1 3D -grafiikka ja animaatio Värivarjostus ja pintojen ominaisuudet Harri Airaksinen.

Esitys aiheesta: "1 3D -grafiikka ja animaatio Värivarjostus ja pintojen ominaisuudet Harri Airaksinen."— Esityksen transkriptio:

1 1 3D -grafiikka ja animaatio Värivarjostus ja pintojen ominaisuudet Harri Airaksinen

2 2 Shading ja pinnan normaalit  Shading = värivarjostus  Varjostus riippuu objektin pinnoitteesta ja valoista  Pinnan heijastusten laskemiseen käytetään pinnan normaaleja  Tavallisimmat shading tekniikat: faceted smooth specular shading

3 3 Faceted Shading (polygonal shading, tai constant value faceted shading )  Yksinkertaisin ja nopein – yksi värivarjostusarvo jokaisen näkyvän polygonin keskelle, pinnan normaalin suunta. Arvona kuinka paljon valoa saapunut ploygonin keskelle  Useimmat faceted shading tekniikat hyväksyvät vain ambient valoa  Faceted tekniikat eivät pysty käsittelemään monimutkaisempia pinnan ominaisuuksia, esim. teksturointi tai läpinäkyvyys

4 4 Smooth Shading (Gouraud shading, intensity interpolation shading )  Jatkuva värivarjostuksen arvo, joka muuttuu näkyvillä polygoni pinnoilla -> idea: lasketaan keskimääräinen pinnannormaalin arvo, huomioiden myös viereiset polygonit: Ensin näytearvo = pinnan normaali, valon arvo polyginin keskellä Vertexin arvo, joka muodostuu viereisten polygoin arvoista Lopuksi yhdistetty arvo viedään takaisin polygoin keskelle  Ei pysty laskemaan heijastavia pintoja, vain himmeä pinta saadaan lasekttua  Käsittelee sekä ambient ja diffuse valoa, myös vaikeammat pinnanmateriaalit onnistuvat

5 5 Specular Shading (normal vector interpolation shading,Phong, Blinn, Cook)  Peilipinta tyyppinen värivarjostus  Lasketaan jokaiselle pinnan pistelle värivarjostus -> interpoloidaan vertexin normaaleja – pinnan normaalin kulma ja valon tulokulma  Saadaan pinnan heijastukset ja materiaalit mukaan

6 6 Surface Shader  Material editor  materiaalien simulointi  The shaders sisältää: reflectivity color texture transparency

7 7 Material Editor ja 3D Studio Max Tupla-click Drag&Drop

8 8 Surface libraries or material databases Eri ohjelmistoissa eroja

9 9 Surface Layers Voidaan muodostaa kappaleen pinta useasta eri kerroksesta materiaalia: allaoleva vaikuttaa päälläolevaan Mahdollistaa monimutkaiset pinta- materiaalit

10 10 Kuvakartat (Image mapping)  Ideana käyttää 2D kuvaa ja pinnoittaa sillä 3D objektin pinta, kaksi eri tapaa: Heijastaminen pinnalle (projecting ) Kääriminen (wrapping)  Tehokas tapa huijata: Heijastumista (reflectivity) Läpinäkyvyyttä (transparency) Pinnan karheutta (roughness)

11 11 Kuvakartat (Image mapping)  Kuvakartalla voidaan myös esittää pinnan kirkkauden, värin, läpinäkyvyyden muutoksia. Myös pinnanmuoto voidaan kytkeä osaksi kuvakarttaa  katso kuva

12 12 Kuvakartan teko (Creating the Map)  2D kuvat voidaan mapata 3D objektin pinnalle monella eri tavalla: piirretyt kuvat – vektori grafiikkaa (painted images) valokuvatut kuvat – pikseli grafiikkaa (photographic images) sääntö pohjaiset mallit (abstract patterns)  Mistä: Digi kameralla Valokuvan skannaus Piirto-ohjelmalla Mallinnusohjelmat Internet + kuvakirjastot

13 13 Omat kuvakartat ja 3D Studio Max Tupla_click Drag & Drop

14 14 Projisointi metodit Projection Methods Miten kuva/kuvio projisoituu 3D:ille Modifier  UV-mapping

15 15 Projisointi metodit Projection Methods  Hyödyllisimmät projisointimetodit ovat: tasoprojisoinnin: kuvat pinnalle tasoon --> vääntyminen on vähäistä niin kauan kuin 3D pinta on rinnakkainen projisoitavaan pintaan nähden--> tasoprojisointi voidaan laittaa kaikille tasoille - - XY, XZ, and YZ – kuutiomaisen projisoinnin: toistaa kuvan kaikilta kuution sivuilta  yksi tasoista on samansuuntainen projisointi tasoon. Käyrissä tai epäsäännöllisissä esineissä aikaansaadakseen yllättäviä tuloksia. lieriömäisen projisoinnin: asettaa kuvan esineen pinnalle yhdistämällä reunat yhteen esineen takaa  peittämään esineen koko pinta pallomaisen projisoinnin: asettaa kuvan suorakulmion pinnan ympäri kunnes vastapuolet kohtaavat ja nipistää sen ylä- ja alareunan yhteen ja venyttää sitä kunnes koko esine on peitetty

16 16 Projisointi metodit Projection Methods  2D objektin pinta levitetään 3D –objektin päälle, niin että peittää koko alueen  saattaa vaatia tiettyjen osien venyttämistä

17 17 2D kuvan levitys 3D pinnalle - paikallinen koordinaatisto -  Ei käytetä XY –koordinaatistoa, vaan pinnan paikallista, omaa koordinaatistoa U, V, W  U = horizonatal, V = Vertical  Offset arvoilla voidaan säätää miten kuva asemoidaan pinnalle, esim. 0.5. ja 0.5 asemoivat kuvan puoleen väliin molempiin suuntiin

18 18 Kuvan paikan kontrollointi  Tiling = ruudutus  Map Blending = kuvien sekoitus Using tiling: 3 times U- and V- axels.

19 19 Image map as a mask - Blending with matting techniques - Käytetään ALPHA kuvaa maskaamaan reikiä objektin pinnalla Alpha –kanavan käyttö: on harmaasävy kuvatiedosto, joka on linkitetty kuvatiedostoon voidaan tallentaa 4. kanavana standardi RGB tiedostoon

20 20 Pinnan heijastuvuus  Pinnan kolme perusheijastuvuus tyyppiä ovat: ympäristön heijastuvuus (ambient) hajaheijastuvuus (diffuse) peilimäinen heijastuvuus (specular)  Heijastavat pinnanmateriaalit: Matta pinnat  simulated by using a combination of ambient and diffuse reflections. Metallipinnat  simulated with ambient and specular reflections. Muovipinnat  simulated with a combination of ambient, diffuse, and specular reflections.

21 21 Ympäristöpinnoitteet Environment Maps  Voidaan ajatella että nämä ovat erikoistapauksia heijastuskartoista  heijastetaan ympäristön kuva pinnalle  Ympäristöpinnoitteita voidaan myös animoida; ympäristössä tapahtuva muutos heijastuu objektin pinnalle

22 22 Ympäristöpinnoitteet Environment Maps  Pallomainen ympäristöpinnoite

23 23 Ympäristöpinnoitteet Environment Maps  Kuutiomainen ympäristöpinnoite

24 24 Ympäristöpinnoitteet Environment Maps – 3D Studio Max Rendering  Environment tupla-click

25 25 Ympäristöpinnoitteet Environment Maps – 3D Studio Max Render

26 26 Teksturointi  Eri teksurointi tekniikoita, voidaan jakaa seuraaviin ryhmiin: Visuaaliset teksturit (Visual textures); litteitä simulaatioita 3D tekstuureista, eivät vaikuta objektin pinnan geometriaan  näyttävät “oikeilta” mutta eivät ole Tila teksturit (Spatial textures); ovat 3D objekteja ja vaikuttavat objektin pinnan geometriaan, lähinnä karkeuteen/sileyteen

27 27 Painanteiden luominen Bump Maps  1978, James Blinn kehittämä  Simuloi pinnan kolhuja ilman että geometriaa muutetaan  Pinnan normaaleja “rikotaan” pump map – kartalla ja värivarjostus metodi käyttää näitä muuttuneita pinnan normaalin arvoja laskennassaan

28 28 Syrjäytys pinnoitteet Displacement Maps  Pinnoite muuttaa pinnoitetun geometrina muotoa ja sen lisäksi että se lisää pinnoitteen  Esimerkkinä maastot  kuva luo 3D maaston sen mukaan miten väri muuttuu (värillinen tai harmaasävy)

29 29 Three-Dimensional Procedural Texture Maps  Solideja tekstureja  jos leikkaat objektin, leikkauspinnasta tulee “oikean” näköinen  Säännöt ohjaavat objektien muodostumista

30 30 Läpinäkyvyys  Pinnan ominaisuus  kuinka valo läpäisee sen  Voidaan “huijata” tai käyttää säteen seurantaa (ray tracing)  Läpinäkyvyys kartat (transparency map)  2D harmaasävy kartta, jolla kerrotaan, miten renderöintiohjelma käsittelee pinnan pisteitä

31 31 Kuvan muodostamisen ongelmia ja niiden ratkaisuja  Antialiaisointi (Antialiasing) – näytteenottotaajuus ei riitä yksityiskohtien näyttämiseen

32 32 Kuvan muodostamisen ongelmia ja niiden ratkaisuja  Liikeen aiheuttama sumeus (Motion Blur)  Haluttu toiminto kun animoidaan nopeita liikkeitä  ei mukana animaatiossa oletusarvoisesti  Tavallisesti 1/250 sekunnin pysäytyskuva näyttää nopeasti liikkuvan objektin täysin pysähtyneenä  30 fps (frame per sec = 1/30 sekuntti per kuva

33 33 Kuvan muodostamisen ongelmia ja niiden ratkaisuja  Sumu  lisätään valkoista väriä etäisyyden funktiona kameran ja objektin välillä - depth-fading  Haluttu ominaisuus  ei oletusarvona käytössä