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Basi del Calcolo Colore

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Ciao e benvenuto alla lezione numero 13 del corso Computer Graphics. Così, ormai abbiamo coperto più di un terzo del corso. Prima di entrare nel prossimo argomento, facciamo pausa per un attimo qui e riflettiamo su quello che abbiamo imparato finora. Come potremmo riraccogliere, stavamo discutendo del processo, del processo di visualizzazione di un'immagine su uno schermo del computer. Ora questo è un concetto generico di corso lo schermo può variare di dimensioni.
E non serve essere sempre immagine. Può essere anche personaggi, ma sostanzialmente ciò che ci preoccupa in questo corso è sostanzialmente come uno schermo o un'unità di visualizzazione o qualche unità di output genera un'immagine che processo viene catturata sotto forma di un insieme di fasi che chiamiamo pipeline grafica 3D, attualmente si discute della pipeline. Diamo uno sguardo alle fasi della pipeline.
Come potete vedere qui ci sono 5 tappe. La prima fase è la rappresentazione dell'oggetto. In questa fase definiamo oggetti nel loro sistema di coordinate proprie o locali, poi abbiamo la seconda fase che è la modellazione o la trasformazione geometrica. Così, in questo caso gli oggetti che vengono definiti nelle coordinate locali di quel particolare oggetto si trasformano in una scena coordinata a livello mondiale. Così, qui una trasformazione avviene da coordinate locali a coordinate mondiali.
Terza fase è l'illuminazione. In questa fase assegniamo colore ai punti sulla superficie degli oggetti. Potremmo considerare che questo avverrà nel sistema di coordinate del mondo stesso. La quarta tappa è in realtà una raccolta di sub stage. Quarta fase sta visualizzando pipeline che consiste in 5 sub fasi di visualizzazione della trasformazione. Così, in questa fase c'è una trasformazione che si svolge dal mondo si coordina a un nuovo sistema di coordinate chiamato view coordinata.
Poi c'è un processo chiamato clipping che si svolge nel sistema di coordinate della vista, poi un altro processo di rimozione della superficie nascosta che si svolge di nuovo in vista di coordinate di sistema. Dopo che c'è un'altra trasformazione chiamata trasformazione di proiezione. In questa fase, un'altra trasformazione coordinata avviene da un sistema di coordinate della vista 3D ad un sistema di coordinate della vista 2D.
E poi abbiamo un'altra finestra di trasformazione per viewport trasformazione. Qui trasformiamo l'oggetto di coordinate della vista 2D a un sistema di coordinate del dispositivo. Insieme questa 5 sub tappe costituisce la quarta tappa che sta visualizzando pipeline. E infine abbiamo la conversazione di scansione che è la quinta tappa. Qui anche qualche trasformazione avviene dal dispositivo si coordinano a un sistema di coordinate a schermo. Ecco, queste sono le tappe di un gasdotto 3D.
Ora abbiamo già discusso alcune di quelle tappe e alcune di quelle tappe sono lì che restano da discutere. Di cosa abbiamo discusso?
Abbiamo discusso di prima fase che è la rappresentazione dell'oggetto e anche noi abbiamo terminato la nostra discussione sulla seconda fase che sta modellando la trasformazione. Ora inizieremo la nostra discussione sulla terza fase che sta illuminando o assegnando colore agli oggetti piuttosto i punti di superficie degli oggetti. Così, inizieremo con l'idea di base del processo di colorazione quando si parla di colorare ciò che intendiamo e di come possiamo concretamente implementare l'idea di colorare nel contesto della computer grafica.
Ora, come ho già accennato, la terza fase si occupa di assegnare i colori. Allora, perché questo è importante? Analizziamo nuovamente le figure di esempio mostrate sul lato destro dello schermo. Qui, come potete vedere sulla figura superiore abbiamo un oggetto a cui abbiamo assegnato anche il colore e c'è un altro oggetto in fondo dove ancora abbiamo assegnato il colore. Ora qual è la differenza tra questa figura superiore e la figura di fondo?
Vedere nella figura superiore abbiamo assegnato il colore, ma in questa figura non siamo in grado di percepire le informazioni di profondità. Ora questa informazione di profondità è molto importante per creare un'impressione di 3D. Questo problema non c'è nella figura più bassa qui. In questo caso, come si può vedere chiaramente, assegnando il colore in un modo particolare riusciamo a creare un'impressione di un oggetto 3D che non era il caso della prima immagine.
Ora, come riusciamo a farlo? Qui, come potete vedere in questa figura inferiore, lo stesso colore non è stato applicato ovunque. Abbiamo applicato colori diversi con valori di intensità differenti per darci la percezione della profondità. Ora, quando parliamo di assegnazione del colore, ci riferiamo in realtà a questo modo particolare di assegnare i colori in modo da ottenere l'impressione di profondità.
Ora, questo appropriato incarico di colore può essere considerato lo stesso illuminante della scena con una luce. Perché riusciamo a vedere il colore? Perché, c'è luce. Se non c'è luce, allora tutto sarà buio e non saremo in grado di vedere il colore. Quindi, essenzialmente quando si parla di assegnazione del colore ci riferiamo in realtà al fatto che la scena è illuminata con una luce e basata su quella luce che stiamo ottenendo per vedere il colore.
Così, al fine di imitare questo processo di illuminazione di una scena con una luce ciò che facciamo nella grafica di calcolo prendiamo in genere l'aiuto di un modello particolare di modello chiamato lighting models. Ora, in questa terza fase, impareremo i modelli di illuminazione nei dettagli.
Cosa fanno questi modelli di illuminazione? Un modello di illuminazione effettivamente calcola il colore e la produzione di un numero, un numero reale che rappresenta valori di intensità, intensità della luce.
Ora, il modo in cui questi modelli sono progettati in modo da poter calcolare solo colori in termini di alcuni numeri reali continui, ma come tutti sappiamo i computer sono macchina digitale in modo da poter elaborare solo valori digitali, valori discreti. Non possono trattare con numeri continui. Quindi, abbiamo bisogno di qualche metodo, qualche modo per mappare questi valori continui a flussi di 0s e 1s o digitalizzare quei valori continui altrimenti i computer non saranno in grado di affrontare quei valori.
Ora, questo processo di mappatura è molto importante anche nel nostro processo di assegnazione dei colori agli oggetti in computer grafica e che costituiscono una parte cruciale nella terza fase in cui assegniamo colori. Quindi, discuteremo anche di questo processo di mappatura. Quindi, due cose in linea di massima discuteremo, uno è i valori di intensità di calcolo basati sui modelli di illuminazione e la seconda cosa sta mappando i valori di intensità continua ad una serie di acciai discreti di 0s e 1s.
Ora cerchiamo di capire l'idea di base dietro il processo di illuminazione.
Come facciamo a vedere il colore? In realtà è l'esito di un processo, il processo di illuminazione.
Il processo presuppone che vi sia una fonte di luce che emette luce. Ora magari una fonte, ci possono essere più di una fonte, ma ci deve essere qualche fonte di luce che emette luce. Ora questa luce emessa cade sul punto, come in questa figura come potete vedere abbiamo una sola fonte che è la lampadina e che emette luce. L'intensità luminosa cade su queste due superfici oggetto.
Ora, a volte questa luce che proviene dalla sorgente non deve cadere direttamente sul punto di superficie, invece può arrivare riflessa da un altro punto e poi cadere sul punto di superficie. Come abbiamo mostrato qui si cade per la prima volta su questo oggetto e poi si riflette da lì e poi finalmente cade su questo punto. Così, a questo punto abbiamo due incidenti luminosi su questo punto. Uno proviene dalla sorgente di luce diretta che è la luce diretta diversa non proviene direttamente dalla sorgente luminosa, ma dopo essere stata riflessa da un'altra superficie. Quindi, questo può essere considerato come una fonte indiretta di luce.
Così, a questo punto abbiamo luce proveniente da una fonte diretta oltre che indiretta. Ora questo trasporto di energia leggera dalla sorgente al punto questa è la nostra fonte qui fonte diretta e fonte indiretta. Ora dalla sorgente al punto questo trasporto di energia luminosa si chiama illuminazione. Quindi, questo è ovviamente un processo di trasporto dell'energia luminosa da fonte al punto direttamente o indirettamente.
Ora, questa luce incidente a questo punto si riflette dalla superficie oggetto e poi cade sui nostri occhi o sull'occhio del telespettatore. Ora una volta che riceviamo quella luce dopo essere stati riflessi dalla superficie oggetto, possiamo percepire il colore. Quindi, l'intensità di questo incidente leggero all'occhio è il colore percepito o il semplice colore del punto. Così, per raccogliere un visore si guarda a questo punto qui.
Ora, a questo punto ci sono due luce incidente. Uno proveniente dalla fonte diretta attraverso questo percorso, uno proveniente dalla fonte indiretta attraverso questo percorso. Ora questo processo di trasporto dell'energia luminosa dalla sorgente a questo punto è l'illuminazione. Così, dopo aver illuminato la luce si riflette effettivamente da questo punto e raggiunge l'occhio del telespettatore attraverso questo percorso. L'intensità di questa luce riflessa che raggiunge l'occhio in realtà è il colore percepito o semplicemente il colore del punto.
Quindi, essenzialmente quello che percepiamo come colore è l'intensità della luce che si riflette dal punto a cui guardiamo.
Ora, questo processo di calcolo dell'intensità luminosa o della luce in uscita al punto è noto come illuminazione e in computer grafica siamo interessati a simulare questo processo di illuminazione. Quindi, ci sono due processi coinvolti come abbiamo appena discusso; una è l'illuminazione che viene dalla sorgente la luce cade sul punto direttamente o indirettamente che si chiama illuminazione.
E da quel punto la luce si riflette e raggiunge l'occhio del visualizzatore che è l'illuminazione e questa intensità della luce riflessa effettivamente determina il colore a quel punto. Quindi, siamo interessati a determinare il colore a quel punto. Quindi, siamo interessati a imitare il processo di illuminazione.
A volte viene utilizzato un altro termine che si chiama ombreggiamento; noto anche come rendering di superficie. Questo termine si riferisce al processo di assegnazione dei colori a pixel minore differenza prima stiamo parlando di assegnare colore a qualsiasi punto di superficie ora stiamo parlando di assegnare colori a pixel.
Quindi, tecnicamente entrambi sono uguali, entrambi si riferiscono al processo di calcolo del colore in un punto, ma c'è una differenza particolarmente nel contesto di utilizzo di questo termine nella computer grafica. Qual è la differenza?
Rappresentano due diversi modi di calcolo dei colori in un punto. Così quando si parla di illuminazione e quando si parla di ombreggiamento tecnicamente entrambi si riferiscono alla stessa cosa che stiamo parlando di un colore di calcolo di un punto. Ma, in pratica, quando usiamo questi termini in grafico ci riferiamo a concetti leggermente diversi e questi concetti sono correlati al modo in cui il valore del colore viene calcolato ai punti.
In caso di illuminazione, prendiamo in considerazione le proprietà della sorgente luminosa e della superficie. Quindi, essenzialmente stiamo cercando di simulare il fenomeno ottico. Quindi, quando si parla di colore, colore di un punto di superficie, deve tenere in considerazione la proprietà del materiale della superficie, le proprietà della sorgente luminosa e quando si parla di queste proprietà, poi si parla di illuminazione.
Quando calcoliamo il valore del colore tenendo conto di queste proprietà, stiamo parlando di illuminazione. Quindi, essenzialmente si riferisce al colore di calcolo tenendo conto di tutte le proprietà ottiche che sono rilevanti nel calcolo del colore o in altre parole simulazione dei fenomeni ottici.
Per farlo usiamo i modelli di illuminazione. Ma questi modelli, come vedremo più avanti, sono modelli complessi che coinvolge molto di computazioni quindi essenzialmente sono intensi di calcolo.
Ora nella grafica, nelle applicazioni pratiche, come forse ovvio a tutti ormai, quando cerchiamo di rendere una scena, poi ci sono grandi punti. Quindi, dobbiamo calcolare il colore a un gran numero di punti. Ora ad ogni punto se dobbiamo applicare questo modello di illuminazione, allora dato che il modello stesso è molto complesso e intensivo di calcolo, il tempo totale necessario per calcolare e assegnare colori a quei punti può portare ad un qualche ritardo nel rendering appropriato dei pixel.
Quindi, in altre parole, se applichiamo i modelli di illuminazione per il compimento del colore su tutti i punti di superficie, allora potremmo non ottenere un'immagine 3D in tempo reale in modo realistico. Quindi, è di fatto inappropriato applicare il modello di illuminazione a colori computi in tutti i punti di superficie. Quindi, abbiamo un modello, sappiamo come si svolgono le ottiche. Abbiamo tenuto conto delle caratteristiche, delle proprietà sia della superficie che della sorgente.
Ma se vogliamo calcolare il colore non è consigliabile o opportuno calcolarlo utilizzando solo il modello di illuminazione che porterà a ritardare nel rendering dell'immagine.
Ora, per affrontare questi problemi, si utilizza tipicamente un approccio alternativo. Che cosa è questo approccio?
Così, invece di calcolare il colore ad ogni punto usando il modello di illuminazione quello che facciamo è mappare i punti di superficie a pixel e all'afterward usiamo il modello di illuminazione per calcolare colori per un numero ristretto di pixel selezionato quindi non per tutti i pixel solo per un numero ristretto selezionato di pixel che sono sulla superficie applichiamo il modello di illuminazione. Quindi, qui non stiamo applicando il modello per tutti i pixel che si trovano sulle superfici, invece lo stiamo applicando solo per un piccolissimo sottoinsieme di quei pixel di superficie.
Successivamente utilizziamo quei valori per interpolare i colori dei restanti pixel di superficie. Supponi quindi di avere una superficie come questa ora è mappa per dire questa griglia di pixel così questi sono i pixel. Quindi, ci sono 16 pixel totali che costituiscono la superficie tra questi pixel potremmo applicare il modello di illuminazione per compattare il colore di un solo pixel e poi utilizzarlo per interpolare il colore dei restanti pixel. Ora questa interpolazione non viene fatta applicando il modello di illuminazione invece l'interpolazione è fatta da molto meno calcolo prevalentemente qualche processo iterativo che richiede meno calcolo.
Quindi essenzialmente, i colori interpolanti piuttosto che i colori di calcolo con i modelli di illuminazione risparmiano molto tempo. Così, ad esempio, in questo caso in precedenza se avessimo dovuto usare il modello di illuminazione abbiamo dovuto usare per 16 punti. Ora, stiamo usando il modello di illuminazione diciamo per uno o due punti. E poi rimanendo 14 o 15 punti siamo colorati usando l'interpolazione che è semplice iterazione di semplici passaggi di calcolo. Quindi, in questo processo possiamo risparmiare molto tempo.
Ora, questo processo di interpolazione basato sulla colorazione dei pixel è generalmente indicato come ombreggiamento nella grafica dei computer. Quindi, abbiamo l'illuminazione e abbiamo ombreggiato. Così, distingueremo tra questi due, sebbene tecnicamente siano uguali, ma nel contesto della nostra discussione della terza tappa distingueremo tra i due. L'illuminazione si riferisce all'applicazione di un modello di illuminazione per il compimento del colore e della ombreggiatura si riferisce all'applicazione dell'interpolazione al colore compatto e impareremo sui modelli di ombreggiatura anche nelle successive lezioni.

Ora, cerchiamo di imparare, in breve, alcune informazioni di fondo che utilizzeremo per le nostre successive discussioni sul modello di illuminazione, il modello di ombreggiamento nonché la mappatura dai valori di intensità continua a valori di intensità discrete. Prima cosa sono i fattori che influenzano il colore. Cosa influenza il colore? Quindi, ci sono due cose ampie. Una è proprietà della sorgente luminosa e l'altra è proprietà della superficie su cui si trova il punto. Quindi, le proprietà superficiali così come le proprietà sorgenti luminose determinano il colore di un punto.
Ora, le proprietà superficiali includono due tipi di proprietà ottiche di proprietà come la riflettanza e la refrattanza. Spero che tu possa essere consapevole di questi termini. La riflettanza si riferisce al fatto che qualche porzione di luce si riflette riflessa alcuni vengono assorbiti. Refrattanza si riferisce al fatto che la luce viene rifratta mentre passa attraverso una superficie e la quantità di riflessione o di rifrazione è determinata da alcune proprietà riflettenti proprietà e proprietà di rifrazione.
A parte queste proprietà ottiche ci sono anche proprietà geometriche o attributi, come la posizione della superficie oggetto rispetto all'orientamento alla sorgente luminosa rispetto alla sorgente luminosa e così su questi determinano anche la quantità di colore o il particolare colore che percepiamo. Si tratta di proprietà superficiali. E la fonte di luce?

Quindi, nella grafica consideriamo tipicamente 3 tipi di sorgente luminosa. Diamo uno sguardo a questi 3 tipi.

La prima è la sorgente luminosa di punto. Quindi, qui quello che stiamo ipotizzando è che tali fonti emani luce ugualmente in tutta direzione da un unico punto che è dimensionato e come caratterizzare questo tipo di sorgenti luminose? Dato che non c'è dimensione non abbiamo bisogno di caratterizzare per la loro forma o dimensione, invece li caratterizziamo semplicemente per i loro valori di posizione e intensità della luce emessa. Quindi, qual è il valore di intensità della luce che emettono oltre che la loro posizione?

Se stiamo cercando di modellare qualche fonte di luce che è molto lontana rispetto al punto. Generalmente le fonti a distanza infinita. Per esempio, la luce del sole. Possiamo utilizzare questo concetto di sorgente luminosa a punto per modellare tali sorgenti luminose. Tuttavia, in questi casi da quando è molto molto lontano la posizione non ha senso. Così, caratterizziamo tali fonti solo rispetto all'intensità della luce emessa. Quindi, solo l'intensità della luce emessa caratterizza le sorgenti luminose che sono infinitamente lontane dal punto.

Poi abbiamo la fonte direzionale o i riflettori. Così, abbiamo usato questo tipo di sorgenti luminose per simulare il fascio di effetto luce. In questo caso quello che supponiamo è che esso sia costituito da una sorgente luminosa di punto e che sorgente emette luce entro un limite angolare così all'interno di questo limite caratterizzato da questo angolo theta. Ora, se un punto è entro questo limite allora quel punto è illuminato, se un punto è al di fuori di questo limite, allora non sarà illuminato da questa particolare sorgente luminosa.

Così essenzialmente le sorgenti di riflettori possono essere caratterizzate da tre cose: la posizione della sorgente puntale, il limite angolare caratterizzato da questo angolo e l'intensità luminosa emessa. Quindi, l'intensità con cui emette la luce. In seguito vedremo che come questa intensità varia da un punto all'altro mentre discuteremo il modello di illuminazione.

Quindi, allora il terzo tipo di luce è la luce ambientale o la luce che proviene da fonti indirette. Quindi, a volte ci sono forse oggetti che non sono direttamente illuminati da una fonte di luce, ma siamo ancora in grado di vederlo. Come? Perché la luce che viene emessa dalla sorgente luminosa si riflette riflessa da un altro oggetto che circondano questo particolare oggetto di interesse e che rifletteva la luce da altri oggetti ricadono sull'oggetto di interesse e poi arrivano ai nostri occhi e riusciamo a vedere quel particolare oggetto.
Come l'esempio mostrato qui in questa figura anche se ipotizzare che questa luce diretta non sia ancora disponibile saremo in grado di vedere questo oggetto di questo particolare punto perché questa luce è in calo su questo oggetto qui e poi si sta riflettendo e cadendo sul punto di interesse e poi da lì arrivare riflettendo e arriva al nostro occhio. Quindi, arriviamo a vedere questo punto perché fa luce da questa fonte, fonte indiretta. Ora si tratta di illuminazione indiretta dalle superfici circostanti.

E che anche questo è un tipo di sorgente luminosa che chiamiamo luce ambientale, ma se vogliamo modellare questo effetto luce ambientale che è quanta luce si sta riflettendo da superfici circostanti e cadendo sul punto di interesse, che come probabilmente si può indovinare, sarà piuttosto complesso perché potrebbe esserci un gran numero di oggetti a posizioni diverse, orientazioni con proprietà di superficie diverse.
E se dobbiamo calcolare l'intensità luminosa da ciascuno di questi punti di superficie che in definitiva scende su quel punto di interesse e che sta andando a prendere abbastanza calcoli ed è probabile che il tempo si consuma. Quindi, tipicamente nella grafica per evitare elaborazioni così complesse, assumiamo qualche modello semplificato di luce ambientale che vedremo anche nella nostra discussione sul modello di illuminazione.

E tale modello semplificato è chiamato fonte di luce ambientale. Quindi, supponiamo che ci sia una fonte di luce ambientale che effetti ogni punto di superficie uniformemente che ovviamente in pratica non è il caso, ma supponiamo che e vedremo che l'assunzione porta immagini realistiche nella maggior parte dei casi senza troppe elaborazioni aggiuntive.
Così, per riassumere, quando si parla di colore di calcolo, dobbiamo prendere in considerazione due cose, una è proprietà di superficie sia ottiche sia proprietà geometriche e una è la sorgente luminosa e abbiamo appena discusso 3 tipi di sorgenti luminose. Una è la sorgente luminosa di punta caratterizzata da posizione e intensità della luce emessa, ma se stiamo considerando una sorgente luminosa puntiforme in una posizione molto, molto distante, allora posizione non è importante solo l'intensità della luce emessa caratterizza tali fonti.
Poi abbiamo riflettori caratterizzati dalla posizione di sorgente luminosa a punto luce la misura della diffusione angolare della luce e l'intensità della luce emessa e del terzo tipo è fonte di luce ambientale dove ipotizziamo che vi sia un modello semplificato di effetto luce ambientale e questo modello è incapsulato sotto forma di una singola sorgente luminosa che colpisce in modo uniforme tutto l'oggetto in una scena.
Impareremo di più su queste fonti durante la nostra discussione sul modello di illuminazione vedremo come queste sorgenti e le proprietà di superficie influenzeranno i calcoli in un modello di illuminazione.

Un'altra cosa di questa luce ambientale è che il modello semplificato che supponiamo è che stiamo ipotizzando che tali sorgenti luminose non abbiano caratteristiche spaziali o direzionali. Di conseguenza si ipotizzano di illuminare tutte le superfici equamente e caratterizzate da una sola cosa che è l'intensità della luce ambientale. Si tratta di considerazioni cruciali per poter modellare il processo di illuminazione senza imporre troppo sovrapposizioni computazionali sul sistema.

Quindi, con questa conoscenza di fondo, starebbero discutendo l'idea di un modello di illuminazione in termini di un semplice modello di illuminazione che faremo nella lezione successiva. Si può piacere notare il termine 'semplicemente' sebbene vedremo in pratica che è ancora complesso, ma questo è il più semplice di tutti i possibili modelli di illuminazione che ci sono e utilizzati nella grafica. E discuteremo anche delle elaborazioni coinvolte e di come ridurre i calcoli rendendo alcune ipotesi semplificate. Quel modello di illuminazione che discuteremo nella prossima lezione.

Qualunque cosa abbia discusso oggi si può trovare in questo libro capitolo 4 sezione 4,1. Potrai passare attraverso questa sezione per imparare in più dettagli sugli argomenti che ho appena discusso nella lezione di oggi. Ci vediamo nella prossima lezione. Fino ad allora addio e grazie.