Animace a geoprostor. První etapa: Animace 3. přednáško-cvičení. Jaromír Landa. jaromir.landa@mendelu.cz Ústav informatiky PEF MENDELU v Brně

Transkript

1 Animace a geoprostor První etapa: Animace 3. přednáško-cvičení Jaromír Landa jaromir.landa@mendelu.cz Ústav informatiky PEF MENDELU v Brně

2 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 2

3 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 3

4 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) 4

5 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 5

6 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) rovnoběžné paprsky (rovnoměrné nasvícení) nevhodné pro studiové nasvícení (působí ploše) vhodné pro velké objekty (např. budovy) Plošný světelný zdroj (Rectangular Light) jako soustava stropních zářivek (jemnější stíny) Lineární světelný zdroj (Linear Light) 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 6

7 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) 7

8 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 8

9 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) 9

10 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 10

11 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 11

12 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 12

13 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 13

14 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 14

15 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 15

16 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 16

17 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 17

18 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 18

19 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 19

20 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) 20

21 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 21

22 Vlastnosti objektů a materiály Vlastnosti objektů Průhlednost a vrhání stínů Mapování materiálů Samolepky Vlny Materiály Editor materiálů Procedurální hrbolaté textury Procedurální materiály 22

23 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 23

24 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 24

25 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 25

26 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 26

27 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 UV poloměr mapovací koule je vhodné nastavit menší než je poloměr objektu (koule je do objektu zanořená) projekce probíhá směrem ven z koule 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! 27

28 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 28

29 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) 29

30 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 30

31 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: , 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 31

32 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 32

33 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 33

34 Úkol č. 1 ukázky 34