Ombre e riflessioni in tempo reale Daniele Marini Parzialmente tratte de: Haines-M ö ller Corso di Programmazione Grafica aa2006/2007.

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1 Ombre e riflessioni in tempo reale Daniele Marini Parzialmente tratte de: Haines-M ö ller Corso di Programmazione Grafica aa2006/2007

2 Programmazione Grafica aa2006/20072 Perchè Dare maggiore realismo Creare ”un’atmosfera” Neverwinter Nights Blade of Darkness

3 Programmazione Grafica aa2006/20073 Cosa si ottiene Più indizi per comprendere la profondità e la forma Più facile l’orientamento

4 Programmazione Grafica aa2006/20074 Ricevitore Sorgenti di luce Creatori d’ombra, ricevitori d’ombra Sorgente Creatore Creatore e ricevitore Definizioni

5 Programmazione Grafica aa2006/20075 Tipi di sorgenti Point light ombra area light ombrapenombra Tipologie

6 Programmazione Grafica aa2006/20076 Ombre nette, ombre sfumate (penombre)

7 Programmazione Grafica aa2006/20077 Come considerare le ombre Come oggetti separati (l’ombra di Peter Pan) Come volumi di spazio buio Come posizioni da cui la luce di una sorgente non è visibile Notare che sono in ombra facce rivolte in senso opposto alla sorgente

8 Programmazione Grafica aa2006/20078 Ombre piane Un oggetto proietta un’ombra su una superficie piana Il meccanismo è simile a una proiezione prospettica: si tratta di individuare la matrice di proiezione

9 Programmazione Grafica aa2006/20079 Proiezione dell’ombra l v ombra y=0 y p Matrice di proiezione:

10 Programmazione Grafica aa2006/200710 Proiezione su un piano qualsiasi v p n l Equazione del piano: Equazione del punto proiettato Matrice di proiezione

11 Programmazione Grafica aa2006/200711 Memorizzare ombre pre- computate in texture

12 Programmazione Grafica aa2006/200712 Due algoritmi principali per geometrie qualsiasi Shadow mapping e shadow volumes –Considera un volume buio, è il più diffuso e implementato hardware Lavora in tempo reale… Shadow mapping è usato dal software rendering della Pixar Calcola il rendering a partire dalla sorgente (il bianco indica punti più lontani, il nero più vicini)

13 Programmazione Grafica aa2006/200713 Shadow Map Quando si calcola il rendering, controlla il punto osservato rispetto allo shadow buffer – Se la profondità del punto è maggiore (epsilon) del valore di shadow buffer l’oggetto è in ombra. shadow depth map Per ogni pixel compara distanza da luce di con Profondità di memorizzata In shadow map

14 Programmazione Grafica aa2006/200714 Risultato

15 Programmazione Grafica aa2006/200715 Shadow volumes Crea porzioni di volume in ombra da ciasun poligono illuminato (triangolo) Ciascun traingolo crea 3 quadrilateri semi- infiniti proiettati Quelli rivolti verso l’ossrvatore sono frontfacing, gli altri backfacing

16 Programmazione Grafica aa2006/200716 Come funziona Per testare un punto incrementa un contatore ogni volta che attraversi un lato frontafcing della piramide ombra e decrementa quando atraversi un backfacing Se il contatore è maggiore di zero allora il pixel è in ombra frontfacing backfacing

17 Programmazione Grafica aa2006/200717 Shadow volume usa stencil buffer È un altro buffer di OGL in genere 8 bit per pixel Quando si calcola rendering con stencil buffer si possono eseguire somme, sottrazioni etc. L’immagine ottenuta si può usare come maschera per le fasi successive di rendering Stencil Buffer Mask result Rendered image

18 Programmazione Grafica aa2006/200718 Come si implementa shadow volumes con stencil buffer 4 passi [Heidmann91]: – 1st Passo: rendi la scena con solo la luce ambiente – Inibisci l’aggiornamento dello Z-buffer e la scrittura nel color buffer (disegna solo nello stencil). – 2nd pass: rendi nello stencil buffer i poligoni frontfacing rispetto allo shadow volume, incrementa il contatore. – 3rd pass: rendi nello stencil buffer i poligoni backfacing rispetto allo shadow volume, decrementa il contatore. – 4th pass: rendi le luci diffusive e speculari con lo stencil buffer a 0.

19 Programmazione Grafica aa2006/200719 Esempio Image courtesy of NVIDIA Inc.

20 Programmazione Grafica aa2006/200720 Unire più volumi ombra Uno spigolo condiviso da due poligoni che ostacolano la luce crea quadrilateri che sono simultaneamente front e backfacing Questo spigolo interno genera 2 quadrilateri che si annullano

21 Programmazione Grafica aa2006/200721 Cercare gli spigoli di bordo (silhouette) Dalla sorgente le ombre proiettate da spigoli interni non contribuiscono allo shadow volume. Trovare gli spigoli della silhouette elimina molti quadrilateri di shadow volume inutili.

22 Programmazione Grafica aa2006/200722 Riflessioni piane Le riflessioni si possono simulare con environment mapping Non è adatto per superfici piane Anche la riflessione piana (specchio piano) aiuta a capire la scena e le forme, accresce il realismo Basato sulla legge della riflessione speculare: –L’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione

23 Programmazione Grafica aa2006/200723 Riflessioni piane Poniamo il piano in z=0 Applichiamo la trasformazione glScalef(1,1,-1); Il risultato: z

24 Programmazione Grafica aa2006/200724 Riflessioni piane Nel calcolo delle ombre il backfacing diventa frontfacing! Anche le luci devoono venire riflesse È necessario applicare il clipping (si usa lo stencil buffer) Esempio di clipping:

25 Programmazione Grafica aa2006/200725 Planar reflections Come funziona il rendering? 1) metti nello stencil buffer i poligoni del piano di base 2) calcola il modello scalato con (1,1,-1), ma mascheralo con lo stencil buffer 3) rendi il piano di base (semi-trasparente) 4) rendi il modello non trasformato con la scala

26 Programmazione Grafica aa2006/200726 Esempio Invece del trucco della trasformazione di scala si puà riflettere la posizione di camera e la direzione del piano Quindi rendere l’immagine riflessa da quella camera