1 / 19. Digitaalisen arkkitehtuurin yksikkö Aalto-yliopisto. Rendausteoriaa. ARK-A2502 DA-perusteet Elina Haapaluoma, Heidi Silvennoinen Kevät 2016

Transkriptio

1 1 / 19 Digitaalisen arkkitehtuurin yksikkö Aalto-yliopisto Rendausteoriaa

2 Maxwellin rendaustekniikoita 2 / 19 Maxwell Render on fysikaalinen rendausohjelmisto: kaikki elementit kuten materiaalit, valonlähteet ja kamerat perustuvat fysikaalisesti tarkkoihin malleihin Valon laskemiseen käytetään Ray Tracingia Maxwell Render on Unbiased-renderöintiä: Tämä tuottaa hyperrealistista tulosta. Mitään oikopolkuja rendaukseen ei käytetä, vaan kaikki valaistusarvot pikseleittäin lasketaan fysikaalisen mallin mukaan.

3 Renderöintitekniikoita 3 / 19 Nykyään käytetään edistyneempiä renderöintialgoritmeja, jotka simuloivat aitoa valon käyttäytymistä Raytracing Ohjelma lähettää säteen jokaista lopullisen kuvan pikseliä kohti Kun säde törmää pintaan, lasketaan kyseisen pikselin väri siihen osuvan valon ja mahdollisen pintatekstuurin tai värin perusteella Laskenta voi kestää jopa tunteja riippuen valojen ja simuloitavien heijastusten määrästä Henrik, Wikimedia Commons CC Attribution-Share Alike 3.0 Laskenta tapahtuu yleensä CPU:lla Unbiased-renderöinnissä valo ja materiaalit simuloidaan fysikaalisesti oikein Biased-renderöinnissä käytetään oikopolkuja nopeuttamaan renderöintiä Epärealistisempaa kuin Unbiased-renderöinti, mutta lopputulos voi olla realistinen, jos lähtöarvot valitaan oikein

4 Physically-based rendering (PBR) 4 / 19 Materiaalien diffuse- ja specular (reflection)-arvot mitattavien todellisen maailman arvojen mukaan Diffuse + specular (reflection)= vakio Energy conservation: materiaalista heijastuvan valon energia ei voi olla suurempi kuin siihen osuvan valon energia Valo, joka lähtee pinnalta, ei voi olla koskaan kirkkaampi kuin valo, joka osuu pinnalle Sébastien Lagarde, Dontnod entertainment Fair use Kun diffuusion määrä suurenee oikealle päin mentäessä, heijastuksen (valkoinen täplä) määrä pienenee Kappaleeseen osuvan säteilyn määrä = diffuusio + reflektio. Reflektio heijastuu, diffuusio siroaa.

5 Valonlähteet useimmissa rendausohjelmissa esim. Brazilissa 5 / 19 Useimmissa rendausohjelmissa käytetään samanlaisia valonlähteitä kuin Brazilissa: Maxwellissa nämä eivät kuitenkaan toimi Omni Area light Spot Skylight A Arkkitehtuurivisualisointi Johannes Lehto, Miika Liukka Kevät 2014

6 Valaistusobjektit Maxwellissa: Area emitters (Aluevalaisija) 6 / 19 Tällainen säteilijätyyppi projektoi valoa tietyn kappaleen pinnalta, joten koko geometria toimii valonlähteenä Color: syötä väri suoraan värinvalitsijapyörällä tai valitsemalla Kelvin-asteikkojen mukaan säädetty väri Temperature: syötä lämpötila Kelvin-asteissa ja Maxwell asettaa sekä värin että valonvoimakkuuden lämpötilan mukaan HDR Image: syötä High Dynamic Range -kuva, jota käytetään säteilyn tekstuurina Luminance määrittää valonvoimakkuuden Preset-asetukset ovat helpoimpia

7 Valaistusobjektit Maxwellissa: Spot emitters (spottivalaisija) 7 / 19 (a) Cone Angle: määrittää kulman laajuuden (b) FallOff Angle: lisäkulma kartion ulkopuolella, jonka sisällä valon voimakkuus putoaa 100 %:sta 0%:n (c) FallOff Type: muokkaa valonvoimakkuuden putoamista

8 IES 8 / 19 Käytetään poikkeavan valaisun muodon määrittämiseen Valaisinten valo ei todellisuudessa jakaudu täysin tasaisesti joka suuntaan: varjostin, heijastimet ja prismat hajottavat valon erilaisiksi valokuvioiksi Valo jakautuu fotometrisen verkon mukaan Valmistajilta saa valaisinten IES-profiileja (Illuminating Engineering Society, perustettu 1906) Vakiintunut standardi valonlähteen fotometrisen verkon kuvaamiseksi Asettaa myös valotehon ja värin oikeaa valaisinta vastaavaksi

9 Environment Lighting 9 / 19 None: ei ympäristön luomaa valaistusta, kaiken valaistuksen tulee tulla säteilevistä materiaaleista Sky: Taivaan malli. Se voi olla joko Constant Dome (yksivärinen) tai kokonainen Physical Sky -simulaatio, joka vastaa aitoa taivaan määritelmää. Image Based Lighting (IBL): Voi käyttää HDR-kuvaa (High Dynamic Range) virtuaalisena pallona, joka ympäröi skeneä. Näin voi asettaa valokuvan valaisemaan ympäristöä.

10 Environment Lighting: Physical Sky 10 / 19 Tulokset vaihtelevat tavallisista Maan arvoista liioiteltuihin fantasiataivaisiin Fyysisesti korrektit parametrit Atmospheric Conditions Aerosols: pieniä partikkeleja ilmakehässä, jotka imevät ja hajauttavat valoa Sun: käytös, koko, väri, aika, paikka

11 Varjot: Ambient Occlusion 11 / 19 Industrial Light & Magic kehitti AO-tekniikan elokuvien erikoisefektejä varten Lisää varjostusta geometrian nurkkiin ja koloihin Käytetään detaljien lisäämiseen ilman, että tarvitsee laskea epäsuoraa valaistusta tarkasti

12 Materiaalit 12 / 19 Materiaaleja voi muokata Material Editorissa Maxwellin materiaalit järjestetään layereittain

13 BSDF (Bidirectional Scattering Distribution Function) 13 / 19 BSDF Properties: BSDF-asetukset käsittelevät kaikkia asetuksia liittyen koko materiaaliin Surface Properties: Pinta-asetukset käsittelevät kaikkia asetuksia liittyen materiaalin pintaan, kuten pinnan karkeutta ja bump-mappausta Subsurface Properties: Subsurfacen (alapinnan) asetukset säätelevät läpinäkyvyyden asetuksia - tai valoa, joka hajoaa pinnan alla

14 Diffuse ja specular 14 / 19 Oikeiden materiaalien jäljittelemiseksi on kehitetty erilaisia malleja, jotka simuloivat valon käyttäytymistä pinnalla. Renderöinnissä pinnan valaistus jaetaan diffuusiin valoon (diffuse) ja valon heijastuksiin (specular highlights) Mattapintojen valaisemisessa oletetaan ideaali diffuusi pinta Todellisuudessa karheat pinnat koostuvat mikroskooppisen pienistä epätasaisuuksista, jotka hajottavat heijastuvan valon joka suuntaan Specular-heijastukset simuloivat (hyvin karkeasti) valonlähteen peilikuvaa kiiltävällä pinnalla GianniG46, Wikimedia Commons CC Attribution-Share Alike 3.0

15 Diffuse ja specular 15 / 19 GianniG46, Wikimedia Commons CC Attribution-Share Alike 3.0 Diffuse Specular Diffuse + specular

16 Roughness 16 / 19 Roughness-parametrilla simuloidaan matemaattisesti valon diffusoitumista karkeiden materiaalien pinnalla Maxwellissa Roughness-arvolla määritellään myös pinnan sileyttä: myös spekulaariset arvot määrittyvät pienillä roughness-arvoilla Karkeat materiaalit kuten kankaat, kivipinnat, kiillottamaton betoni yms. Pinnan karkeus voi vaihdella arvosta 0 (täysin sileä pinta) arvoon 100 (täysin diffuusi eli hajottava pinta) Roughness lisää pieniä epätarkkuuksia pintaan, jotka saavat sen heijastamaan valoa hajottavammin Roughness 100 vastaa lambertiaanista eli täysin diffuusia pintaa. Peilin ja lasin roughness-arvo on 0-10.

17 Reflectance (Heijastavuus) 17 / 19 Reflectance 0º ja Reflectance 90º Reflectance 0º (väri edestäpäin katsottuna) ja Reflectance 90º (välkehtivän kulman väri eli sivuttaisesta suunnasta nähdyn pinnan väri). Täysin valkoinen reflectance (RGB 255) tarkoittaa että kaikki valo joka osuu objektille heijastetaan takaisin. Musta (RGB 0) tarkoittaa että pinta imee kaiken valaistuksen Yksinkertaisesti Reflectance 0:lla määritetään kappaleen väri Reflectance 90 arvo sen sijaan ei näy ollenkaan kun roughness on hyvin korkea, eli pinta on diffuusi. Vain kiiltävällä (spekulaarilla) pinnalla sivusuuntainen väri voi vaihtua. Kiiltävällä pinnalla tosin myös reflectance 0:n merkitys pienenee, sillä kappale heijastaa vähemmän omaa väriään ja enemmän ympäristöä. Pinta muuttuu kiiltävämmäksi oikealle päin mentäessä, ja sivusuuntainen väri alkaa näkyä paremmin

18 Transmittance (Läpinäkyvyys) 18 / 19 Läpinäkyvän materiaalin luomiseksi pinnan Roughness tulee ensin asettaa tarpeeksi matalaksi (0-25) Tämä parametri määrittää valoa silloin, kun se läpäisee läpinäkyvän materiaalin. Transmittance-väri esittää valon värin siinä pisteessä, kun se on saavuttanut Attenuation-etäisyyden jos Attenuation-etäisyys on hyvin pieni (esim. 1 nm) objekti pysyy läpinäkymättömänä, koska valo voi kulkea vain hyvin lyhyen etäisyyden objektin sisälle jos taas on hyvin ohut pinta, ja Attenuation on hyvin suuri, Attenuation-väri ei näy ollenkaan Attenuationin tulisi siis pyöriä samoissa kokoluokissa kuin materiaalin paksuus, jotta värin vaikutus näkyy Läpinäkyvällä lasinpohjalla on oma värinsä

19 Bump mappaus ja normal mappaus 19 / 19 Bump map yleensä riittää pienemmille kohoumille, mutta jos yrittää simuloida suuria kohoumia, kannattaa käyttää normal mappia Bump map on harmaasävyinen: Kirkkaammat arvot tekstuurissa luovat kohoumia, tummemmat kuoppia Normal map käyttää RGB-arvoja - tämä auttaa määrittämään valaistusarvoja X-, Y- ja Z-akselilla bump-mappauksen voimakkuus normal mapping vs. bump mapping