PDF de programación - WILI: SISTEMA DE ANÁLISIS DE ILUMINACIÓN ADAPTATIVO PARA APLICACIONES DE REALIDAD AUMENTADA

WILI: SISTEMA DE ANÁLISIS DE ILUMINACIÓN ADAPTATIVO PARA

APLICACIONES DE REALIDAD AUMENTADA

UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA
ESCUELA SUPERIOR DE INFORMÁTICA

INGENIERÍA

EN INFORMÁTICA

PROYECTO FIN DE CARRERA

WILi: Sistema de Análisis de Iluminación Adaptativo para

Aplicaciones de Realidad Aumentada

Jorge Barco Moreno

Septiembre, 2011

UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA
ESCUELA SUPERIOR DE INFORMÁTICA

Departamento de Tecnologías y Sistemas de Información

PROYECTO FIN DE CARRERA

WILi: Sistema de Análisis de Iluminación Adaptativo para

Aplicaciones de Realidad Aumentada

Autor:
Director: Dr. Carlos González Morcillo

Jorge Barco Moreno

Septiembre, 2011

Jorge Barco Moreno

Ciudad Real – Spain

[email protected], [email protected]

E-mail:
Web site: wiliproject.quijost.com
c 2011 Jorge Barco Moreno

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TRIBUNAL:

Presidente:

Vocal 1:

Vocal 2:

Secretario:

FECHA DE DEFENSA:

CALIFICACIÓN:

PRESIDENTE

VOCAL 1

VOCAL 2

SECRETARIO

Fdo.:

Fdo.:

Fdo.:

Fdo.:

Resumen

La Realidad Aumentada puede definirse como un novedoso paradigma de interacción que
consiste en la integración de imágenes sintéticas 3D generadas por ordenador con la imagen
captada del mundo físico en tiempo real.

Este campo de la informática gráfica está experimentado un importante crecimiento en los
últimos años, llegando a tener una influencia representativa en el mercado y comenzando a
estar presente en la vida cotidiana.

Para maximizar la correcta integración de los objetos virtuales en el mundo real es necesa-
rio emplear métodos de síntesis de imagen realista que simulen adecuadamente el modelo de
interacción física de la luz. El principal problema asociado con estos algoritmos de rendering
realista es su elevado coste computacional.

El presente Proyecto de Fin de Carrera llamado WILi (Where Is Light?) surge con el ob-
jetivo principal de aplicar métodos de síntesis de imagen realista y cálculo de iluminación
en aplicaciones de Realidad Aumentada. A diferencia de otras aproximaciones, WILi emplea
métodos de precálculo de texturas hiperrealistas para obtener en cada instante la configura-
ción que mejor se ajusta a las condiciones de iluminación del mundo físico. Para ello, obtiene
las características básicas de los focos de iluminación principales del mundo real para inte-
grar posteriormente los modelos virtuales de un modo más realista. Con el fin de superar
los requisitos de interactividad de las aplicaciones de Realidad Aumentada, las etapas de
análisis, de iluminación y de despliegue del modelo se realizan en tiempo real.

La arquitectura modular de WILi permite emplear diferentes algoritmos y métodos de sín-
tesis de imagen realista para su adaptación a diversos proyectos de Realidad Aumentada. El
módulo de análisis de iluminación podrá ser mejorado (sin cambios en el resto de compo-
nentes del sistema) y soportar un mayor número de propiedades de los focos de iluminación
(color, intensidad, borrosidad, etc.). Para finalizar, la capa de representación permite desple-
gar modelos tridimensionales con mapeado UV de diferente nivel de detalle.

IX

Abstract

Augmented Reality can be defined as a new integration paradigm where 3D sintetic images

created by computer are integrated with the physic world image catch in real time.

This computer graphics field is undergoing an important growth recently, reaching a big

influence in markets and starting to take part of our daily lifes.

To maximize the successful integration of virtual objects in the real world is necessary to
use methods for realistic image synthesis that simulates adequately the physical light inter-
action model. The main problem associated with these realistic rendering algorithms is the
high computational cost.

This End of Degree called WILI (Where Is Light?) uses hyper-realistic textures precalculus
methods to get the best setup according to physical world light. In order to do this, it gets the
the basic features of the main light sources in real-world to integrate the virtual models in a
more realistic way. Besides, the analysis stages, lighting and deployment model are done in
real time.

The WILi’s modular architecture allows using different algorithms and methods for realis-
tic image synthesis to be used in various Augmented Reality projects. The analysis module
would be improved (without changes in other system components) and will support a greater
number of light properties (color, intensity, blur, etc.). Finally, the representation layer allows
deploying 3D models with UV mapping using different detail levels.

XI

Índice general

Resumen

Abstract

Índice general

Índice de cuadros

Índice de figuras

Índice de listados

1. Introducción

1.1. Realidad aumentada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.

Impacto socio-económico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3. Realismo en aplicaciones de Realidad Aumentada . . . . . . . . . . . . . .

1.4. Problemática

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1.5. Estructura del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Antecedentes

2.1. Fundamentos matemáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.1. Teoría vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.2. Teoría matricial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2. Síntesis de imagen realista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1. Modelos de iluminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.2. Proyección de texturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XIII

IX

XI

XIII

XVII

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XXI

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1

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11

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21

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23

XIV

ÍNDICE GENERAL

2.2.3. Modos de proyección de sombras

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.4. Bibliotecas para síntesis de imagen interactiva . . . . . . . . . . . .

2.3. Visión por computador

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2.3.1. Definición de contornos

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2. Gestión de histogramas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4. Suites de gráficos 3D .

2.4.1. Características

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2.4.2. 3ds Max .

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2.4.3. LightWave .

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2.4.4. Maya . .

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2.4.5. Rhino 3D . .

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2.4.6. Blender .

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2.4.7. Comparativa .

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2.4.8. Conclusión .

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3. Objetivos

4. Método de trabajo

4.1. Metodología de trabajo .

4.2. Herramientas

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4.2.1. Lenguajes de programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.2. Hardware . .

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4.2.3. Software

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5. Arquitectura

5.1. Descripción general .

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5.2. Subsistema de precálculo de iluminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.1. Módulo Baker

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5.2.2. Módulo de entrada/salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3. Subsistema de análisis

.

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5.3.1. Módulo de tratamiento gráfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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67

ÍNDICE GENERAL

XV

5.3.2. Módulo de visión por computador . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3.3. Módulo de gestión de texturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3.4. Módulo controlador

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3.5. Módulo de depuración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4. Subsistema de representación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.1. Módulo de entidades 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.2. Módulo de entidades 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6. Evolución, Resultados y Costes

6.1. Evolución del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.1.

Infraestructura para la metodología

. . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.2. Concepto del software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.3. Análisis preliminar de requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.4. Diseño general

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