Aspeto 3D

Efeito da iluminação na perceção de um objeto

A luz é refletida segundo um certo ângulo tangente à superfície do objeto no ponto onde incide:

• O ângulo é determinado pelas normais (que dependem da geometria do objeto).
• As cores somam a cor própria do objeto à cor da luz incidente.
• Os reflexos definem quanta luz incidente é refletida pelo objeto.

O aspeto percecionado de um objeto depende:

• Da iluminação da cena.
• Da textura desse objeto.

Parâmetros das texturas

As texturas (ou materiais) são propriedades do objeto que contribuem para a sua perceção e definem como o objeto é «pintado» e como transforma a luz.

• Cores (difusão: diffuse)
  • São as cores próprias do objeto: luz refletida = cor do objeto + luz incidente.
  • Por exemplo, um cubo laranja difunde a cor laranja e um cubo verde difunde verde.
• Reflexos (specular)
  • Determinam a quantidade de luz refletida: luz refletida = reflexo _ luz incidente.
  • Por exemplo, um cubo brilhante reflete quase toda a luz que recebe, enquanto que um cubo baço quase não reflete a luz que recebe.
• Normais (normals)
  • Dependem da geometria do objeto e determinam a direção da luz refletida: ângulo da luz refletida = normal + ângulo da luz incidente.
  • Por exemplo, num cubo liso as normais são perpendiculares às faces mas num cubo rugoso as normais têm desvios da perpendicular.

Tipos de iluminação

A iluminação resulta de um conjunto de propriedades do modelo (da cena) que contribuem para a perceção dos vários objetos nesse modelo.

As fontes de Luz definem propriedades como «cor emitida», «atenuação», etc e, em geral, incluem os seguintes tipos:

• Luz Ambiente
  • Incide igualmente em todos os objetos gráficos, independentemente da posição ou pose.
• Ponto de Luz
  • Emite luz em todas as direções, a partir de uma certa posição.
  • Por exemplo, uma lâmpada numa sala.
• Foco
  • Emite um cone de luz (com uma certa orientação) a partir de uma certa posição.
  • Por exemplo, um projetor numa secretária.
• Direcional
  • Emite luz em «raios paralelos» a uma certa orientação.
  • Por exemplo, o sol a iluminar uma cena na superfície da terra.

Mapas de texturas

Não é viável definir-se ponto-a-ponto os parâmetros de textura numa geometria. Em vez disso, usam-se imagens especiais, os mapas de textura, para aplicar cores, reflexos e normais a uma geometria.

Vejamos o efeito que cada caraterística das texturas tem na perceção (e realismo) do objeto seguindo um exemplo: o planeta terra.

Modelo da terra: geometria

A geometria da terra é (aproximadamente) uma esfera, e vamos supor que na cena há um ponto de luz razoavelmente afastado, de forma a simular o sol.

Modelo da terra: difusão

A difusão define as cores «próprias» do objeto: luz refletida = cor do objeto + luz incidente.

Difusão da terra
Uma imagem com as cores da superfície da terra

Para pintar «num passo» todas as cores da superfície da esfera usa-se uma textura para a difusão das cores.

Modelo da terra: reflexos

Os reflexos determinam a quantidade de luz refletida: luz refletida = reflexo * luz incidente.

Reflexos da terra
Uma imagem com os reflexos da superfície da terra

Para pintar «num passo» todos os reflexos na superfície da esfera usa-se uma textura para a reflexão das cores.

Nestas texturas branco significa «reflete 100%», preto significa «reflete 0%» e tons intermédios refletem percentagens intermédias.

A principal diferença em relação aos mapas de difusão «simples» está nas zonas que devem brilhar. Por exemplo, nas zonas com água (rios, lagos, mares, oceanos) pode ver-se o reflexo do «sol» enquanto que nas zonas «de terra» não há grandes diferenças.

Modelo da terra: normais

As normais determinam a direção da luz refletida: ângulo da luz refletida = normal + ângulo da luz incidente.

Normais da terra
Uma imagem com as normais da superfície da terra

Para pintar «num passo» as normais à superfície da esfera usa-se uma textura para as normais.

Representação das normais por uma imagem

Uma normal é um vetor no espaço 3D e, como tal, tem três componentes, xyz.

Uma cor também tem três componentes, RGB, e nestes mapas uma cor RGB representa um vetor xyz associando: R → x, G → y, B → z.

Mapas UV

A aplicação de uma textura à geometria tem de ser controlada, de forma a aplicar as partes corretas da textura às faces da geometria. Esse controlo é definido por um mapa UV.

Aplicação das texturas por faces

Uma textura para um dado

As texturas definidas por imagens são uma forma conveniente de refinar o aspeto de um objeto gráfico.

Para funcionar corretamente, é preciso controlar como cada setor da textura é associado a cada face da geometria do objeto.

As coordenadas uv são usadas para posicionar os pontos da textura:

• Usa-se «uv» em vez de «xy» para evitar confusões com as coordenadas xyz da geometria.
• O referencial uv é adaptado de forma a que toda a imagem da textura fique no quadrado $(0,0)-(1,1)$.

Pontos e setores de uma textura
Cada setor (amarelo) é definido por pontos uv (vermelhos)
O setor 4 é definido pelos pontos uv 4, 5, 10, e 9
O ponto 0 tem coordenadas uv $(0,0)$; O ponto 9 tem coordenadas uv $(0.5,0.66)$

Especificamente:

• Os vértices estão na geometria 3D
  • Têm coordenadas xyz.
• As faces estão na geometria 3D
  • Definem-se com listas de índices de vértices.
• Os pontos estão na textura 2D
  • Têm coordenadas uv.
• Os setores são «pedaços» da textura 2D
  • Definem-se com listas de índices dos pontos.

A aplicação de mapas UV é adequado a geometrias definidas por conjunto de faces onde os vértices e as faces estão explicitamente indicados.

Processo para definir um mapa UV

O processo para ilustrar a aplicação dos mapas UV é o seguinte:

1. Definir os vértices e a lista de faces da geometria 3D.
2. Definir os pontos e a lista de setores da textura 2D.
3. O primeiro setor é aplicado à primeira face, etc.

Regra da mão direita. Na definição dos setores, 7 8 3 2 não é o mesmo que 7 8 2 3.

Tem de usar a regra da mão direita para se determinar o lado da face como uma página numa folha de papel.