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
11
Ray-tracing • metoda sledování paprsku dokáže: • zobrazit na povrchu tělesa zrcadlové obrazy jiných těles pomocí sekundárních paprsků • nakreslit vržené stíny pomocí stínových paprsků
• algoritmus má rekurzivní charakter • barevné složení původního paprsku můžeme určit teprve po zjištění údajů o všech dílčích paprscích • nedostatek: • zpětným sledováním paprsku nelze nalézt všechny paprsky přispívající k osvětlení určitého bodu • většina metod není schopna řešit lom stínového paprsku, proto jej zanedbává
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
12
Ukončení metody sledování paprsku • při opuštění scény • po dopadu do zdroje světla • po N odrazech a lomech
• po uražení mezní vzdálenosti
Obecné nevýhody • vržené stíny jsou ostré • osvětlovací model předpokládá pouze bodové zdroje světla, ne však plošné • zrcadla odrážejí obraz okolních těles, nejsou však využita pro odraz světla (nepřímé osvětlení) • výpočet se provádí znovu při změně polohy pozorovatele nebo přidání nového tělesa do scény Animace a geoprostor – Jaromír Landa
13
Zrychlení metody sledování paprsku • velká časová náročnost • nejnáročnější: hledání nejbližšího průsečíku paprsku s tělesy ve scéně (70-90 % celkového času) • urychlovací metody: • urychlení výpočtů průsečíků • snížení počtu paprsků • sledování více paprsků naráz
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
14
Renderování metodou raytracingu • raytracing počítá jas, průhlednost a odrazivost každého objektu ve scéně • postupné zjemňování při vykreslování • Render / Aktuální rendrovací modul / Flamingo Raytrace • nabídka Raytrace: • • • •
Render Render Window Render Preview Render Preview Window
• změna nastavení raytracingu
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
15
Renderování metodou raytracingu •
Hloubka ostrosti • oblast v prostoru, ve které mají zobrazované objekty přijatelnou ostrost • tato oblast je z obou stran ohraničena soustřednými koulemi se středem v čočce objektivu • přední hranice hloubky ostrosti • koule, která leží blíže k čočce • objekty před ní nebudou zaostřené
• zadní hranice hloubky ostrosti • vzdálenější koule • objekty za ní nebudou zobrazeny ostře
•
Ohnisková vzdálenost • vzdálenost od kamery, ve které se bod na scéně renderuje právě jako jeden bod v obrazové rovině
•
Míra neurčitosti • menší hodnoty – ostřejší obrázky • větší hodnoty – obrázky jsou více rozmazané
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
16
Renderování metodou raytracingu •
Renderovací výkon
•
největší dopad na rychlost výpočtu obrázku při renderování mají: 1) měkké stíny 2) hloubka ostrosti 3) nastavení hustoty renderovací polygonové sítě •
při renderování jsou NURBS objekty aproximovány polygonovou sítí (její kvalitu můžeme ovlivnit!) • •
•
nízká kvalita polygonové sítě malý počet polygonů zubaté či hranaté objekty vysoká kvalita polygonové sítě vysoké nároky na paměť
změna nastavení polygonové renderovací sítě: Raytrace nebo Photometric / Properties / Síť
4) materiálové vlastnosti •
zejména průhledné a odrazivé materiály, hrbolaté textury
5) nasvícení • •
počet a typ světelných zdrojů (vrhající měkké stíny) používat zejména kuželové a bodové světelné zdroje!
6) rostliny • •
zabírají hodně paměti! parametr Detail – úroveň detailů rostlin
7) velikost modelu 8) paměťové požadavky při výpočtu radiozity Animace a geoprostor – Jaromír Landa
17
Radiozita • vyzařovací metoda pro dosažení fotorealistické věrnosti renderovaných obrázků, která umožňuje simulovat šíření světla scénou z fyzikálního hlediska
• globální výpočet osvětlení podle tepelného záření • časově náročnější než rekurzivní sledování paprsku • sledování paprsku na jejich dráze od zdrojů světla • fyzikální princip světelných jevů • termodynamické řešení osvětlení scény • fotorealistická věrnost počítaných obrazů • základním prvkem je plocha, která dokáže světelnou energii přijímat, odrážet a vyzařovat
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
18
Radiozita • postup zobrazování scény má dvě části: • vyhodnocení šíření světla ze světelných zdrojů (plošných) a jeho odrazy na povrchu těles • každá plocha je ohodnocena hodnotou osvětlení • nezávislost na poloze pozorovatele (vlastnost scény)
• použití libovolného zobrazovacího algoritmu, který řeší viditelnost scény
• scénu pak můžeme zobrazovat z různých pohledů bez nutnosti nových výpočtů
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
19
Renderování fotometrickým režimem • simulace reálného světla • hodnoty osvětlení jsou uchovávány ve skutečných fyzikálních jednotkách • přesnější obrázky, kvalitní a jemné světelné efekty • ruční nastavení expozice • úpravy celkového jasu, kontrastu, vyvážení barev
• Slunce potlačuje svou intenzitou všechny ostatní světelné zdroje • Render / Aktuální rendrovací modul / Flamingo Photometric • nabídka Photometric: • • • •
Render Render Window Render Preview Render Preview Window
• změna nastavení fotometrického režimu • ruční nastavení expozice • nasvícení s využitím radiozity (nepřímého osvětlení) Animace a geoprostor – Jaromír Landa
20
Radiozita ve Flamingu •
Kdy použít radiozitu? • pro architektonické interiéry • pro zachycení nepřímého (difuzně odraženého) osvětlení (plné osvětlení s jemnými variacemi) • výhody: • kvalitní obrázky • reálné a přesné hodnoty osvětlení interiéru • libovolný počet světelných zdrojů
•
Kdy nepoužít radiozitu? • pro studiové snímky výrobků, exteriéry staveb (světlo se musí od něčeho odrážet) • nevýhody: • • • •
stíny nejsou tak přesné jako u raytracingu nevhodné pro velké nebo příliš detailní modely dlouho se počítá, zabírá hodně místa v paměti nepočítá materiály, průhlednost a odrazy
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
21
Vlastnosti objektů a materiály • Vlastnosti objektů • Průhlednost a vrhání stínů • Mapování materiálů • Samolepky • Vlny • Materiály • Editor materiálů • Procedurální hrbolaté textury • Procedurální materiály
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
22
Vlastnosti objektů • Typ průhlednosti • Thin • objekt, který neuzavírá objem a je průhledný (např. tabule skla = obdélníková plocha) • objekt bude při výpočtu lomu světla považován za oboustranný
• Thick • těleso, jehož normály míří směrem ven • každá z ploch tělesa je považována za jednostrannou • těleso pak láme světlo tak, jako by bylo vyrobeno z jednoho kusu materiálu
• Vrhání stínů Animace a geoprostor – Jaromír Landa
23
Vlastnosti objektů • Mapování materiálů • materiál = generovaná procedura nebo obrázek • některé materiály jsou směrově závislé • vzory mají někde v prostoru svůj počátek a osy, podle kterých se orientují
• mapování • = způsob, jakým je materiál nanášen a umístěn na daný objekt • význam u materiálů, které mají definovaný směr nebo vytváří obrazce a vzory
• namapovaný materiál Flaminga se automaticky přizpůsobí přesouvání, otáčení i změně velikosti objektu • výhoda = materiál orientovaný podle určitých bodů na objektu Animace a geoprostor – Jaromír Landa
24
Vlastnosti objektů • způsoby mapování • výchozí • stejné jako kubické, ale nelze měnit orientaci a počátek (na souřadnici 0,0,0) • materiál mapován podle globálních os, nemusí pasovat na objekt
• rovinné • materiál nemění na bočních stěnách orientaci (efekt protažení)
• kubické • vzorky jsou mapovány ortograficky • počátek na obálkovém kvádru objektu • lze měnit počátek a orientaci materiálu
• válcové • lze měnit počátek, natočení a osy mapování • lze použít buď velikost materiálu nebo zadat počet opakování vzorků ve směru parametru U
• sférické • lze použít buď velikost materiálu nebo nastavit počet opakování vzorků ve směru parametrů U a V
• Vrhání stínů Animace a geoprostor – Jaromír Landa
25
Vlastnosti objektů • Samolepky • = obrázky, které jsou přímo umístěny na vymezenou část objektu, nevyplňují celou plochu objektu • samolepka je tvořena jediným obrázkem, který není cyklicky opakován • počet současně aplikovaných samolepek na objekt není omezen! • více samolepek je aplikováno v pořadí seznamu (poslední bude ležet nahoře) • lze pomoci nich lokálně měnit barvu, odrazivost nebo hrbolatost
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
26
Vlastnosti objektů • umístění závisí na zvoleném mapování • rovinné • rovina samolepky musí ležet na ploše nebo za ní • samolepka je promítána ze své roviny směrem vzhůru
• válcovité • zakřivení plochy v jednom směru (např. viněta láhve) • mapovací válec samolepky se musí nacházet uvnitř • projekce probíhá směrem ven z válce
• sférické • poloměr mapovací koule je vhodné nastavit menší než je poloměr objektu (koule je do objektu zanořená) • projekce probíhá směrem ven z koule
• UV • roztáhne obrázek po celé ploše objektu • směry U a V určují, jakým směrem bude samolepka aplikována • vhodné pro organické tvary (např. kůže, rostliny) • nejsou zobrazeny při řešení radiozity! Animace a geoprostor – Jaromír Landa
27
Vlastnosti objektů • použití: • obrázky na zdech interiérů • umístění loga na povrch výrobku či jiné značky na výrobcích • tvorba oken z barevného skla (např. mozaiky v kostelech)
• vlastnosti samolepek: • způsob mapování (maskování) • síla barvy a hrbolaté textury • povrchová úprava samolepky (odrazivost, průhlednost) – stejné fyzikální vlastnosti jako u definice materiálu
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
28
Materiál • = souhrn vlastností, které určují, jak bude objekt vypadat ve výsledném renderu
• nese informaci o barvě, textuře, odrazech, průhlednosti a vzorech • lze je přiřadit objektům či vrstvám (všem objektům, které se v této vrstvě nachází)
•
materiál objektu má vyšší váhu než materiál vrstvy!
• knihovny materiálů • standardní knihovny Flaminga • prázdná uživatelská knihovna (USER) • nová materiálová knihovna bude uložena do adresáře Flamingo \ Libraries (soubor s materiálovou knihovnou má koncovku .mlib)
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
29
Materiál • tvorba a editace materiálů v okně Material Editor umožňuje: • změnu barvy a odrazivosti • definovat drsnost a textury plochy • aplikovat vzory, které imitují vzhled komplexních materiálů (např. mramor, žula nebo dřevo) • zahrnout do materiálu fotografie, počítačem generované obrázky nebo naskenované skutečné materiály (např. koberec, tapetu) • změny neukládejte do standardní knihovny, neboť mohou být přepsány budoucí verzí Flaminga • vlastní materiály ukládejte vždy do knihovny USER nebo do jiné, nově vytvořené knihovny
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
30
Editor materiálů • Procedures • procedury použité k vytvoření daného materiálu
• Panely s materiálovými vlastnostmi: • Základní • základní barva, lesklý lak a svítivost
• Průsvitnost • index lomu: • vakuum: 1.0, vzduch: 1.00029, diamant: 2.417, sklo: 1.52 až 1.8, led: 1.309, voda: 1.33
• Mapování obrázku • textury • procedurální hrbolaté textury (výška -1 až 1) • ideální jsou černobílé obrázky
• procedury použité k vytvoření daného materiálu
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
31
Procedurální materiály • jsou tvořeny kombinací dvou nebo více materiálových složek • procedura pomocí určitého matematického vztahu kombinuje své materiálové potomky • procedury: • Mramor • Žula (např. rez, povrch planety, skvrny dalmatinů) • Dřevo (např. lesklé hedvábí) • Dlaždice • Maska • Mísení - k základnímu materiálu se přimíchá doplňková barva • Čirý lak (např. porcelán, keramika, lakované dřevo, automobilový lak) • Úhlově závislé mísení – změna vlastností v závislosti na úhlu pohledu pozorovatele Animace a geoprostor – Jaromír Landa
32
I. etapa (Animace) – úkol č. 1 •
V programu Rhinoceros vytvořit s využitím nástrojů modulu Flamingo scénu, která bude obsahovat: • nekonečnou rovinu, gradient barev na pozadí, mraky, případně další efekty nabídky Environment
•
Doplňte scénu o jednoduché objekty, na které namapujte vlastní materiály, vlny a alespoň jednu samolepku. Vytvořte vlastní knihovnu materiálu a v ní definujte svůj vlastní materiál, které použijete na objektu ve scéně.
•
Do scény vložte alespoň jeden světelný zdroj, u kterého upravte vlastnosti.
•
Render scény (jpg) v rozlišení 1024x768 nahrajte do připravené odevzdávárny.
•
Termín odevzdání: do 20. března 2014
•
Kreativitě se meze nekladou
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
33
Úkol č. 1 – ukázky
Animace a geoprostor – Jaromír Landa
34
