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El sombreado se refiere a la representación de la percepción de profundidad en modelos 3D (dentro del campo de los gráficos por computadora 3D ) o ilustraciones (en artes visuales ) mediante la variación del nivel de oscuridad . [ 1 ] El sombreado intenta aproximar el comportamiento local de la luz en la superficie del objeto y no debe confundirse con técnicas de adición de sombras, como el mapeo de sombras o los volúmenes de sombra , que se engloban dentro del comportamiento global de la luz.
Al dibujar
El sombreado se utiliza tradicionalmente en el dibujo para representar diferentes tonalidades, aplicando el medio con mayor densidad o con un tono más oscuro en las zonas oscuras, y con menor densidad o con un tono más claro en las zonas claras. Los patrones de luz, como los objetos con zonas claras y sombreadas, ayudan a crear la ilusión de profundidad en el papel. [ 2 ] [ 3 ]
Existen diversas técnicas de sombreado, como el tramado cruzado , en el que se dibujan líneas perpendiculares de distinta separación formando una cuadrícula para sombrear una zona. Cuanto más juntas estén las líneas, más oscura aparecerá la zona. Del mismo modo, cuanto más separadas estén, más clara aparecerá.
El sombreado con polvo es una técnica de sombreado para bocetos . En este estilo, se utilizan polvos para difuminar y difuminadores de papel para crear la imagen. (También se puede realizar en color). Los polvos para difuminar son suaves y no tienen partículas brillantes. El papel que se utilice debe tener una textura de grano fino para que el polvo se adhiera bien.
En gráficos por computadora
En gráficos por computadora , el sombreado se refiere al proceso de alterar el color de un objeto/superficie/polígono en la escena 3D, basándose en factores como (pero no limitándose a) el ángulo de la superficie con respecto a las luces, su distancia a las luces, su ángulo con respecto a la cámara y las propiedades del material (por ejemplo, la función de distribución de reflectancia bidireccional ) para crear un efecto fotorrealista .
El sombreado se realiza durante el proceso de renderizado mediante un programa llamado sombreador .
Ángulo de la superficie con respecto a una fuente de luz
El sombreado altera los colores de las caras en un modelo 3D en función del ángulo de la superficie con respecto a una o varias fuentes de luz.
La primera imagen que aparece a continuación muestra las caras de la caja renderizadas, todas del mismo color. También se han renderizado los bordes, lo que facilita la visualización de la imagen.
La segunda imagen muestra el mismo modelo renderizado sin líneas de borde. Es difícil distinguir dónde termina una cara de la caja y comienza la siguiente.
La tercera imagen tiene sombreado activado, lo que hace que la imagen sea más realista y facilita distinguir qué rostro es cuál.
Tipos de iluminación
Cuando un sombreador calcula el color resultante, utiliza un modelo de iluminación para determinar la cantidad de luz reflejada en puntos específicos de la superficie. Se pueden combinar diferentes modelos de iluminación con distintas técnicas de sombreado: mientras que la iluminación indica cuánta luz se refleja, el sombreado determina cómo se utiliza esta información para calcular el resultado final. Por ejemplo, puede calcular la iluminación solo en puntos específicos y usar la interpolación para completar el resto. El sombreador también puede decidir cuántas fuentes de luz tener en cuenta, etc.
Iluminación ambiental
Una fuente de luz ambiental es una fuente de luz omnidireccional, de intensidad y color fijos, que afecta a todos los objetos de la escena por igual (es omnipresente). Durante el renderizado, todos los objetos de la escena se iluminan con la intensidad y el color especificados. Este tipo de fuente de luz se utiliza principalmente para proporcionar a la escena una vista básica de los diferentes objetos. Es el tipo de iluminación más sencillo de implementar y modela cómo la luz se dispersa o se refleja varias veces, produciendo así un efecto uniforme.
La iluminación ambiental se puede combinar con la oclusión ambiental para representar la exposición de cada punto de la escena, lo que afecta la cantidad de luz ambiental que puede reflejar. Esto produce una iluminación difusa y no direccional en toda la escena, sin proyectar sombras definidas, pero con las áreas cerradas y protegidas oscurecidas. El resultado suele ser visualmente similar a un día nublado.
Iluminación puntual
La luz se origina en un único punto y se propaga hacia afuera en todas direcciones.
Destacando
Modela un foco de luz : la luz se origina en un solo punto y se propaga hacia afuera en forma de cono .
Iluminación de área
La luz se origina en una pequeña área en un solo plano . (Un modelo más realista que una fuente de luz puntual).
Iluminación direccional
Una fuente de luz direccional ilumina todos los objetos por igual desde una dirección determinada , como una luz de área de tamaño infinito y a una distancia infinita de la escena; hay sombreado, pero no puede haber disminución de la intensidad con la distancia. Esto es como el sol .
Disminución de la distancia
En teoría, dos superficies paralelas reciben prácticamente la misma cantidad de luz de una fuente distante y sin obstáculos, como el sol. El efecto de atenuación con la distancia produce imágenes con mayor sombreado, lo que resultaría realista para fuentes de luz cercanas.
La imagen de la izquierda no utiliza atenuación por distancia. Observe que los colores de las caras frontales de ambas cajas son exactamente iguales. Puede parecer que hay una ligera diferencia donde las dos caras se superponen, pero se trata de una ilusión óptica causada por el borde vertical que se encuentra debajo de la unión de las dos caras.
La imagen de la derecha sí utiliza atenuación por distancia. Observe que la cara frontal del recuadro más cercano es más brillante que la cara frontal del recuadro posterior. Además, el suelo pasa de claro a oscuro a medida que se aleja.
Cálculo
La disminución con la distancia se puede calcular de varias maneras:
- Potencia de la distancia : para un punto dado a una distancia x de la fuente de luz, la intensidad de luz recibida es proporcional a 1/ x n .
- Ninguno ( n = 0 ) – La intensidad de la luz recibida es la misma independientemente de la distancia entre el punto y la fuente de luz.
- Lineal ( n = 1 ) – Para un punto dado a una distancia x de la fuente de luz, la intensidad de luz recibida es proporcional a 1/ x .
- Cuadrática ( n = 2 ) – Así es como disminuye la intensidad de la luz en la realidad si la luz tiene un camino libre (es decir, sin niebla ni ningún otro elemento en el aire que pueda absorber o dispersar la luz). Para un punto dado a una distancia x de la fuente de luz, la intensidad de la luz recibida es proporcional a 1/ x² .
- También se pueden utilizar otras funciones matemáticas .
Técnicas de sombreado
Durante el sombreado, a menudo se necesita la normal de la superficie para el cálculo de la iluminación. Las normales se pueden precalcular y almacenar para cada vértice del modelo.
Sombreado plano
Aquí, la iluminación se evalúa solo una vez para cada polígono (generalmente para el primer vértice del polígono, pero a veces para el centroide en mallas triangulares), basándose en la normal de la superficie del polígono y bajo el supuesto de que todos los polígonos son planos. El color calculado se usa para todo el polígono, lo que hace que las esquinas se vean nítidas. Esto se suele usar cuando las técnicas de sombreado más avanzadas son demasiado costosas computacionalmente. Los reflejos especulares se renderizan mal con el sombreado plano: si hay un componente especular grande en el vértice representativo, ese brillo se dibuja uniformemente sobre toda la cara. Si un reflejo especular no cae en el punto representativo, se omite por completo. En consecuencia, el componente de reflexión especular generalmente no se incluye en el cálculo del sombreado plano.
Sombreado suave
A diferencia del sombreado plano, donde los colores cambian de forma discontinua en los bordes de los polígonos, con el sombreado suave el color cambia de píxel a píxel, lo que resulta en una transición de color suave entre dos polígonos adyacentes. Generalmente, los valores se calculan primero en los vértices y se utiliza la interpolación bilineal para calcular los valores de los píxeles entre los vértices de los polígonos. Algunos tipos de sombreado suave son el sombreado de Gouraud [ 4 ] y el sombreado de Phong [ 5 ] .
Sombreado de Gouraud
- Determina la normal en cada vértice del polígono.
- Aplica un modelo de iluminación a cada vértice para calcular la intensidad de la luz a partir de la normal del vértice.
- Interpola las intensidades de los vértices utilizando interpolación bilineal sobre el polígono de la superficie.
Problemas:
- Debido a que la iluminación se calcula únicamente en los vértices, las imprecisiones (especialmente de los reflejos especulares en triángulos grandes) pueden resultar demasiado evidentes.
- Las intersecciones en forma de T con polígonos adyacentes a veces pueden generar anomalías visuales. En general, conviene evitar las intersecciones en forma de T.
Sombreado Phong
El sombreado Phong es similar al sombreado Gouraud, con la diferencia de que, en lugar de interpolar las intensidades de luz, se interpolan las normales entre los vértices y la iluminación se evalúa píxel a píxel. Por lo tanto, los reflejos especulares se calculan con mucha más precisión que en el modelo de sombreado Gouraud.
- Calcula una normal N para cada vértice del polígono.
- Utilizando interpolación bilineal, calcule una normal, N i, para cada píxel. (La normal debe renormalizarse cada vez).
- Aplique un modelo de iluminación a cada píxel para calcular la intensidad de la luz a partir de N i .
Sombreado diferido
El sombreado diferido es una técnica de sombreado en la que el cálculo del sombreado se pospone a una etapa posterior mediante el renderizado en dos pasadas, lo que potencialmente aumenta el rendimiento al no descartar píxeles con un sombreado costoso. La primera pasada solo captura parámetros de superficie (como profundidad, normales y parámetros de material), la segunda realiza el sombreado propiamente dicho y calcula los colores finales. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] : 884
Otros enfoques
Tanto el sombreado de Gouraud como el de Phong pueden implementarse mediante interpolación bilineal . Bishop y Weimer [ 9 ] propusieron utilizar una expansión en serie de Taylor de la expresión resultante de la aplicación de un modelo de iluminación y la interpolación bilineal de las normales. Por lo tanto, se utilizó una interpolación polinómica de segundo grado . Este tipo de interpolación bicuadrática fue desarrollado posteriormente por Barrera et al. [ 10 ], donde se utilizó un polinomio de segundo orden para interpolar la luz difusa del modelo de reflexión de Phong y otro polinomio de segundo orden para la luz especular.
Kuij y Blake [ 11 ] utilizaron la interpolación lineal esférica ( Slerp ) para calcular tanto la normal sobre el polígono como el vector en la dirección de la fuente de luz. Hast [ 12 ] propuso un enfoque similar , que emplea la interpolación de cuaterniones de las normales, con la ventaja de que la normal siempre tendrá longitud unitaria y se evita la normalización, que resulta computacionalmente costosa.
Sombreado plano versus sombreado suave
visión por computadora
En visión por computadora , algunos métodos de reconstrucción 3D se basan en el sombreado o en la reconstrucción de formas a partir del sombreado . A partir del sombreado de una imagen, se puede reconstruir un modelo tridimensional a partir de una sola fotografía. [ 13 ]
Véase también
Referencias
- ↑ "Gráficos: sombreado" . hexianghu.com . Consultado el 10 de septiembre de 2019 .
{{cite web}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace ) - ↑ "Técnicas de dibujo" . Dibujar con confianza. Archivado del original el 24 de noviembre de 2012. Consultado el 19 de septiembre de 2012 .
- ↑ "Tutorial de sombreado, cómo sombrear en el dibujo" . Dueysdrawings.com. 21 de junio de 2007. Archivado del original el 24 de abril de 2017. Consultado el 11 de febrero de 2012 .
- ↑ Gouraud, Henri (1971). "Sombreado continuo de superficies curvas". IEEE Transactions on Computers . C-20 (6): 623– 629. doi : 10.1109/TC.1971.223313 . S2CID 123827991 .
- ↑ BT Phong, Iluminación para imágenes generadas por computadora , Communications of ACM 18 (1975), n.° 6, 311–317. ( PDF )
- ↑ "Renderizado directo frente a renderizado diferido" . 28 de octubre de 2013.
- ↑ "Aprende OpenGL - Sombreado diferido" .
- ↑ Akenine-Möller, Tomas; Haines, Eric; Hoffman, Naty (2018). Renderizado en tiempo real (Cuarta ed.). CRC Press. ISBN 978-1-1386-2700-0.
- ↑ Gary Bishop y David M. Weimer. 1986. Sombreado Phong rápido. SIGGRAPH Comput. Graph . 20, 4 (agosto de 1986), 103–106.
- ↑ T. Barrera, A. Hast, E. Bengtsson. Sombreado por software rápido con calidad cercana a Phong . WSCG'06 , págs. 109–116. 2006
- ↑ Kuijk, AAM y EH Blake, Sombreado Phong más rápido mediante interpolación angular . Computer Graphics Forum 8(4):315–324. 1989 ( PDF )
- ↑ A. Hast. Sombreado mediante interpolación de cuaterniones . WSCG'05 . págs. 53–56. 2005.
- ↑ Horn, Berthold KP " Forma a partir del sombreado: Un método para obtener la forma de un objeto opaco liso a partir de una sola vista ." (1970). ( PDF )
Lecturas adicionales
- Introducción al sombreado. Archivado el 18 de mayo de 2017 en Wayback Machine.
- Sombreado
- Realidad virtual