Shading. Ed Angel Professor of Computer Science, Electrical and Computer Engineering, and Media Arts University of New Mexico

Shading

Ed Angel

Professor of Computer Science,

Electrical and Computer Engineering,

and Media Arts

Objectives

•Mempelajari teknik shading pada objek

sehingga images dapat ditampilkan secara

tiga dimensi

•Memperkenalkan tipe-tipe interaksi antara

cahaya dan material

•Model pemantulan sederhana (the Phong

model) yang dapat digunakan pada graphic

hardware real time

Why we need shading

•Seandainya kita telah mengkonstruksi sebuah

model 3d (misalkan sphere) menggunakan

polygons dan memberikan warna

menggunakan

glColor

_{. Maka yang akan kita}

dapatkan

Shading

•Kenapa image dari sebuah sphere secara nyata lebih

mirip seperti ini

•Interaksi di antara cahaya dan material

mengakibatkan setiap titik pada objek memiliki

persepsi warna yang berbeda

•Yang menjadi pertimbangan adalah

- Light sources (sumber cahaya)

- Material properties (properti dari material)

- Location of viewer (lokasi dari titik lihat)

cahaya

Ed Angel

Professor of Computer Science,

Electrical and Computer Engineering,

and Media Arts

Kenapa cahaya penting?

• Apa yang bisa Anda lihat adalah tidak

didasarkan pada obyek yang Anda lihat

tetapi pada sinar melemparkan cahaya dari

sumber cahaya dan tercermin dari objek

Cahaya

•

Cahaya

adalah energi berbentuk gelombang

elektromagnetik yang kasat mata dengan

panjang gelombang sekitar 380–750 nm

• Pada bidang fisika (dualisme cahaya):

- cahaya adalah radiasi elektromagnetik, baik

dengan panjang gelombang kasat mata maupun

tidak.

Gelombang Kasat mata

• Mata manusia hanya dapat melihat cahaya pada

rentang 400-700 nm (spektrum warna)

Mata

rods

cones

light

bipolar

ganglion

horizontal

amacrine

Mata

• Struktur mata

- Dua sel reseptor

•

Rods (sel batang)

•

Cones (sel kerucut)

• Cones



memiliki 3 jenis,

yang merespon panjang

gelombang cahaya yang

berbeda

Scattering (Sebaran)

•Cahaya menumbuk A

- Sebagian disebarkan

- Sebagian diserap

•Sebagian pantulan cahaya

tersebut dapat juga dipantulkan

menuju B untuk kemudian

- Sebagian disebarkan

- Sebagian diserap

•Di sisi lain cahaya yang dipantulkan oleh B

Sebagian akan juga menuju A

Rendering Equation

•Penyebaran dan penyerapan cahaya hingga tahapan

tak hingga dapat digambarkan menggunakan

rendering equation

- Tidak dapat dimodelkan dan disolusikan secara umum

- Ray tracing contoh pemodelan bagi perfectly reflecting

surfaces

•Rendering equation bersifat global dan meliputi

- Pembentukan bayangan (Shadows)

Global Effects

translucent surface

shadow

Local vs Global Rendering

•shading yang sesungguhnya membutuhkan

perhitungan global yang melibatkan seluruh

objek dan sumber cahaya

- Tidak kompatibel dengan model pipeline yang

melakukan teknik shading bagi setiap polygon

secara independen (local rendering)

•Meskipun demikian, pada computer graphics,

khususnya untuk

real time graphics

, yang

perlu kita kejar adalah menjadikan objek

“look right”

Light-Material Interaction

•Cahaya yang menumbuk objek sebagian akan diserap

dan sebagian lagi akan disebarkan (dipantulkan)

•Ukuran intensitas cahaya yang dipantulkan ditentukan

dari kecerahan warna objek

- Sebuah permukaan tampak merah ketika diberikan cahaya putih

karena komponen cahaya merahlah yang dipantulkan dan sisanya

diserap

•Sebaran cahaya yang dipantulkan akan memiliki pola

pantulan sesuai dengan halus kasarnya permukaan

bidang pantul (surface orientation)

Light Sources

Sumber cahaya secara umum cukup sulit untuk

dimodelkan secara bersamaan karena

merupakan integrasi dari seluruh cahaya yang

datang dari setiap titik dari sumber

Simple Light Sources

•Point source

- Dimodelkan hanya dengan titik posisi dan warna

•Distant Light

- Jarak sumber = jarak yang sangat jauh (parallel)

- Hanya dimodelkan dengan arah sumber

•Ambient

- Memiliki intensitas cahaya yang sama pda seluruh bagian

scene (sehingga arah sumber tidak teridentifikasi)

- Dapat memodelkan kontribusi dari banyak sumber dan

permukaan pantul

•Spotlight

- Suatu sebaran berhingga dari sumber cahaya titik

(menyerupai sorotan kerucut dari Ambient light)

Point Source

• Dimodelkan dengan sebuah

posisi (titik) dan jenis

(warna)

• Cahaya diemisikan dari titik

tersebut ke segala arah

dengan intensitas yang sama

• Intensitas akan mengalami

penurunan sebanding

dengan kuadrat jarak

terhadap sumber

Point Source (lanj.)

•Kekurangan dari

pemodelan sumber

cahaya menggunakan

point adalah kurang

akuratnya pembentukan

shading dan bayangan

•Contoh pada penumbra

Distant Light

•Cahaya dimodelkan

sebagai vector (arahnya

jelas)

•Intensitas cahaya tidak

dipengaruhi jarak

sumber (seragam

meliputi seluruh jarak,

kenapa karena berasal

dari lokasi sumber yang

dianggap sangat jauh)

Spot light Source

•Merupakan model

sumber yang lebih

kompleks dibanding

yang lainnya

•Dimodelkan sebagai

sebuah sumber cahaya

titik yang arah

penyinarannya

berhingga sehingga

membentuk area sorot

menyerupai kerucut

Spot light source lanjutan

•Dimodelkan dengan formula

•Is adalah intensitas sumber

•Vector v menggambarkan vektor proyeksi dari

cahaya sumber ke bidang proyeksi

•Intensity ditentukan arah sudut penyinaran psi nilai

ini berkorespondensi dengan hasil projeksi Is

Spot light source lanjutan iii

•e menyatakan ukuran eksponen intensitas cahaya

(gambar kiri e=1, gambar kanan e>1)

Surface Types

•Semakin halus permukaan, semakin terkonsentrasi

pantulan cahaya pada suatu arah tertentu (misalkan

pada cermin)

•Semakin kasar permukaan maka cahayapun akan

disebarkan kebanyak arah

Phong Model

•A simple model that can be computed rapidly

•Has three components

- Diffuse

- Specular

- Ambient

•Uses four vectors

- To source

- To viewer

- Normal

Ideal Reflector

•Normal is determined by local orientation

•Angle of incidence = angle of relection

Ambient Reflector

•Intensity of ambient light uniform at every

point

• Ambient reflection coefficient ka, 0 w ka w 1

• May be different for every surface and r,g,b

• Determines reflected fraction of ambient

light

• La = ambient component of light source

• Ambient intensity Ia = ka La

Diffuse Reflection

• Diffuse reflector

scatters light

• Assume equally all

direction

• Called Lambertian

surface

• Diffuse reflection

coefficient kd, 0 < kd < 1

• Angle of incoming light

Lambertian Surface

•Perfectly diffuse reflector

•Light scattered equally in all directions

•Amount of light reflected is proportional to

the vertical component of incoming light

- reflected light ~cos

q

_i

- cos

q

_i

=

l

·

n

if vectors normalized

- There are also three coefficients, k

_r

, k

_b

, k

_g

that show

how much of each color component is reflected

Specular Surfaces

•Kebanyakan permukaan tidak ideal dan juga tidak

specular sempurna (ideal reflectors)

•Permukaan yang halus akan menghasilkan specular

highlights disebabkan cahays datang direfleksikan

pada arah yang terkonsentrasi dekat dengan arah

perfect reflection

specular

highlight

Modeling Specular Reflections

•Phong mengusulkan konsep yang diturunkan

sebagai peningkatan nilai cos sudut antara

viewer terhadap arah refleksi ideal

f

I

_r

~ k

_s

I

cos

a

f

shininess coef

absorption coef

incoming intensity

reflected

intensity

The Shininess Coefficient

•Values of

a

between 100 and 200 correspond to

metals

•Values between 5 and 10 give surface that look like

plastic

cos

a

f

Terima kasih

Ed Angel

Professor of Computer Science,

Electrical and Computer Engineering,

and Media Arts