Aplicação da Técnica de Rastreamento Bidirecional à Síntese de Objetos Transparentes

Abstract

Este trabalho apresenta uma proposta de aplicação da técnica de ray-tracing bidirecional em ambientes esféricos, contendo fontes luminosas puntiformes. Trata-se de um trabalho que discorre no contexto da área de Síntese de Imagens Realísticas dentro da Computação Gráfica. O trabalho tem como principal contribuição a definição e o desenvolvimento de uma técnica para simular o fenômeno físico de refração da luz proveniente das fontes luminosas puntiformes da cena. A Síntese de Imagens Realísticas é uma das principais áreas de aplicação e pesquisa da Computação Gráfica. Uma imagem realística é uma imagem que incorpora os efeitos da luz que interage com objetos fisicamente reais. A dificuldade fundamental para a síntese de imagens realísticas se encontra na complexidade do mundo real, que apresenta uma infinidade de graduações de cores, texturas, reflexões, sombras, etc. Para a criação destas imagens realísticas, percorre-se um grande número de estágios, englobando métodos de modelagem, definição da posição de visualização, remoção de elementos ocultos, efeitos de reflexão e refração, e assim por diante. O trabalho está organizado da seguinte forma. Inicialmente, faz-se um estudo aprofundado da Óptica, área da Física que estuda o comportamento da luz no mundo real. A seguir, são apresentados algoritmos que simulam este comportamento da luz, enfatizando-se o algoritmo de rastreamento de raios (ray-tracing). Discute-se a seguir os principais problemas relacionados a simulação de objetos transparentes na Computação Gráfica. Então, uma proposta para a simulação em ambientes esféricos da refração da luz que provem diretamente das fontes luminosas puntiformes da cena a apresentada. Esta proposta baseia-se na utilização do algoritmo de rastreamento bidirecional de raios. O algoritmo apresentado é composto de duas fases. Na primeira etapa, são geradas as fontes secundarias de luz. Na segunda etapa, utiliza-se a informação obtida na primeira etapa para simular a refração da luz que provem diretamente das fontes luminosas da cena. As fontes secundarias de luz tem sua origem na utilização dos objetos esféricos transparentes como lentes esféricas convergentes. A fonte luminosa secundaria localiza-se no ponto imagem da lente, considerando-se como ponto objeto a fonte luminosa puntiforme original. A localização da fonte luminosa secundaria é obtida através da equação dos pontos conjugados. Também armazena-se uma informação relacionada com a área de atuação da fonte luminosa secundaria (angulo de espalhamento). 0 angulo de espalhamento é essencial para que, na segunda fase do algoritmo, seja possível identificar se o ponto atual é iluminado ou não pela fonte secundaria em questão. Finalizando, são geradas imagens tanto no protótipo implementado quanto em um algoritmo de ray-tracing convencional. Os resultados obtidos são comparados em nível de realismo e tempo de execução.

This work presents a proposal of using the bidirectional ray tracing method in spherical modeling environments containing punctual light sources. This project was developed within the field of Computer Graphics, more precisely in the area of synthesis of realistic images. The main contribution of this work is the definition and the development of a method that simulates the light refraction proceeding from localized light sources in the scene. The synthesis of realistic images is one of the main areas of application and research in Computer Graphics. A realistic image is an image that contains light effects interacting with physically real objects. The major difficulty for rendering realistic images is the complexity of the real world, with several color graduations, textures, reflections, shadows, etc. For this rendering, many steps like modeling methods, definition of visualization position, hidden-surface algorithms, reflection and refraction effects, and so forth, are developed. At first, this work presents a study about Optics, the area of Physics that studies the behaviour of light in the real world. In sequence, algorithms that simulate that behaviour are presented, with special attention to ray tracing method. After that, the principal problems of the simulation of transparency in Computer Graphics are discussed. So, a proposal for simulation of the light refraction proceeding from light source in spherical modeling environment, is presented. This proposal is based on use of the bidirectional ray tracing algorithm. This algorithm is divided in two main stages. In the first stage, the secondary light sources are generated. In the second stage, the information about the secondary light sources is utilized to simulate the light refraction directly proceeding from light sources of the scene. The secondary light sources are originated from transparent spherical objects like convergent spherical lenses. The position of the secondary light source is the image point of the lens, corresponding to punctual light source like object point. The position of the secondary light source is calculated by the equation of the conjugated points. Also the information about the scattering angle of the secondary light source is stored. The scattering angle is essential, in first stage of algorithm, to establish if the current point is illuminated by any secondary light source. Finally, images are generated both in the implemented prototype as in conventional ray tracing. The final results of this work are evaluated based on realism and runtime.