Osvjetljavanja i sjenčanje u računalnoj grafici

master's thesis

• Author: Vesna Bonin
• Mentor: Tina Bosner (mentor)
• Committee member: Tina Bosner (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Saša Singer (član povjerenstva)
• Committee member: Goranka Nogo (član povjerenstva)
• Committee member: Ivica Nakić (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Science; (Department of Mathematics); Zagreb
• Defense date and country: 2015-04-23, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: NATURAL SCIENCES; Mathematics

Abstract

U ovom radu napravljen je pregled tradicionalnih modela osvjetljavanja i sjenčanja. Rad je podijeljen u četiri poglavlja, u svakom su modeli grupirani prema stupnju složenosti. U prvom poglavlju opisani su jednostavni modeli bazirani na iskustvu. Phongov model osvjetljavanja opisuje refleksiju svjetlosti od plohe kao kombinaciju ambijentalne, difuzne i zrcalne komponente. Blinn-Phongov model pojednostavljuje izračunavanje zrcalne komponente uvođenjem srednjeg vektora. Konstantno sjenčanje je najjednostavniji model sjenčanja i daje dobre rezultate za sjenčanje mreže poligona zakrivljenih ploha uz uvjet da se promatrač i izvor svjetlosti nalaze u beskonačnosti. Bolji rezultati postižu se upotrebom Gouraudovog sjenčanja. Gouraudovo sjenčanje aproksimira refleksije svjetlosti od zakrivljenih ploha izračunavanjem vrijednosti intenziteta u vrhovima poligona i zatim interpoliranjem vrijednosti preko plohe poligona. Još precizniji rezultati postižu se upotrebom Phongovog sjenčanja koje prvo interpolira prosječne normale vrhova poligona, a zatim se dobivene vrijednosti koriste za izračun intenziteta. U drugom poglavlju opisuju se prijelazni modeli koji primjenom znanja iz fizike i optike unaprjeđuju iskustvene modele. Praćenjem zraka ispravno se određuju sjene, zrcalne refleksije i propusnost svjetlosnih zraka. Algoritam praćenja zraka se poboljšava slanjem više zraka kroz piksel. U distribuiranom algoritmu praćenja zraka kroz piksel se šalje više zraka tako da se površina piksela uniformno podijeli i zraka se izbacuje kroz slučajno odabranu točku svakog podijeljenog područja. Takav pristup je dobar i za modeliranje zamućenosti zbog kretanja, mekih sjena, dubine polja, mutnih zrcalnih refleksija i mutne prozirnosti. U trećem poglavlju opisuju se analitički modeli. Prvo se opisuje Torrance-Sparrowljev fizikalni model i dvije implementacije tog modela. Slijedi opis algoritma isijavanja koji točno modelira difuznu refleksiju izračunavajući prijenos izračene energije između različitih krpica na plohi unutar scene. Na kraju se opisuje metoda progresivnog utočnjavanja koja ubrzava izračune algoritma isijavanja. U posljednjem poglavlju opisuje se Wallaceov hibridni model. Model je podijeljen u dva koraka. U prvom se određuje difuzna komponenta pomoću algoritma isijavanja, a u drugom zrcalna komponenta pomoću algoritma praćenja zraka. Primjenom hibridnog modela dobivaju se vrlo realistični prikazi.

Abstract (english)

In this thesis we describe traditional illumination and shading models. The thesis is composed of four chapters, each of them dealing with different types of models. In Chapter 1, we describe simple models based on experience. Phong illumination model describes the way a surface reflects light as a combination of the ambient, diffuse and specular component. Blinn-Phong model simplifies calculation of the specular component using the halfway vector. Constant shading is the simplest shading model and it provides good results for curved-surface polygon meshes when the light source and the observer are distant. Gouraud shading provides better results. Gouraud shading approximates light reflections from curved surfaces by calculating intensity for each vertex and then interpolates the computed intensities across the polygons. Even more accurate surface-rendering procedure is Phong shading, which interpolates the average normal vectors for polygon vertices and then computes intensities based on the interpolated normals. In Chapter 2 we describe transitional models which use prior work in physics and optics to improve the empirical models. Ray tracing provides an accurate method for obtaining shadows, specular reflection and transmission effects. Ray tracing algorithm is improved by generating multiple rays per pixel. Distributed ray tracing is usually done by dividing the pixel area into equal subareas and then randomly generating one ray through each subarea. This technique can be exploited to sample motion blur, soft shadows, depth of field, blurry specular reflections and blurred transparency. In Chapter 3 we describe analytical models. First, we describe Torrance-Sparrow physically based model of a reflecting surface. Then, we describe radiosity algorithm which provides accurate modeling of diffuse-reflection effects by calculating radiant energy transfer between the various surface patches in a scene. Lastly, we describe progressive refinement which is used to speed up the radiosity calculations by considering energy transfer from one surface patch at a time. Finally, in Chapter 4, we describe hybrid model which integrates radiosity and ray tracing to handle diffuse and specular effects respectively. Highly photorealistic scenes are generated using a combination of radiosity and ray tracing.

• Keywords: osvjetljavanje; sjenčanje; računalna grafika; Phongov model; Blinn-Phongov model; Gouraudovo sjenčanje; Torrance-Sparrowljev fizikalni model; Wallaceov hibridni model
• Keywords (english): illumination; shading; computer graphics; Phong illumination model; Blinn-Phong model; Gouraud shading; Torrance-Sparrow physically based model; Wallace hybrid model
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:345260
• Study programme: Title: Computer Science and Mathematics; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra računarstva i matematike (magistar/magistra računarstva i matematike)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Access restricted to students and staff of home institution
• Created on: 2017-06-07 10:28:37