1 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Shading Ed Angel Professor of Computer Science, Electrical and Computer Engineering, and Media Arts University of New Mexico

2 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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

3 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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 Di sisi lain yang kita inginkan adalah

4 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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) ­Surface orientation (permukaan orientasi)

5 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 cahaya Ed Angel Professor of Computer Science, Electrical and Computer Engineering, and Media Arts University of New Mexico

6 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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 tersebut

7 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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. ­Cahaya adalah paket partikel (foton)

8 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Gelombang Kasat mata Mata manusia hanya dapat melihat cahaya pada rentang nm (spektrum warna)

9 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Persepsi

10 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Mata rods cones light bipolar ganglion horizontal amacrine

11 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Mata Struktur mata ­Dua sel reseptor Rods (sel batang) Cones (sel kerucut) Cones  memiliki 3 jenis, yang merespon panjang gelombang cahaya yang berbeda

12 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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 begitulah seterusnya

13 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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) ­Multiple scattering dari object dan menuju object

14 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Global Effects translucent surface shadow multiple reflection

15 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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” ­Sehingga banyak teknik pendekatan bagi efek global

16 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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)

17 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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

18 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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)

19 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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

20 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Point Source (lanj.) Kekurangan dari pemodelan sumber cahaya menggunakan point adalah kurang akuratnya pembentukan shading dan bayangan Contoh pada penumbra (bayangan kabur)

21 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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)

22 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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

23 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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 melalui v

24 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Spot light source lanjutan iii e menyatakan ukuran eksponen intensitas cahaya (gambar kiri e=1, gambar kanan e>1)

25 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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 smooth surface rough surface

26 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Phong Model A simple model that can be computed rapidly Has three components ­Diffuse ­Specular ­Ambient Uses four vectors ­To source ­To viewer ­Normal ­Perfect reflector

27 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Phong model

28 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Ideal Reflector Normal is determined by local orientation Angle of incidence = angle of relection The three vectors must be coplanar

29 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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

30 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Diffuse Reflection Diffuse reflector scatters light Assume equally all direction Called Lambertian surface Diffuse reflection coefficient kd, 0 < kd < 1 Angle of incoming light still critical

31 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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  i ­cos  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

32 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Lambertian surfaces

33 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Lambert’s Law

34 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 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

35 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Modeling Specular Reflections Phong mengusulkan konsep yang diturunkan sebagai peningkatan nilai cos sudut antara viewer terhadap arah refleksi ideal  I r ~ k s I cos   shininess coef absorption coef incoming intensity reflected intensity

36 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 The Shininess Coefficient Values of  between 100 and 200 correspond to metals Values between 5 and 10 give surface that look like plastic cos   

37 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005

38 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005

39 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005

40 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005

41 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005

42 Angel: Interactive Computer Graphics 4E © Addison-Wesley 2005 Terima kasih Ed Angel Professor of Computer Science, Electrical and Computer Engineering, and Media Arts University of New Mexico