RADIOSITY

Sebelum membahas mengenai radiosity, coba perhatikan gambar-gambar berikut ini (sumber : google).

Gambar-gambar di atas merupakan gambar di dalam ruangan yang ditampilkan dengan efek bayangan atau pantulan cahaya sehingga memberi kesan yang realistis (tampak seperti keadaan sebenarnya). Untuk menghasilkan gambar seperti di atas, dapat digunakan teknik-teknik pencahayaan yang telah banyak berkembang.

Teknik pencahayaan pada grafika 3D merupakan sebuah objek yang penting, karena dengan cahaya ini sebuah objek dapat terlihat nyata dan dapat dilakukan proses rendering.

Rendering adalah proses menangkap segala sesuatu yang ada di dalam scene termasuk geometri, material, cahaya, lingkungan serta efek-efek yang terdapat didalamnya. Sumber cahaya ini juga membuat sebuah objek menjadi lebih realistis. Sebuah sumber cahaya memiliki jenis.

1. Metode Rendering
   
   Metode rendering yang paling sederhana dalam grafika 3D :

• Wireframe rendering
  Wireframe yaitu Objek 3D dideskripsikan sebagai objek tanpa permukaan. Pada wireframe rendering, sebuah objek dibentuk hanya terlihat garis-garis yang menggambarkan sisi-sisi edges dari sebuah objek. Metode ini dapat dilakukan oleh sebuah komputer dengan sangat cepat, hanya kelemahannya adalah tidak adanya permukaan, sehingga sebuah objek terlihat tranparent. Sehingga sering terjadi kesalahpahaman antara siss depan dan sisi belakang dari sebuah objek.
  
• Hidden Line Rendering
  Metode ini menggunakan fakta bahwa dalam sebuah objek, terdapat permukaan yang tidak terlihat atau permukaan yang tertutup oleh permukaan lainnya. Dengan metode ini, sebuah objek masih direpresentasikan dengan garis-garis yang mewakili sisi dari objek, tapi beberapa garis tidak terlihat karena adanya permukaan yang menghalanginya.
  Metode ini lebih lambat dari dari wireframe rendering, tapi masih dikatakan relatif cepat. Kelemahan metode ini adalah tidak terlihatnya karakteristik permukaan dari objek tersebut, seperti warna, kilauan (shininess), tekstur, pencahayaan, dll.
  
• Shaded Rendering
  Pada metode ini, komputer diharuskan untuk melakukan berbagai perhitungan baik pencahayaan, karakteristik permukaan, shadow casting, dll. Metode ini menghasilkan citra yang sangat realistik, tetapi kelemahannya adalah lama waktu rendering yang dibutuhkan.
  
  

Pada grafika 3D dikenal beberapa macam sumber cahaya, yaitu :

• point light

memancar ke segala arah, namun intensitas cahaya yang diterima objek bergantung dari posisi sumber cahaya. Tipe ini mirip seperti lampu pijar dalam dunia nyata.

• spotlight

Memancarkan cahaya ke daerah tertentu dalam bentuk kerucut. Sumber cahaya terletak pada puncak kerucut. Hanya objek-objek yang terletak pada daerah kerucut tersebut yang akan nampak.

• ambient light

Cahaya latar/alam. Cahaya ini diterima dengan intensitas yang sama oleh setiap permukaan pada benda. Cahaya latar tersebut dimodelkan mengikuti apa yang terjadi di alam, diaman dalam keadaan tanpa sumber cahaya sekalipun, benda masih dapat dilihat.

area light

• directional light

memancarkan cahaya dengan intensitas sama ke suatu arah tertentu. Letak tidak mempengaruhi intensitas cahayanya. Tipe ini dapat menimbulkan efek seolah-olah sumber cahaya berada sangat jauh dari objek.

• parallel point

Sama dengan directional, hanya pencahayaan ini memiliki arah dan posisi.

Model dari pencahayaan, dipakai untuk menghitung intensitas dari cahaya yang terlihat dari setiap posisi pada setiap permukaan benda yang terlihat oleh kamera. Ketika melihat sebuah benda, terlihat cahaya yang dipantulkan dari permukaan benda, dimana cahaya ini merupakan intregrasi dari sumber-sumber cahaya serta cahaya yang berasal dari pantulan cahaya permukaan-permukaan yang lain. Karena itu benda-benda yang tidak langsung menerima cahaya dari sumber cahaya, masih mungkin terlihat bila menerima cahaya pantulan yang cukup dari

benda didekatnya.

Model sederhana dari sumber cahaya adalah sebuah titik sumber, dimana dari titik ini cahaya dipancarkan. Perhitungan pencahayaan bergantung pada sifat dari permukaan yang terkena cahaya, kondisi dari cahaya latar serta spesifikasi sumber cahaya.

Semua sumber cahaya dimodelkan sebagai sumber titik yang dispesifikasikan dengan :

a. Lokasi; Lokasi (x,y,z) dari sebuah sumber cahaya akan menentukan pengaruhnya terhadap sebuah objek.

b. Intensitas; Intensitas cahaya menyatakan kekuatan cahaya yang dipancarkan oleh sebuah sumber cahaya. Parameter ini merupakan angka, yang biasanya makin besar nilainya, makin terang sumber cahaya tersebut.

c. Warna; Warna cahaya dari sumber ini akan mempengaruhi warna dari sebuah objek, jadi selain warna objek tersebut warna cahaya yang jatuh pada objek tersebut akan mempengaruhi warna pada rendering. Warna cahaya ini biasanya terdiri dari 3 warna dasar grafika komputer, yaitu: merah, hijau, biru atau lebih dikenal dengan RGB.

Misalnya pantulan Phong, pelacakan sinar, HDRI, dan radiosity. Untuk pantulan Phong dan pelacakan sinar, hasil yang diperoleh kurang memuaskan karena menghasilkan model plastik yang mengambang di dalam ruang bebas kelihatan secara alami menghantarkan kepada teknik seperti bayangan dan pemetaan tekstur yang dicangkokkan pada model pantulan dasar. Berbeda dengan teknik radiosity yang hasilnya lebih baik dan tampak sempurna. Radiosity merupakan salah satu bidang dalam grafik komputer yang berhubungan dengan pencahayaan. Radiosity atau disebut juga Global Illumination (GI) adalah teknik pencahayaan virtual yang hasilnya paling realistik diantara metode-metode lain, tetapi teknik ini adalah teknik yang paling mahal, dalam arti membutuhkan waktu yang lama untuk menghasilkan hasil yang realistik. Pengertian lain juga menyebutkan bahwa

Radiosity adalah sebuah metode yang memiliki kebutuhan prosesor yang setidaknya sekuat pelacakan sinar dan ini tidak diragukan lagi dan merupakan salah satu dari alasan karena tidak adanya penyebaran seluruh grafik komputer. Seperti pelacakan sinar, setelah awal penetapan metode tersebut, penelitian yang baru saja dilakukan mengkonsentrasikan pada pengintegrasian fenomena pantuIan yang lain seperti pantulan spekular ke dalam metode tersebut. Meskipun istilah 'nyata' merupakan kata sifat yang digunakan secara berlebihan dalam grafik komputer, namun ia tidak dapat disangkal lagi bahwa metode ini menghasilkan gambar yang paling nyata dan berkesan.

Sejarah Radiosity

Metode radiosity pertama kali dikembangkan dalam pemindahan panas radiasi (Siegel dan Howell,1984) untuk menjelaskan pemindahan panas antara elemen di dalam perapian atau pada sebuah pesawat terbang.

Metode radiosity adalah sebuah algoritma ruang obyek yang menyelesaikan intensitas pada titik diskrit atau lekatan permukaan dalam sebuah lingkungan dan bukan untuk pixel di dalam sebuah proyeksi bidang gambar. Jadi penyelesaiannya tidak tergantung pada posisi objek.

Radiosity memberikan sebuah penyelesaian terhadap interaksi difusi, akan tetapi dengan mengorbankan lingkungan kedalam elemen 'largish' (yang mana pencahayaanya tetap). Pendekatan ini tidak dapat menanggulangi pantulan spekular yang tajam dan pada dasamya kita memiliki dua penyelesaian global yaitu :

pelacakan sinar (yang menangani pantulan specular global) dan radiosity (yang menangani pantulan difusi global).

Metode radiosity telah dikembangkan untuk menerangkan interaksi dari cahaya difusi antara elemen dalam sebuah gambar. Metode ini sangat bagus untuk menghasilkan gambar dari lingkungan interior, yang kebanyakan kumpulan dari obyek yang bukan spekular, dan ini menghasilkan interior yang kelihatan nyata.

Kelebihan Radiosity

Radiosity dapat mensimulasikan efek – efek cahaya dalam kehidupan sehari – hari. Contohnya :

1. soft-shadow (Bayangan dalam kehidupan nyata yang tidak terlalu tampak gelap tetapi semu).
   
   
2. Color – Bleed (Pendekatan 2 benda yang warnanya kontras maka warna salah satu benda akan menyebrang kebenda lain).
   
   
3. Ambient Occlusion (AO), contohnya pencahayaan tidak langsung dan bayangan yang dihasilkannya.

Kekurangan Radiosity

1. Membutuhkan biaya yang mahal.
   
   
2. Membutuhkan waktu yang lama untuk menghasilkan hasil yang realistik.
   
   
3. Membutuhkan kapasitas memory yang besar.

Pilihan algoritma dasar di dalam metode radiosity adalah sebagai berikut:

Gathering

Sebuah matriks dari faktor bentuk dihitung, disimpan, dan digunakan dalam sebuah penyelesaian Gauss-seidel tradisional. Jika penyelesaian tersebut dipandang begitu ia berlangsung, radiosity

lekatan yang diperkirakan diperbaharui di dalam urutan mereka dalam rumusan matriks.

Shooting

Cahaya dari masing-masing lekatan ditembakkan kedalam lingkungan dan seluruh gambar diperbaharui untuk masing-masing iterasi. Pendekatan ini dioptimisasi secara visual dengan memperlakukan lekatan dalam urutan yang memperhitungkan jumlah energi yang mereka pancarkan.

Shooting dan ambient

Sebuah suku ambient kini dicantumkan dengan demikian maka perkiraan awal dapat dilihat. Pada masing-masing iterasi mutu dan ketelitian penyelesaian bertambah dan pecahan ambient dikurangi.

Radiosity hibrida dan pelacakan sinar

Metode radiosity standar menyediakan sebuah penyelesaian untuk interaksi dari permukaan difusi di dalam sebuah lingkungan tertutup. Jika metode radiosity tersebut menjadi sebuah teknik sintesa gambar standar, maka ia harus mencantumkan pemodelan fenomena spekular. Wallace, Cohen, dan Greenberg (1987) melakukan ini dengan menggabungkan pelacakan sinar dan memisahkan metode tersebut menjadi sebuah pendekatan dua-lewatan.

Metode radiosity pertama kali diperluas dengan mencantumkan interaksi spekular oleh Immel, Cohen, dan Greenberg (1986) yang menggabungkan sebuah fungsi pantulan dua arah kedalam persamaan radiosity dasar dan mengambil sebuah penyelesaian yang tidak tergantung pada pandangan terhadap antar pantulan spekular. Akan tetapi, pendekatan ini menghasilkan biaya tambahan komputasi yang sangat besar untuk segala sesuatu namun gambar sederhana, karena di dalam sebuah penyelesaian yang tidak tergantung pada pandangan, meskipun pencahayaan difusi berubah relatif lambat pada sebuah permukaan, sub-pembagian yang teliti diperlukan untuk interaksi specular. Di dalam pendekatan dua-lewatan Wallace, lewatan yang pertama adalah perhitungan dari sebuah penyelesaian yang tidak tergantung pada sebuah penyelesaian radiosity yang ditingkatkan. Sifat alami dari interaksi antara dua permukaan dan mencantumkan interaksi difusi ke difusi, specular ke difusi, dan specular ke specular. Pendekatan dua-lewatan yang tidak tergantung pada pandangan/tergantung pada pandangan diistilahkan 'preprocess' dan 'postprocess'.

Preprocess ditingkatkan dengan mencantumkan transmisi difusi (translucency) dan transpot specular- ke-difusi. Metode radiosity dasar dengan menggunakan sebuah hemicube untuk penentuan faktor bentuk kemudian digunakan.

Postprocess menggunakan pelacakan sinar yang tidak tergantung pandangan yang memperhitungkan interaksi specular-ke specular dan interaksi difusi-ke-specular. Translucency diimplementasikan dengan menggunakan sebuah hemicube pada belakan seperti halnya permukaan depan, yang memungkinkan arah balik seperti halnya faktor bentuk maju dihitung.

Jadi, di dalam preprocess, atau penyelesaian yang tidak tergantung pada pandangan, transport specular diperhitungkan, namun hanya sampai pada perluasan tertentu untuk menghitung komponen difusi secara teliti. Postprocess atau tergantung pada pandangan memperlakukan mekanisme specular ke specular dan difusi ke specular dengan menggunakan sebuah pendekatan pelacakan sinar. Pelacakan sinar normal, tentu saja, memperlakukan transfer specular-ke-specular. Untuk menghitung mekanisme difusi-ke-specular dengan benar, pengintegrasian intensitas cahaya yang datang harus dilakukan pada seluruh belahan bola pada titik yang ditinjau, diberi bobot dengan sifat pantul specular dua arah. Akan tetapi, Wallace, Cohen, dan Greenberg (I 987) membuat anggapan bahwa hanya sebagian kecil dari sinar yang datang pada belahan bola yang andil terhadap tonjolan specular yang meninggalkan. Mereka menggunakan sebuah frustum pantulan persegi untuk meniru tonjolan specular dan metode ini juga menggabungkan mekanisme specular ke specular . Intensitas difusi yang datang kepada masing-masing frustum pantulan dihitung dengan interpolasi linear dari intensitas puncak lekatan yang tidak tergantung pada pandangan / preprocess.

Frustum pantulan diimplementasikan secara geometri sebagai sebuah piramida persegi yang ujung permukaannya dibagi kedalam n x n pixel. Permukaan yang dapat dilihat ditentukan dengan menggunakan sebuah algoritma penyangga-Z yang biasa dengan resolusi yang sangat rendah sekitar l0 x 10 pixel.

Intensitas yang datang yang dilihat melalui sebuah pixel frustum pantulan'hanya intensitas permukaan yang dilihat oleh pixel tersebut, jadi, intensitas tersebut dihitung di dalam fase preprocess / tidak tergantung pada pandangan.

Jika sebuah permukaan yang dapat dilihat adalah specular, maka proses tersebut diterapkan secara rekursif sebagaimana dalam pelacakan sinar normal. Intensitas yang datang yang mengalir melalui masing-masing pixel dijumlahkan untuk meniru sebaran specular dan dapat juga dijadikan subyek pada sebuah fungsi pembebanan yang menirukan bentuk sebaran specular. Wallace membatasi jumlah pekerjaan yang harus dilakukan pada tahap ini dengan pembatasan kedalaman rekursif dimana proses tersebut beroperasi dan juga dengan pengurangan resolusi pixel pada permukaan ujung dari frustum pantulan sebagai sebuah fungsi kedalaman lacakan.