Cor, texturas, visibilidade e sombras

A iluminação calcula um número por ponto; esta página transforma-o em imagem final. A cor diz como representar esse número, as texturas vestem a geometria com detalhe sem geometria extra, e a visibilidade com as sombras decidem o que chega ao ecrã. São quatro mecanismos independentes que se combinam no mesmo fragmento.

Cor: perceção e modelos

O olho tem recetores para três gamas de comprimentos de onda, e por isso três números chegam para descrever uma cor. O modelo RGB soma luz vermelha, verde e azul: $(1, 1, 1)$ é branco e $(0, 0, 0)$ é preto. É aditivo porque parte do escuro do ecrã apagado. Para imprimir vale o contrário: o modelo CMYK subtrai do branco do papel com tintas ciano, magenta, amarela e preta. Quando precisas de escolher cores, o modelo HSV (matiz, saturação, valor) é mais intuitivo: rodas o matiz para mudar a cor, baixas a saturação para a desmaiar e baixas o valor para a escurecer.

Um aviso prático: aritmética ingénua em RGB não preserva o brilho percebido, porque o olho é mais sensível ao verde que ao azul. É por isso que converter para cinzento usa pesos e não a média simples.

Texturas

Uma textura é uma imagem colada na superfície: cada vértice recebe coordenadas UV e cada fragmento interpola as suas, lendo o texel correspondente. Assim um cubo de 12 triângulos pode mostrar tijolos, madeira ou texto sem um único vértice extra.

O mapeamento de um fragmento com $UV = (0{,}37,\ 0{,}62)$ numa textura de $256 \times 256$ cai no texel:

$$(\lfloor 0{,}37 \times 256 \rfloor,\ \lfloor 0{,}62 \times 256 \rfloor) = (94,\ 158),$$

porque $0{,}37 \times 256 = 94{,}72$ e $0{,}62 \times 256 = 158{,}72$. Ler só esse texel (nearest) é rápido mas tremido quando a superfície se move; a filtragem bilinear mistura os quatro vizinhos e a mipmapping escolhe uma versão reduzida da textura conforme a distância, o que elimina o tremido ao longe. O preço é memória: a pirâmide de mipmaps ocupa cerca de mais um terço.

Visibilidade

Com objetos sobrepostos, cada píxel deve mostrar só o mais próximo. O z-buffer resolve isto com uma conta por fragmento: guarda a profundidade de cada píxel e só desenha o fragmento se ele estiver mais perto que o guardado. É simples, funciona em qualquer ordem de desenho e custa uma comparação mais uma escrita por fragmento.

Antes disso, o backface culling já eliminou as faces traseiras usando a orientação dos vértices que viste nas malhas. A ordem típica é: descarta o que está fora do enquadramento, descarta faces traseiras e resolve o resto com o z-buffer.

Sombras projetadas

O shadow mapping reutiliza a mesma ideia para a luz: renderiza a cena do ponto de vista da fonte e guarda as profundidades num mapa de sombras. Depois, para cada fragmento visível, compara a sua distância à luz com a guardada. Um fragmento a distância $0{,}45$ da luz, quando o mapa guarda $0{,}42$ na mesma direção, está atrás de alguma coisa: está na sombra e só recebe a parcela ambiente. Na prática soma-se um pequeno enviesamento (bias) à comparação para evitar artefactos de precisão, porque duas profundidades quase iguais não devem decidir sombra por ruído numérico.

Ver o raciocínio da sombra

Imagina a luz como uma câmara que só mede distâncias. O mapa de sombras diz, para cada direção, onde está o objeto mais próximo da luz. Se o teu fragmento estiver mais longe que esse valor, há um objeto no caminho e a luz direta não chega lá. Tudo o resto, incluindo a luz ambiente e reflexos, continua a aplicar-se normalmente.