Modelos de Iluminação e
Tonalização
Na síntese de imagens por computador, os modelos de iluminação e
tonalização são responsáveis pela definição da cor
de cada ponto dos objetos
visíveis de uma determinada imagem gerada. Os modelos de iluminação,
expressos geralmente por uma equação, determinam a cor de um ponto levando em
conta as propriedades ópticas da superfície do objeto, as características
da luz incidente e a posição do observador ou câmera virtual. Já os
modelos de tonalização determinam onde e como estes modelos de iluminação
devem ser aplicados.
Considerando-se objetos representados por polígonos,
destacam-se duas grandes
soluções para os modelos de tonalização conhecidos pelos nomes de
seus criadores:
Gouraud e Phong. No modelo Gouraud, o modelo de iluminação é
aplicado
nos vértices do polígono e as cores destes vértices são
interpoladas sobre a superfície do polígono. No modelo Phong, o modelo de
iluminação é aplicado em cada ponto do polígono.
Em geral, a formulação dos modelos de iluminação baseiam-se
na orientação da superfície, dada através do vetor normal
a esta, para calcular a componente de luz refletida na direção do observador.
Para objetos aproximados por polígonos, a definição do vetor normal à
superfície admite duas soluções distintas: facetada ou com
suavização geométrica. Na solução facetada, o mesmo vetor
normal, em geral a normal do polígono, é associada a cada vértice do
polígono (um polígono é definido pela enumeração de seus
vértices). Já na solução com suavização geométrica,
vetores normais diferentes, em geral o vetor normal da superfície aproximada pelo
polígono em cada vértice, são associados aos vários vértices.
A combinação dos modelos de tonalização com estas
variações na forma de se definir a normal, leva a quatro formas diferentes
de se atribuir cores aos objetos de uma cena:
Gouraud facetado
Gouraud com suavização geométrica
Phong facetado
Phong com suavização geométrica
Nas imagens ilustrativas dessas soluções foram utilizadas duas fontes de luz.
Uma fonte de luz ambiente,
na qual a luz é distribuída uniformemente em todas as superfícies e em todas
as direções, independente das orientações e
posições destas superfícies. A intensidade da luz depende das
propriedades do material iluminado. Aqui, esta fonte de luz será utilizada para
previnir que alguma superfície fique completamente escura.
A outra fonte de luz utilizada será uma fonte de luz distante, na qual a luz flui
uniformente no espaço em apenas uma direção, como que os raios
emanados por esta fonte fossem paralelos entre si. Deste modo, as superfícies de
mesma orientação são iluminadas da mesma forma e as de
orientação diferente, são iluminadas de forma diferente.
A superfície utilizada será plástica, ou seja, para a qual ocorre
reflexão especular. Para este tipo de superfície, a equação
que determina a intensidade de cada ponto da superfície é:
I(l)= Ka(l)Ia(l)+Kd(l)Il(l)(N.L)+Ks(l)Il(l)
(N.H)ns
onde, l é o comprimento de onda da luz; ka,Kd e Ks são os coeficientes de
reflexão ambiente, difusa e especular, respectivamente (variando de 0 até 1);
Ia e Il são respectivamente as intensidades das fontes de luz
ambiente e distante;N e L são vetores unitários
representando a normal da superfície e a direção da fonte de luz em
relação
à superfície, respectivamente; H é a razão entre a soma de
N e L sobre o módulo da soma de L e V(V é o
vetor unitário apontando para o
observador); ns é um parâmetro da reflexão especular que depende do tipo de
superfície em questão.
Este tipo de reflexão é caracterizada pelo aparecimento de um
"highlight" no ponto em que a luz incide normalmente à
superfície. Nos demais pontos ocorre reflexão difusa, na qual a luz é
refletida com a mesma intensidade em todas as direções.
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