Di Blasi Gianpiero - D.M.I. - Università di Catania. Lezione 6. Luci

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1 Di Blasi Gianpiero - D.M.I. - Università di Catania Java3D Lezione 6 Luci

2 Cosa impareremo oggi? Il modello di illuminazione di Java3D Come creare luci Come fare interagire gli oggetti visuali con le luci Come specificare l'influenza di una luce in diversi modi

3 Le luci in Java3D (1) Molti degli esempi finora proposti davano la sensazione di finto Tale sensazione è principalmente data dall'assenza di luci è arrivato il momento di illuminare il nostro mondo Java3D illumina gli oggetti in base ad una combinazione delle proprietà degli oggetti Material e delle luci nell'universo virtuale

4 Le luci in Java3D (2) L'illuminazione di un oggetto dipende da molti fattori: il modello di illuminazione (Lighting Model) il modello di colore (Color Model) il modello di ombreggiatura (Shading Model) Prima di passare a come Java3D illumina gli oggetti bisogna conoscere questi tre modelli

5 Il modello di illuminazione (1) Nel mondo reale i colori che noi percepiamo sono la combinazione di: proprietà fisiche dell'oggetto caratteristiche della sorgente di luce posizione relativa tra oggetto e sorgente di luce angolo dal quale l'oggetto è visto Java3D usa un modello di illuminazione che approssima il modello fisico reale

6 Il modello di illuminazione (2) L'equazione del modello di illuminazione dipende da tre vettori: la normale alla superficie (N) la direzione della luce (L) la direzione dell'osservatore (E) Ovviamente nell'equazione entrano in gioco anche le proprietà dell'oggetto e della luce

7 Il modello di illuminazione (3)

8 Il modello di illuminazione (4) Il modello di illuminazione gestisce tre tipi di riflessione alla luce: ambientale, diffusa e speculare La riflessione ambientale è dovuta alla luce ambientale (una luce costante e molto leggera) La riflessione diffusa è la tipica riflessione di una luce su un oggetto (il colore di un oggetto) Le riflessioni speculari sono i tipici riflessi (solitamente bianchi) di una luce su un oggetto

9 Il modello di illuminazione (5)

10 L'interazione tra gli oggetti (1) Anche se il modello di illuminazione è basato su un modello fisico, alcuni fenomeni fisici non vengono modellati Ad esempio nell'immagine precedente la sfera non produce ombra sul pavimento Inoltre non sono nemmeno presenti i riflessi di luce della sfera sul pavimento e viceversa (riflessi di luce del piano sulla sfera)

11 L'interazione tra gli oggetti (2) Spesso è difficile comprendere la complessità di calcolare l'azione della luce Consideriamo la difficoltà di calcolare come ogni goccia d'acqua si comporta durante un temporale Quando una goccia incontra un oggetto, la collisione produce molte gocce più piccole, ed ognuna prende una direzione diversa La complessità dell'interazione della luce con gli oggetti è dello stesso livello

12 L'interazione tra gli oggetti (3) Per ridurre tale complessità, il modello di illuminazione considera un solo oggetto alla volta come risultato, ombre ed inter-riflessioni tra oggetti non possono essere considerate Entrambi questi effetti richiedono di considerare contemporaneamente tutti gli oggetti e le loro posizioni relative Java3D ignora tali effetti (anche tutti gli altri sistemi grafici real-time li ignorano) sta al programmatore aggiungerli se necessari

13 Il modello di colore Il modello di colore non è basato su modelli fisici Java3D modella il colore di luce e materiali come combinazione di rosso, verde e blu Ogni luce produce una singola luce colorata secondo quanto specificato dalla terna RGB Il modello di illuminazione è applicato per ognuna delle tre componenti per esempio una palla rossa in presenza di una luce blu non sarà visibile poiché la luce blu non sarà riflessa da un oggetto rosso

14 Il modello di ombreggiatura (1) Il modello di illuminazione ombreggia ogni vertice di un oggetto l'ombreggiatura di un vertice è la somma delle ombreggiature fornite da ogni sorgente di luce Il resto di un oggetto è ombreggiato in base alle ombreggiature dei vertici ed al modello di ombreggiatura Il ColoringAttributes determina tale modello tramite le costanti SHADE_GOURAUD, SHADE_FLAT, FASTEST, NICEST

15 Il modello di ombreggiatura (2) Nel Gouraud shading ogni pixel è ombreggiato con un valore derivato da un'interpolazione trilineare delle ombreggiature dei vertici del poligono che lo contiene Nel flat shading tutti i pixel di un poligono assumono l'ombreggiatura di un vertice del poligono Ovviamente il vantaggio del flat shading è la velocità (non sempre) mentre il Gouraud shading ha dei migliori risultati visivi

16 Il modello di ombreggiatura (3)

17 Un'osservazione importante Prima di andare avanti bisogna fare una osservazione molto importante e che spesso è sottovalutata Le sorgenti di luce (oggetti Light in Java3D) non sono oggetti visuali Anche se viene aggiunta una luce nello scene graph questa non viene renderizzata (ma i suoi effetti sono visibili)

18 Come illuminare gli oggetti (1) Per illuminare gli oggetti in un universo virtuale bisogna seguire una sequenza di passi: creare e personalizzare gli oggetti Light aggiungere tali oggetti nello scene graph impostare normali alle superfici e Material di ogni oggetto che deve risentire dell'effetto delle luci Dimenticare uno solo di questi passi non permetterà all'illuminazione di funzionare correttamente

19 Come illuminare gli oggetti (2) Esempi SimpleLightApp_a1 SimpleLightApp_a2

20 Dove posizionare le luci L'influenza di una luce non dipende da dove la luce stessa è posizionata nello scene graph, ma i suoi Bound si

21 Le classi Light L'API Java3D fornisce quattro classi per le luci, ogni classe deriva dalla classe astratta Light La classe Light fornisce i metodi e le capability per manipolare lo stato, il colore ed i Bound di una luce Lo stato di una luce è un booleano che accende e spegne la luce stessa

22 La classe AmbientLight (1) Una AmbientLight fornisce una luce della stessa intensità in tutte le posizioni ed in tutte le direzioni (limitatamente al suo Bound) Una AmbientLight modella la luce riflessa dagli altri oggetti se guardiamo sotto un tavolo vedremo la sua superficie inferiore anche se nessuna luce la illumina direttamente (a meno di avere una lampada sotto il tavolo) Una AmbientLight interagisce con il colore ambientale di un oggetto

23 La classe AmbientLight (2) Anche se potrebbe sembrare naturale pensare di applicare una AmbientLight globalmente questo non è ne possibile, ne necessariamente vero L'influenza di una AmbientLight è controllata dal suo Bound Inoltre è possibile usare più AmbientLight in una stessa scena (anche se solitamente ne basta una)

24 La classe DirectionalLight (1) Una DirectionalLight approssima sorgenti di luce molto distanti (ad esempio il sole) diversamente dalla AmbientLight, una DirectionalLight illumina solo in una direzione Poiché tutti i vettori di luce di una DirectionalLight sono paralleli, la luce non si attenua mai (la luce solare non si attenua) In altre parole, l'intensità di una DirectionalLight non varia al variare della distanza tra oggetto e DirectionalLight

25 La classe DirectionalLight (2) Una DirectionalLight interagisce con i colori diffuso e speculare di un oggetto Per le riflessioni diffusa e speculare la geometria è un fattore molto importante (diversamente dalla riflessione ambientale) Variando la direzione della sorgente di luce si cambierà l'illuminazione dell'oggetto

26 La classe PointLight (1) La PointLight è l'opposto della DirectionalLight Essa è una sorgente di luce puntuale che si diffonde in tutte le direzioni e la cui intensità diminuisce con la distanza (ad esempio una lampada) L'attenuazione di una PointLight è modellata da un'equazione quadratica concettualmente simile a quella della forza di gravità

27 La classe PointLight (2) Come la DirectionalLight anche la PointLight interagisce con i colori diffuso e speculare di un oggetto Ovviamente anche in questo caso la geometria è un fattore molto importante Variando la posizione della sorgente di luce si cambierà l'illuminazione dell'oggetto

28 La classe SpotLight (1) Una SpotLight è una sottoclasse di PointLight aggiunge il concetto di direzione e concentrazione ad una PointLight modella sorgenti di luce fatte dall'uomo come luci flash e riflettori emana una luce lungo una direzione ed all'interno di un angolo di visuale; all'interno di questo angolo l'intensità della luce varia in funzione dell'angolo e dalla distanza dal vertice

29 La classe SpotLight (2) L'attenuazione è un'equazione quadratica; la concentrazione ed un'altra equazione governano la variazione di intensità dentro l'angolo di visuale A causa dell'angolo di visuale una SpotLight può illuminare una parte soltanto di un oggetto questa è l'unica luce capace di illuminare parti di oggetti La SpotLight interagisce con i colori diffuso e speculare con un comportamento simile a DirectionalLight e PointLight

30 La classe SpotLight (3)

31 Suggerimenti sull'uso delle luci (1) Con tanti tipi di sorgenti di luce e tanti modi per usarle è facile confondersi: cerchiamo di capire come usare in maniera corretta questi oggetti In generale conviene usare meno luci possibili, ma il numero esatto dipende dagli effetti di luce che si desidera ottenere Il numero di luci e le impostazioni degli attributi è più un aspetto artistico che scientifico

32 Suggerimenti sull'uso delle luci (2) Da un punto di vista artistico spesso due luci sono più che sufficienti per illuminare una scena Una luce fornisce l'illuminazione principale, l'altra è usata per illuminare le zone più scure degli oggetti La luce principale solitamente si posiziona alla destra dell'osservatore, la seconda luce a sinistra Ove possibile conviene usare le DirectionalLight poiché richiedono meno calcoli delle PointLight e solitamente il risultato finale è simile

33 Suggerimenti sull'uso delle luci (3) Solitamente conviene sempre inserire un'unica AmbientLight con un grande Bound e con il suo colore di default Questa luce illuminerà le zone posteriori degli oggetti La complessità introdotta dall'uso di una AmbientLight è minima rispetto a quella introdotta dagli altri tipi di luce La presenza di una AmbientLight si nota molto in alcune scene ed è totalmente ininfluente in altre

34 Suggerimenti sull'uso delle luci (4) Esempio SimpleLightApp_b1

35 Esercizi su SimpleLightApp_b1 Prova ad aggiungere un colore diffuso al Material, in particolare prova con i colori puri R,G,B Prova ad utilizzare il flat shading Prova a cambiare il numero di poligoni con cui è renderizzata la sfera (in particolare quando si utilizza il flat shading) Prova a cambiare i colori e le direzioni delle luci, e il tipo di oggetto renderizzato

36 Limite sul numero delle luci Java3D non pone limiti sul numero di luci utilizzabili contemporaneamente in una scena, ma la scheda video o la libreria di basso livello su cui si basa potrebbero farlo Ad esempio Le specifiche di OpenGL garantiscono solo otto luci (anche se poi una particolare implementazione di OpenGL potrebbe fornirne di più) Per ovviare a questo problema bisogna fare un uso molto giudizioso delle luci e dei Bound

37 La classe Material (1) Le proprietà materiali di un oggetto possono essere impostate tramite l'attributo Material l'oggetto Material specifica i colori (ambientale, diffuso, speculare ed emissivo) e la lucentezza di un oggetto I primi tre colori sono usati nel modello di illuminazione per calcolare le riflessioni Il colore emissivo permette ad un oggetto di emettere luce propria La lucentezza serve per le riflessioni speculari

38 La classe Material (2) Esempio MaterialApp

39 Impostare i colori di un oggetto (1) Ci sono tre modi per impostare i colori di un oggetto: tramite il metodo setcolor() di Geometry tramite il ColoringAttributes tramite il Material Java3D permette di creare oggetti usando nessuno, alcuni o tutti e tre i modi appena visti

40 Impostare i colori di un oggetto (2) Se viene usato più di uno metodo allora per sapere quale colore sarà usato bisogna seguire due semplici regole: il colore di Material è usato solo in presenza di luce, mentre il colore di ColoringAttributes è usato solo in assenza di luce il colore di Geometry sovrascrive sempre il colori di Material e ColoringAttributes

41 Impostare i colori di un oggetto (3) Le stesse regole possono essere spiegate dividendo il problema in oggetti illuminati e non: l'illuminazione è abilitata per un oggetto se esso stesso referenzia un Material se un oggetto non referenzia alcun Material allora l'illuminazione non è abilitata per quell'oggetto Ovviamente in una scena ci possono essere sia oggetti illuminati sia oggetti non illuminati

42 Impostare i colori di un oggetto (4) Quando l'illuminazione è abilitata un colore tra Material e Geometry viene usato: se presente il colore di Geometry sovrascrive il colori diffuso ed ambientale di Material il colore di ColoringAttributes non è mai usato per oggetti illuminati Quando l'illuminazione è disabilitata un colore tra ColoringAttributes e Geometry viene usato: se presente il colore di Geometry sovrascrive il colore di ColoringAttributes

43 Impostare i colori di un oggetto (5) Illuminazione abilitata Colore di Geometry Colore di ColoringAttributes Risultato presente No presente No Colore di Material Si No Colore di Geometry No Si Colore di Material Si Si Colore di Geometry Illuminazione disabilitata Colore di Geometry Colore di ColoringAttributes Risultato presente No presente No Bianco Si No Colore di Geometry No Si Colore di ColoringAttributes Si Si Colore di Geometry

44 Le normali alle superfici (1) Per illuminare un oggetto è necessario che esso stesso abbia definito le sue normali alle superfici quando si creano oggetti usando le Geometry bisogna usare uno dei metodi setnormal() per specificare le normali alle superfici Utilizzando un oggetto GeometryInfo è possibile utilizzare la classe NormalGenerator per ottenere in automatico le normali le primitive geometriche generano in automatico le normali (se specificato nel costruttore)

45 Le normali alle superfici (2) Ogni vertice di una superficie può specificare una ed una sola normale questo porta ad alcuni interessanti problemi Se entrambe le superfici di un poligono sono visibili, le normali sono definite solo per una di esse l'altra sarà renderizzata utilizzando solo il colore ambientale questo problema è risolto specificando per la seconda superficie i vettori inversi della prima tramite il metodo setbackfacenormalflip() di PolygonAttributes

46 Specificare l'influenza di una luce Fino ad ora per specificare le zone di influenza di una luce sono stati utilizzati gli oggetti Bound Anche se il più semplice spesso questo sistema non è il migliore L'API di Java3D API fornisce un'alternativa a questo metodo, alternativa che può anche essere usata insieme ai Bound stessi

47 La classe BoundingLeaf (1) Un oggetto BoundingLeaf è un'alternativa ai Bound può essere referenziato da altre foglie per definire una zona di influenza I BoundingLeaf sono aggiunti allo scene graph, poiché figli di SceneGraphObject Un BoundingLeaf è soggetto al sistema di coordinate della sua posizione nello scene graph, che potrebbe essere diverso da quello della luce usando un BoundingLeaf è possibile muovere luce e Bound indipendentemente

48 La classe BoundingLeaf (2) Per impostare il BoundingLeaf di una luce si usa il metodo setinfluencingboundingleaf() Un BoundingLeaf può essere condiviso da più luci Sia che si utilizzi un Bound o un BoundingLeaf, un ulteriore elemento può limitare l'influenza di una luce: lo Scope della luce stessa Aggiungendo uno Scope si riduce l'influenza di una luce agli oggetti nello scene graph sotto il gruppo specificato

49 Un esempio di uso dello scope (1) Supponiamo di una scena costituita da una lampada ed alcuni oggetti su un tavolo Alcuni oggetti sono illuminati dalla lampada ed altri no Usando soltanto i Bound è possibile controllare l'influenza della luce, ma risulta molto difficile specialmente se gli oggetti illuminati e non sono vicini tra loro oppure sono in movimento

50 Un esempio di uso dello scope (2) Usando gli Scope questo compito risulta molto più semplice L'unica attenzione da porre è mantenere gli oggetti illuminati e non in due parti separate dello scene graph Una prima idea potrebbe essere di usare due BranchGroup per oggetti illuminati e non, ma questa non è la scelta migliore e nemmeno la più efficiente (dove posiziono il tavolo?)

51 Un esempio di uso dello scope (3)

52 Un esempio di uso dello scope (4) Esempio LightScopeApp

53 Esercizi su LightScopeApp Prova a commentare la parte dove viene impostato lo scope della PointLight Prova a variare i vari parametri delle luci e dei Material e verifica come questi incidono sul risultato finale Prova ad assegnare un colore emissivo al cubo non illuminato

54 Calcolo delle ombre (1) La complessità del calcolo delle ombre è tale che non è parte di nessun sistema grafico real-time la complessità viene dal calcolare se una luce colpisce o no un vertice e per rispondere bisogna per ogni oggetto considerare ogni altro oggetto In realtà tutto ciò è ancora più complesso: le luci non sono mai puramente direzionali o puntuali e quindi le ombre non hanno mai i bordi ben definiti Vediamo comunque come simulare le ombre tralasciando la complessità del mondo reale

55 Calcolo delle ombre (2) Ci sono due passaggi base per simulare le ombre: calcolare dove si trovano creare le geometrie (e/o le texture) per simularle Ci sono diversi modi per calcolare la posizione e le geometrie di un'ombra, ma noi non ci possiamo occupare di tutti i dettagli delle varie tecniche di calcolo delle ombre Qui vedremo soltanto due tra gli approcci più semplici

56 I poligoni ombra (1) Un'ombra può essere ottenuta con un poligono il colore del poligono (specificato con la Geometry o con il ColoringAttributes) deve essere scelto per apparire come l'oggetto in ombra I poligoni ombra spesso non hanno un aspetto molto realistico soprattutto in scene complesse Per renderli più realistici si può fare in modo che essi stessi vengano illuminati dalla luce Ovviamente il calcolo corretto delle proprietà da assegnare a tale poligono è molto complesso

57 I poligoni ombra (2) Una volta creato, il poligono va posizionato giusto sopra l'oggetto che deve essere in ombra aggiungere poligoni ombra di solito non aumenta il numero di poligoni da renderizzare (altri sono occlusi) ma le performance potrebbero degradare Invece di creare poligoni ombra si possono creare le ombre cambiando l'influenza delle luci Lo Scope è molto utile in questo caso, tuttavia la suddivisione degli oggetti parzialmente in ombra potrebbe essere difficile da calcolare

58 Le texture ombra Come appena detto le ombre reali sono complesse Un'ombra naturale raramente ha bordi definiti e colore costante Le Texture posso essere usate per rendere le ombre più realistiche Ci sono due modi per usare le texture per creare ombre: applicare le texture ai poligoni ombra applicare le texture agli oggetti in ombra

59 Si muove l'oggetto, si muove l'ombra (1) Aggiungere le ombre in un'applicazione rende la stessa molto più complessa Quando un cubo con un'ombra ruota, l'ombra deve ruotare con lui e cambiare forma Analogamente se una luce si muove tutte le ombre si devono muove con lei Quindi il movimento aggiunge un ulteriore livello di complessità nel programmare il comportamento delle ombre

60 Si muove l'oggetto, si muove l'ombra (2) Esempi ShadowApp_a1 ShadowApp_a2