Tentang Shading Modelling Bab 2 ( Desain Pemodelan Grafik) lanjutan..

Tugas Softskill

BAB II

KONSEP DAN TEORI PADA SHADING MODELLING

Shading mengacu pada penggambaran kedalaman suatu objek dalam model 3D atau ilustrasi dengan mengubah-ubah tingkat dari kegelapan suatu object(darkness).

Menggambar Shading merupakan suatu proses yang digunakan dalam menggambar dengan tingkat darkness tertentu pada sebuah kertas dengan memakai media yang lebih padat atau menampilkan bayangan yang lebih gelap untuk area yang lebih gelap dan memakai media yang tidak terlalu padat atau menampilkan bayangan yang lebih terang untuk area yang lebih terang. Ada berbagai macam teknik shading, misalnya cross hatching dimana garis-garis tegak lurus dengan jarak satu sama lain (kedekatan) yang berbeda-beda digambar pada pola grid untuk membentuk bayangan area. Semakin dekat garis-garis tersebut, semakin gelap area yang muncul. Begitu pula sebaliknya, semakin jauh garis-garis tersebut, semakin terang area yang muncul.

Pola-pola yang terang (misalnya objek yang memiliki area terang dan area berbayang) akan sangat membantu dalam pembuatan ilusi kedalaman pada kertas dan layar komputer.

Komputer grafis

Pada komputer grafis, shading mengacu pada proses mengubah warna berdasarkan sudut terhadap cahaya dan jarak dari cahaya untuk menciptakan efek photorealistic. Shading dilakukan selama proses penggambaran.

Sudut terhadap sumber cahaya

Shading mengubah warna tampilan dalam model 3D berdasarkan sudut permukaan terhadap cahaya matahari atau sumber cahaya lainnya.

Gambar pertama di bawah ini menunjukkan permukaan-permukaan kotak yang digambar dimana semuanya memiliki warna yang sama. Garis tepi telah digambar sehingga memudahkan gambar dilihat dan dibedakan.

Gambar kedua merupakan model yang sama, namun tidak memiliki garis tepi. Sangat sulit membedakan permukaan kotak yang satu dengan yang lainnya.

Gambar ketiga memiliki shading dimana membuat gambar menjadi lebih realistis dan lebih mudah dilihat serta dibedakan.

Sumber cahaya

Ada berbagai jenis cahaya:

• Ambient light – Ambient light menyinari semua objek dalam suatu scene secara merata, membuat objek menjadi terang tanpa menambahkan bayangan.

• Directional light – Directional light menyinari semua objek secara merata dari suatu arah tertentu. Ia bagaikan suatu area terang dengan ukuran dan jarak yang tidak terbatas dari scene. Ada bayangan, tetapi itu bukan merupakan distance falloff.

• Point light – Point light berasal dari satu titik dan menyebar dalam berbagai arah.

• Spotlight – Spotlight berasal dari satu titik dan menyebar mengikuti arah kerucut.

• Area light – Area light berasal dari satu bidang datar dan menyinari semua objek dalam arah tertentu yang berasal dari bidang datar tersebut.

• Volume light – Volume light merupakan suatu ruang tertutup yang menyinari objek dalam ruang tersebut.

Shading diinterpolasikan berdasarkan bagaimana sudut dari sumber cahaya mencapai objek dalam suatu scene. Tentu saja sumber-sumber cahaya tersebut mungkin dan seringkali dikombinasikan dalam sebuah scene. Pelukis atau ilustrator kemudian menginterpolasikan bagaimana cahaya-cahaya ini dikombinasikan dan memproduksi gambar 2D yang akan ditampilkan di layar.

Distance fall off

Secara teoritis, dua permukaan paralel disinari jumlah cahaya yang sama dari sumber cahaya yang jauh, seperti matahari. Walaupun permukaan yang satu jauh, mata kita melihat permukaan tersebut lebih banyak di ruang yang sama sehingga penyinarannya tampak sama.

Perhatikan gambar pertama dimana warna pada permukaan depan dari kedua kotak benar-benar sama. Tampaknya ada sedikit perbedaan ketika kedua permukaan tersebut bertemu, tetapi ini merupakan ilusi optikal yang disebabkan oleh garis tepi vertikal di bawah dimana kedua permukaan ini bertemu.

Perhatikan gambar kedua dimana permukaan kotak tampak lebih terang pada bagian depan dan tampak lebih gelap pada bagian belakang. Selain itu, permukaan lantai juga tampak semakin gelap seiring makin jauhnya jarak.

Efek distance falloff membuat gambar tampak lebih realistis tanpa harus menambahkan cahaya tambahan untuk menimbulkan efek yang sama. Distance falloff dapat dihitung dalam beberapa cara:

• Tidak ada

• Linier – Untuk setiap unit x jarak suatu titik dari sumber cahaya, jumlah cahaya yang diterima adalah unit x dikurangi bright.

• Kuadratik – Ini menunjukkan bagaimana cahaya kira-kira bekerja di kehidupan nyata. Suatu titik yang dua kali jauhnya dari sumber cahaya dibandingkan titik lainnya akan menerima cahaya empat kali lebih sedikit.

• Faktor n – Suatu titik yang jaraknya sebesar unit x dari suatu sumber cahaya akan menerima cahaya sebesar 1/xn.

• Fungsi matematis lainnya juga dapat digunakan.

Flat vs smooth shading

Flat shading merupakan teknik pencahayaan yang digunakan dalam komputer grafis 3D. Ia membentuk bayangan setiap polygon dari suatu objek berdasarkan sudut antara permukaan normal polygon dan arah dari sumber cahaya, warna-warna respective, dan intensitas sumber cahaya. Ini digunakan dalam pembuatan gambar dengan kecepatan tinggi dimana menggunakan teknik-teknik shading yang lebih sulit dan secara perhitungan lebih mahal. Akan tetapi, di akhir abad ke-20, kartu grafis yang terjangkau menawarkan smooth shading yang dapat digunakan dalam proses penggambaran cepat, membuat flat shading tidak diperlukan lagi.

Kekurangan dari flat shading adalah ia memberikan tampilan model yang low-polygon. Terkadang tampilan ini dapat menguntungkan juga, misalnya dalam membuat model objek berbentuk kotak. Pelukis terkadang menggunakan flat shading untuk melihat polygon dari model padat yang mereka ciptakan. Teknik-teknik pencahayaan dan shading lanjutan dan lebih realistis meliputi Gourad shading dan Phong shading.

Model Shading

Model shading menentukan bagaimana suatu permukaan objek muncul dalam kondisi pencahayaan yang berbeda-beda. Beberapa model matematis dapat digunakan untuk menghitung shading. Setiap model shading memproses relasi dari permukaan normal terhadap sumber cahaya untuk menciptakan efek shading tertentu.

Phong

Menggunakan warna-warna ambient, diffuse, dan specular. Model shading ini membaca orientasi permukaan normal dan menginterpolasikannya untuk menciptakan tampilan smooth shading. Ia juga memproses relasi antara normal, cahaya, dan sudut pandang kamera untuk menciptakan specular highlight.

Hasilnya adalah suatu objek dengan bayangan smooth, permukaan area yang disinari diffuse dan ambient, serta suatu specular highlight sehingga objek tampak bersinar seperti bola biliar atau bola plastik. Pemantulan, transparansi, refraksi, dan tekstur dapat diterapkan pada objek yang menggunakan Phongshader.

Lambert

Menggunakan warna-warna ambient dan diffuse untuk menciptakan permukaan matte tanpa specular highlight. Ia menginterpolasikan normal dari permukaan segitiga yang berdampingan sehingga shading berubah secara progresif, menciptakan suatu permukaan matte.

Hasilnya adalah suatu objek dengan smooth shading, seperti telur atau bola ping-pong. Pemantulan, transparansi, refraksi, dan tekstur dapat diterapkan pada objek yang menggunakan Lambert shader.

Blinn

Menggunakan warna-warna diffuse, ambient, dan specular, serta refractive index untuk menghitung specular highlight. Model shading ini identik dengan model shading Phong, kecuali bentuk specular highlight-nya merefleksikan pencahayaan lebih akurat ketika ada sudut tinggi antara kamera dan cahaya.

Model shading ini berguna untuk tepian yang kasar atau tajam dan untuk mensimulasikan permukaan logam. Specular highlight-nya tampak lebih terang dibandingkan model Phong. Pemantulan, transparansi, refraksi, dan tekstur dapat diterapkan pada objek yang menggunakan Blinnshader.

Cook-Torrance

Menggunakan warna-warna diffuse, ambient, dan specular, serta refractive index untuk menghitung specular highlight. Ia membaca orientasi permukaan normal dan menginterpolasikannya untuk menciptakan tampilan smooth shading. Ia juga memproses relasi antara normal, cahaya, dan sudut pandang kamera untuk menciptakan specular highlight.

Model shading ini memproduksi hasil yang berada diantara model shading Blinn dan Lambert, serta berguna untuk mensimulasikan objek yang lembut dan reflektif seperti kulit. Pemantulan, transparansi, refraksi, dan tekstur dapat diterapkan pada objek yang menggunakan Cook-Torrance shader.

Karena model shading ini lebih kompleks untuk dihitung, ia memakan waktu lebih lama dalam pelukisan daripada model shading lainnya.

// documentation contains proprietary confidential information and trade

// secrets of PIXAR. Reverse engineering of object code is prohibited.

// Use of copyright notice is precautionary and does not imply

// publication.

// RESTRICTED RIGHTS NOTICE

// Use, duplication, or disclosure by the Government is subject to the

// following restrictions: For civilian agencies, subparagraphs (a) through

// (d) of the Commercial Computer Software--Restricted Rights clause at

// 52.227-19 of the FAR; and, for units of the Department of Defense, DoD

// Supplement to the FAR, clause 52.227-7013 (c)(1)(ii), Rights in

// Technical Data and Computer Software.

// Pixar Animation Studios

// 1200 Park Avenue

// Emeryville, CA 94608

//------------------------------------------------------------------------------------------------------//

// SCRIPT: CookTorrance.sl

// AUTHOR: Scott Eaton

// DATE: July 3, 2007

// DESCRIPTION: A simple implementation of the Cook-Torrance

// shading model describe in:

// A Reflectance Model for Computer Graphics

// R. L. Cook, K. E. Torrance, ACM Transactions on Graphics 1982

//------------------------------------------------------------------------------------------------------//

surfaceCookTorrance(

floatKa = 1;

float Ks = .8;

floatKd = .8;

float IOR = 1.3;

float roughness = .2;

color opacity = 1;

colorspecularColor = 1;

colordiffuseColor = (.6, .6, .6);

floatgaussConstant = 100;

){

//the things we need:

// normalized normal and vector to eye

normalNn = normalize(N);

vectorVn = normalize(-I);

float F, Ktransmit;

float m = roughness;

fresnel( normalize(I), Nn, 1/IOR, F, Ktransmit);

color cook = 0;

floatNdotV = Nn.Vn;

illuminance( P, Nn, PI/2 ){

//half angle vector

vector Ln = normalize(L);

vector H = normalize(Vn+Ln);

floatNdotH = Nn.H;

floatNdotL = Nn.Ln;

floatVdotH = Vn.H;

float D;

float alpha = acos(NdotH);

//microfacet distribution

D = gaussConstant*exp(-(alpha*alpha)/(m*m));

//geometric attenuation factor

float G = min(1, min((2*NdotH*NdotV/VdotH), (2*NdotH*NdotL/VdotH)));

//sum contributions

cook += Cl*(F*D*G)/(PI*NdotV);

}

cook = cook/PI;

Oi = opacity;

Ci = (Kd*diffuseColor*diffuse(Nn)+Ks*specularColor*cook) * Oi;

}

Strauss

Hanya menggunakan warna-warna diffuse untuk mensimulasikan suatu permukaan logam. Surface’s specular dikaitkan dengan parameter smoothness dan “metalness” yang mengontrol warna-warna diffuse berdasarkan specular ratio seperti pemantulan dan highlight.

Pemantulan, transparansi, refraksi, dan tekstur dapat diterapkan pada objek yang menggunakan Strauss shader.

Anisotropic

Terkadang disebut juga ward. Model shading ini mensimulasikan permukaan glossy dengan menggunakan warna-warna ambient, diffuse, dan glossy. Untuk menciptakan efek “digosok” seperti aluminium yang diamplas, dapat menggunakan orientasi specular color berdasarkan orientasi permukaan objek. Specular dihitung menggunakan koordinat UV.

Pemantulan, transparansi, refraksi, dan tekstur dapat diterapkan pada objek yang menggunakan anisotropic shader.

Constant

Hanya menggunakan warna-warna diffuse. Ia mengabaikan orientasi permukaan normal. Semua permukaan segitiga objek dianggap memiliki orientasi yang sama dan memiliki jarak yang sama dari cahaya.

Ia menghasilkan suatu objek yang permukaannya tidak ada shading, tampak seperti suatu potongan kertas. Ini berguna jika kita ingin menambahkan static blur pada suatu objek sehingga tidak ada cahaya specular atau ambient. Ia juga mendukung tekstur sebab tidak ada atribut yang mengganggu definisi tekstur.

Model shading Blinn–Phong (disebut juga model pemantulan Blinn–Phong atau model pemantulan Phong termodifikasi) merupakan suatu modifikasi dari model pemantulan Phong yang dikembangkan oleh Jim Blinn.

Blinn-Phong merupakan model shading default yang digunakan di OpenGL dan Direct3D fixed-function pipeline (sebelum Direct 3D 10 dan OpenGL 3.1), serta digunakan pada setiap vertex selagi ia melewati pipa grafis; nilai piksel antara diantara vertice diinterpolasikan oleh Gouraud shading by default, daripada menggunakan Phong shading yang lebih mahal.

Dalam Phong shading, secara kontinu harus menghitung ulang produk skalar diantara viewer (V) dan sinar dari sumber cahaya (L) reflected (R) pada suatu permukaan.

Jika kita menghitung halfway vector antara vector viewer dan sumber cahaya,

Kita dapat mengganti dengan dimana adalah permukaan normal yang telah dinormalisasikan. Pada persamaan di atas, dan adalah vector yang telah dinormalisasikan, dan adalah solusi terhadap persamaan dimana adalah matriks Householder yang merefleksikan suatu titik di hyperplane yang memiliki origin dan memiliki normal.

Produk dot ini merepresentasikan cosinus dari suatu sudut yang merupakan setengah dari sudut yang direpresentasikan oleh produk dot Phong jika V, L, N, dan R semuanya berada di bidang datar yang sama. Relasi antara sudut-sudut tersebut diperkirakan benar jika vektor-vektor tidak berada di bidang datar yang sama, terutama ketika sudut-sudutnya kecil. Oleh karena itu, sudut antara N dan H terkadang disebut halfway angle.

Dengan pertimbangan bahwa sudut antara halfway vector dan permukaan normal kemungkinan lebih kecil daripada sudut antara R dan V yang digunakan dalam model Phong (kecuali permukaan ditampilkan dari sudut yang sangat curam atau bersudut besar) dan karena Phong menggunakan eksponen ditetapkan seperti yang lebih mendekati expression sebelumnya.

Untuk permukaan front-lit (pemantulan specular pada permukaan berhadapan dengan viewer), akan menghasilkan specular highlight yang sangat dekat kecocokannya dengan pemantulan Phong. Namun demikian, di saat pemantulan Phong selalu bulat untuk permukaan datar, pemantulan Blinn-Phong menjadi elips ketika permukaan dilihat dari sudut yang curam. Ini dapat dibandingkan terhadap kasus dimana matahari dipantulkan di permukaan laut yang dekat dengan horizon atau ketika lampu lalu lintas yang sangat jauh dipantulkan di trotoar yang basah dimana pantulannya akan selalu tersebar lebih vertikal dari pada horizontal.

Walaupun model Blinn-Phong menyerupai model Phong, ia menghasilkan model yang lebih akurat secara empiris dari fungsi bidirectional reflectance distribution. (lihat: Experimental Validation of Analytical BRDF Models, Siggraph 2004).

Dalam banyak kasus, model pelukisan ini kurang efisien dibandingkan Phong shading karena ada perhitungan kuadrat dan akar. Jika model Phong original hanya memerlukan pemantulan vektor yang simple, bentuk modifikasi ini memerlukan lebih banyak perhitungan. Namun demikian, karena banyak CPU dan GPU sudah memiliki fungsi kuadrat dan akar yang lebih akurat (sebagai fitur standar), serta instruksi lain yang dapat mempercepat proses pelukisan, masalah waktu sudah tidak terlalu dipermasalahkan lagi.

Model Blinn-Phong akan lebih cepat digunakan dalam kasus dimana viewer dan cahaya tidak memiliki keterbatasan. Ini adalah contoh kasus untuk directional light. Dalam kasus ini, half-angle vector bebas berada di posisi dan permukaan apapun. Vektor dapat dihitung satu kali untuk setiap cahaya, kemudian digunakan untuk keseluruhan frame atau ketika cahaya dan sudut pandang relatif tetap berada di posisi yang sama. Hal ini tidak berlaku bagi vektor cahaya dipantulkan pada model Phong dimana ia vektor bergantung pada rata tidaknya permukaan dan harus dihitung ulang untuk setiap piksel gambar (atau untuk setiap vertex model dalam kasus pencahayaan vertex).

Pada kasus dimana cahaya terbatas, misalnya ketika menggunakan point light, model Phong original akan lebih cepat digunakan.

Sampel di bawah ini dalam High Level Shader Language merupakan suatu metode penentuan cahaya diffuse dan specular dari suatu point light. Struktur cahaya, posisi dalam ruang pada suatu permukaan, tampilan arah vektor dan permukaan normal merupakan faktor penentu.

A Lighting structure is returned;

struct Lighting

{

float3 Diffuse;

float3 Specular;

};

structPointLight

{

float3 position;

float3diffuseColor;

floatdiffusePower;

float3specularColor;

floatspecularPower;

};

Lighting GetPointLight(PointLight light, float3 pos3D, float3 viewDir, float3 normal )

{

Lighting OUT;

if(light.diffusePower>0)

{

float3lightDir=light.position- pos3D;//3D position in space of the surface

float distance = length(lightDir);

lightDir=lightDir/ distance;// = normalize( lightDir );

distance= distance * distance;//This line may be optimised using Inverse square root

//Intensity of the diffuse light. Saturate to keep within the 0-1 range.

floatNdotL= dot( normal,lightDir);

float intensity = saturate(NdotL);

// Calculate the diffuse light factoring in light color, power and the attenuation

OUT.Diffuse= intensity *light.diffuseColor*light.diffusePower/ distance;

//Calculate the half vector between the light vector and the view vector.

//This is faster than calculating the actual reflective vector.

float3 H = normalize(lightDir+viewDir);

//Intensity of the specular light

floatNdotH= dot( normal, H );

intensity=pow( saturate(NdotH),specularHardness);

//Sum up the specular light factoring

OUT.Specular= intensity *light.specularColor*light.specularPower/ distance;

}

return OUT;

}