El sombreado se refiere a la representación de la percepción de profundidad en modelos 3D (dentro del campo de los gráficos por computadora en 3D ) o ilustraciones (en el arte visual ) variando el nivel de oscuridad . [1] El sombreado intenta aproximarse al comportamiento local de la luz en la superficie del objeto y no debe confundirse con técnicas de adición de sombras, como el mapeo de sombras o los volúmenes de sombras , que se incluyen en el comportamiento global de la luz.
El sombreado se utiliza tradicionalmente en el dibujo para representar un rango de oscuridad aplicando medios más densos o con un tono más oscuro para áreas más oscuras, y menos densos o con un tono más claro para áreas más claras. Los patrones de luz, como los objetos que tienen áreas claras y sombreadas, ayudan a crear la ilusión de profundidad en el papel. [2] [3]
Existen varias técnicas de sombreado, incluido el rayado cruzado , en el que se dibujan líneas perpendiculares de diferente cercanía en un patrón de cuadrícula para sombrear un área. Cuanto más juntas estén las líneas, más oscura aparecerá el área. Asimismo, cuanto más separadas estén las líneas, más clara aparecerá el área.
El sombreado en polvo es un método de sombreado para dibujar . En este estilo, se utilizan polvos para difuminar y trozos de papel para hacer un dibujo. (Puede ser de color). El polvo para resaltar es suave y no tiene partículas brillantes. El papel a utilizar debe tener granos pequeños para que el polvo quede en el papel.
En gráficos por computadora , el sombreado se refiere al proceso de alterar el color de un objeto/superficie/polígono en la escena 3D, basándose en cosas como (pero no limitadas a) el ángulo de la superficie con respecto a las luces, su distancia a las luces, su ángulo con respecto a la Propiedades de la cámara y del material (por ejemplo, función de distribución de reflectancia bidireccional ) para crear un efecto fotorrealista .
El sombreado se realiza durante el proceso de renderizado mediante un programa llamado sombreador .
El sombreado altera los colores de las caras en un modelo 3D según el ángulo de la superficie con respecto a una fuente o fuentes de luz.
La primera imagen a continuación tiene las caras de la caja renderizadas, pero todas en el mismo color. Aquí también se han representado las líneas de borde, lo que hace que la imagen sea más fácil de ver.
La segunda imagen es el mismo modelo renderizado sin líneas de borde. Es difícil saber dónde termina una cara de la caja y comienza la siguiente.
La tercera imagen tiene habilitado el sombreado, lo que hace que la imagen sea más realista y facilita ver qué cara es cuál.
Cuando un sombreador calcula el color resultante, utiliza un modelo de iluminación para determinar la cantidad de luz reflejada en puntos específicos de la superficie. Se pueden combinar diferentes modelos de iluminación con diferentes técnicas de sombreado: mientras que la iluminación indica cuánta luz se refleja, el sombreado determina cómo se utiliza esta información para calcular el resultado final. Por ejemplo, puede calcular la iluminación sólo en puntos específicos y utilizar la interpolación para completar el resto. El sombreador también puede decidir cuántas fuentes de luz tener en cuenta, etc.
Una fuente de luz ambiental representa una fuente de luz omnidireccional, de intensidad fija y de color fijo que afecta a todos los objetos de la escena por igual (es omnipresente). Durante el renderizado, todos los objetos de la escena se iluminan con la intensidad y el color especificados. Este tipo de fuente de luz se utiliza principalmente para dotar a la escena de una visión básica de los diferentes objetos que la componen. Este es el tipo de iluminación más sencillo de implementar y modela cómo la luz puede dispersarse o reflejarse muchas veces, produciendo así un efecto uniforme.
La iluminación ambiental se puede combinar con la oclusión ambiental para representar qué tan expuesto está cada punto de la escena, lo que afecta la cantidad de luz ambiental que puede reflejar. Esto produce una iluminación difusa y no direccional en toda la escena, sin proyectar sombras claras, pero sí oscureciendo las áreas cerradas y protegidas. El resultado suele ser visualmente similar a un día nublado.
La luz se origina en un solo punto y se propaga en todas direcciones.
Modela un foco : la luz se origina en un único punto y se propaga hacia afuera formando un cono .
La luz se origina en un área pequeña en un solo plano . (Un modelo más realista que una fuente de luz puntual).
Una fuente de luz direccional ilumina todos los objetos por igual desde una dirección determinada , como un área de luz de tamaño infinito y distancia infinita de la escena; hay sombras, pero no puede haber ninguna caída de distancia. Esto es como el sol .
En teoría, dos superficies paralelas se iluminan prácticamente en la misma cantidad desde una fuente de luz distante y no bloqueada, como el sol. El efecto de caída de distancia produce imágenes que tienen más sombras y, por lo tanto, serían realistas para fuentes de luz próximas.
La imagen de la izquierda no utiliza la caída de distancia. Observe que los colores en las caras frontales de las dos cajas son exactamente iguales. Puede parecer que hay una ligera diferencia donde las dos caras se superponen directamente, pero esto es una ilusión óptica causada por el borde vertical debajo de donde se encuentran las dos caras.
La imagen de la derecha utiliza la caída de distancia. Observe que la cara frontal de la caja más cercana es más brillante que la cara frontal de la caja trasera. Además, el suelo pasa de claro a oscuro a medida que se aleja.
La caída de distancia se puede calcular de varias maneras:
Durante el sombreado, a menudo se necesita una superficie normal para calcular la iluminación. Las normales se pueden calcular previamente y almacenar para cada vértice del modelo.
Aquí, la iluminación se evalúa solo una vez para cada polígono (normalmente para el primer vértice del polígono, pero a veces para el centroide de mallas triangulares), basándose en la superficie normal del polígono y en el supuesto de que todos los polígonos son planos. El color calculado se utiliza para todo el polígono, lo que hace que las esquinas se vean nítidas. Esto suele utilizarse cuando las técnicas de sombreado más avanzadas son demasiado costosas desde el punto de vista computacional. Las luces especulares se reproducen mal con el sombreado plano: si hay un componente especular grande en el vértice representativo, ese brillo se dibuja uniformemente en toda la cara. Si un punto culminante especular no cae en el punto representativo, se pasa por alto por completo. En consecuencia, el componente de reflexión especular normalmente no se incluye en el cálculo del sombreado plano.
A diferencia del sombreado plano, donde los colores cambian de forma discontinua en los bordes de los polígonos, con el sombreado suave el color cambia de un píxel a otro, lo que da como resultado una transición de color suave entre dos polígonos adyacentes. Por lo general, los valores se calculan primero en los vértices y se utiliza la interpolación bilineal para calcular los valores de los píxeles entre los vértices de los polígonos. Los tipos de sombreado suave incluyen el sombreado Gouraud [4] y el sombreado Phong . [5]
Problemas:
El sombreado Phong es similar al sombreado Gouraud, excepto que en lugar de interpolar las intensidades de luz, las normales se interpolan entre los vértices y la iluminación se evalúa por píxel. Por tanto, las luces especulares se calculan con mucha más precisión que en el modelo de sombreado de Gouraud.
El sombreado diferido es una técnica de sombreado mediante la cual el cálculo del sombreado se difiere para una etapa posterior mediante la renderización en dos pasadas, lo que potencialmente aumenta el rendimiento al no descartar costosos píxeles sombreados. La primera pasada solo captura los parámetros de la superficie (como la profundidad, las normales y los parámetros del material), la segunda realiza el sombreado real y calcula los colores finales. [6] [7] [8] : 884
Tanto el sombreado Gouraud como el sombreado Phong se pueden implementar mediante interpolación bilineal . Bishop y Weimer [9] propusieron utilizar una expansión en serie de Taylor de la expresión resultante al aplicar un modelo de iluminación e interpolación bilineal de las normales. Por tanto, se utilizó la interpolación polinomial de segundo grado . Este tipo de interpolación bicuadrática fue elaborado más detalladamente por Barrera et al., [10] donde se usó un polinomio de segundo orden para interpolar la luz difusa del modelo de reflexión de Phong y otro polinomio de segundo orden para la luz especular.
Kuij y Blake [11] utilizaron la interpolación lineal esférica ( Slerp ) para calcular tanto la normal sobre el polígono como el vector en la dirección hacia la fuente de luz. Hast [12] propuso un enfoque similar, que utiliza la interpolación de cuaterniones de las normales con la ventaja de que la normal siempre tendrá una longitud unitaria y se evita la normalización computacionalmente pesada.
En visión por computadora , algunos métodos de reconstrucción 3D se basan en el sombreado o forma a partir del sombreado . A partir del sombreado de una imagen se puede reconstruir un modelo tridimensional a partir de una única fotografía. [13]