Arquitectura em Tempo Real: Utilização de Motores de Jogo para Visualização de Arquitectura

May 24, 2017 | Autor: Luís Tarrafa | Categoria: Architecture, Real-time rendering, Game Engines, Archviz
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ARQUITECTURA EM TEMPO REAL: UTILIZAÇÃO DE MOTORES DE JOGO PARA VISUALIZAÇÃO DE ARQUITECTURA

Luís Tarrafa Mestrado em Som e Imagem Especialização em Animação por Computador

Orientador Prof. Doutor Gonçalo de Vasconcelos e Sousa

Revisão por Prof.ª Doutora Sahra Kunz

Escola das Artes Universidade Católica Portuguesa – Centro Regional do Porto [email protected] Porto, Novembro de 2015

ARQUITECTURA EM TEMPO REAL: UTILIZAÇÃO DE MOTORES DE JOGO PARA VISUALIZAÇÃO DE ARQUITECTURA

Luís Tarrafa Mestrado em Som e Imagem Especialização em Animação por Computador

Orientador Prof. Doutor Gonçalo de Vasconcelos e Sousa

Revisão por Prof.ª Doutora Sahra Kunz

Escola das Artes Universidade Católica Portuguesa – Centro Regional do Porto [email protected] Porto, Novembro de 2015

RESUMO Com a evolução dos motores de jogo e das tecnologias que os compõem, a criação de ambientes virtuais interactivos é hoje em dia uma prática comum. Após a introdução da tecnologia Physically Based Rendering, tornou-se possível a visualização de arquitectura com aspecto fotorrealista em tempo real, que pode vir a fazer parte do fluxo de trabalho da maioria das empresas, não só na arquitectura, mas também no ensino, saúde, design ou turismo. Palavras-chave: arquitectura, motor de jogo, fotorrealismo, interactividade

ABSTRACT With the evolution of game engines and the technologies they are composed of, the creation of interactive virtual environments is nowadays a common practice. After the introduction of Physically Based Rendering technology, photorealistic real-time architecture visualization has become possible, and may someday become a part of the workflow in most companies, not only in architecture, but also in teaching, health, design or tourism. Keywords: architecture, game engine, photorealism, interactivity

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ARTIGO A arquitectura e a computação gráfica são duas áreas que, originalmente operando em campos distintos, estão cada vez mais interligadas. Com a evolução da tecnologia, são criadas novas ferramentas e possibilidades na computação gráfica, que podem – e devem – ser exploradas não só pelo artista gráfico, mas também por qualquer área que possa tirar proveito dos resultados dessas ferramentas. Uma vertente da arquitectura que tem vindo a tornar-se mais presente com essa evolução é a visualização de arquitectura1, que consiste na criação de modelos computorizados, geralmente tridimensionais, que podem ser utilizados para efeitos de conceptualização, planeamento ou apresentação ao público de uma obra arquitectónica. Este tipo de visualização é importante, já que o cérebro humano tem uma maior facilidade em memorizar experiências e imagens do que conceitos em formato de texto ou desenhos técnicos como plantas ou alçados2 (Kolb: 1984 apud Schroeder: 2011). Apesar de já desde o final do século XIX existirem ecrãs que conseguem mostrar imagens, como o utilizado pelos irmãos Lumière para a projecção da sua primeira filmagem em 1895 (Walters: 2002), a computação gráfica pode também envolver interactividade. Douglas T. Ross, um pioneiro americano de ciência computacional, criou em 1954 o primeiro uso de interactividade na computação gráfica através de um programa que capturava o movimento do seu dedo e o traduzia para uma imagem vectorial num ecrã (Aspray: 1984). Outro pioneiro na adaptação da computação gráfica a áreas até então inexploradas foi o realizador George Lucas, que introduziu a utilização de efeitos visuais no mundo do cinema através de modelos virtuais tridimensionais, ao lançar os famosos filmes da série Guerra das Estrelas3, em 1977 (Lobo: 2014). Como referido pelos representantes da Neoscape, uma empresa com mais de 20 anos de experiência na área de visualização de arquitectura, “The influence of architectural visualization in 3D computer graphics is so strong that it has affected the growth and development of render engines themselves, and brought a new wave of real-time

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Também conhecida por ArchViz (Architecture Visualization) Representação do plano vertical da fachada do edifício 3 Título original: Star Wars 2

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incarnations aimed straight at ArchViz projects.” (MacLeod et al: 2012, para. 2). Essa influência levou à criação de aplicações especializadas para ligar a arquitectura e a computação gráfica, como é o caso dos referidos motores de renderização 4, mas também aplicações específicas de criação de plantas de edifícios, telhados, terrenos, ambientes urbanos, modelos paramétricos, céus, multidões, entre outros (Ramos: 2015). A visualização de arquitectura com o objectivo de ser apresentada ao público, como podemos ver geralmente em catálogos ou lojas digitais, é gerada através da criação de modelos tridimensionais. Estes modelos são criados utilizando software próprio para o efeito tal como o Maya da Autodesk ou o Blender, que serão posteriormente transformados em imagens bidimensionais através de um motor de renderizaçãoque calcula a interacção da luz com o objecto virtual. Esses motores utilizam métodos denominados pré-renderização, visto que as imagens resultantes do processo são geradas antecipadamente, para serem utilizadas mais tarde. Estes métodos são mais ou menos demorados dependendo dos motores e computadores usados e da quantidade de cálculos envolvidos no processo – regra geral, quanto mais realista for o resultado pretendido, mais cálculos terão que ser realizados – podendo levar mais de um dia a gerar apenas uma imagem, como sucedeu durante a renderização do filme Monsters University da Pixar (Bettinger: 2013). A utilização de imagens estáticas para visualização de arquitectura, apesar de poder produzir resultados fotorrealistas, por vezes não consegue capturar o espaço ou o funcionamento de um edifício da maneira mais adequada (Rawn: 2015). O método alternativo frequentemente utilizado consiste em criar vídeos de apresentação, através da geração e posterior reprodução de várias imagens de forma sequencial de modo a dar a sensação de movimento, processo esse que geralmente obriga à renderização de 25 a 30 imagens para cada segundo de vídeo, o que poderá ser excessivamente demorado, tendo em conta os curtos prazos impostos pela maioria das empresas.

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Aplicação que transforma os modelos tridimensionais numa imagem bidimensional

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Fig. 1 – Imagens do videojogo The Last of Us para a consola Playstation 3, geradas por métodos de pre-renderização (em cima) e renderização em tempo real (em baixo) (ext. de Imtiaz: 2014)

Desde o início do século XXI, várias empresas de desenvolvimento de motores de jogo5 tridimensionais disponibilizaram as suas aplicações ao público através da criação de versões menos dispendiosas das mesmas. Esta iniciativa criou alguma curiosidade, nomeadamente na comunidade gamer, que levou à formação quase autodidacta de vários utilizadores dessas ferramentas, e à criação de comunidades digitais na internet dedicadas à discussão e entreajuda, para criadores de vídeojogos. Os motores de jogo mais utilizados hoje em dia são o Unity 5 da Unity Technologies, o Unreal Engine 4 (sucessor do UDK6) da Epic Games e o CryENGINE da Crytek (Masters: 2015), e todos eles incluem a

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Game engines – software especializado para a criação de videojogos Unreal Development Kit

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funcionalidade de poder exportar o produto final para várias plataformas, como dispositívos móveis, computadores, navegadores da internet, ou consolas, bastando para isso que sejam efectuadas pequenas alterações relacionadas com a compatibilidade e interacção entre utilizador e máquina (assumindo que o fluxo de trabalho utilizado durante o desenvolvimento do projecto foi planeado tendo em vista esse objectivo). Com o aparecimento de uma maior oferta de profissionais com conhecimentos de desenvolvimento em motores de jogo, foram surgindo projectos inovadores fora do âmbito dos videojogos, que utilizam as potencialidades dos motores de jogo – como os seus simuladores de física integrados e a capacidade de gerar várias imagens por segundo – para projectos nas áreas mais variadas, como a física, medicina, ensino e arquitectura, passando pela criação de programas de treino de pilotos de avião, tratamento de fobias, e visita virtual de locais de interesse histórico ou turístico (Esteves: 2009). O conceito de visualização de arquitectura em tempo real envolve a utilização de motores de jogo para a criação de aplicações interactivas que mostram ambientes virtuais tridimensionais realistas. Desta forma, o utilizador poderá navegar e interagir com o ambiente criado, obtendo uma experiência mais rica e com mais profundidade e criando uma sensação de integração com o ambiente, que poderá ser ainda mais evidenciada através da utilização de equipamento adicional, como óculos de realidade virtual – “Presence is defined as the subjective experience of being there, and is a psychological phenomenon that resides in the perceptions of the user” (Bostan: 2009 apud Schroeder: 2011, p. 10). Uma das inovações da tecnologia que suscitou um enorme interesse na comunidade de artistas de visualização de arquitectura, foi a inclusão de um novo método de renderização nos motores de jogo: o Physically Based Rendering (PBR). A partir de 2014, as empresas de motores de jogo mais populares lançaram novas versões das suas aplicações que incluíam esta nova tecnologia, que permite a geração de imagens em tempo real com um nível de realismo comparável a um motor de pré-renderização.

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Fig. 2 - Exemplo de dois materiais criados através da tecnologia PBR (ext. de Walker: 2014)

A maioria dos métodos de renderização funciona através do cálculo da forma como a luz interage com os modelos virtuais (Shirley: 2013). A novidade introduzida pelo PBR é a forma como esses cálculos são feitos, baseando-se, entre outras coisas, no conceito de conservação de energia, e em cálculos da interacção da luz com o ambiente baseados em física do mundo real (Burley: 2012), que cria resultados semelhantes aos que seriam encontrados num ambiente real afectado por uma iluminação idêntica. Apesar de a introdução do PBR em motores de jogo ser uma novidade tecnológica, este já existia previamente em motores de pré-renderização. Alguns projectos relacionados com visualização de arquitectura em tempo real, tal como o Hyatt Resort7 (2006), foram lançados antes da introdução do PBR nos motores de jogo disponibilizados ao público, mas foi nessa altura que se gerou um maior interesse a nível global do uso de aplicações interactivas para áreas relacionadas com arquitectura – não necessariamente através da utilização da tecnologia PBR, ainda muito recente e inexplorada. É esse o caso, por exemplo, do IKEA Home Planner8 (2014), que apesar de ter um aspecto

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Projecto da empresa Tetravol - http://www.tetravol.com/Company-Eng.html (consultado a 28 de Novembro de 2015) 8 Projecto da empresa IKEA - http://kitchenplanner.ikea.com/JP/UI/Pages/VPUI.htm?Lang=en-GB (consultado a 28 de Novembro de 2015)

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pouco realista e não usar a tecnologia PBR, foi lançado na mesma altura que os demais projectos de modo a situar-se a par com as modas e procuras do público alvo. Outros projectos relevantes, lançados em 2015 com a utilização dos actualizados motores de jogo e tecnologia PBR são: London Apartment9, Winter Chalet10 e Gorgeous Arch-Viz in Unity 511. Com estes projectos, foram também surgindo ferramentas e aplicações paralelas que visam resolver problemas relacionados com o fluxo de trabalho envolvido na criação de um projecto deste tipo – um exemplo que se enquadra nesta categoria é o projecto Real-Time 3D ArchViz (2015), que permite a um artista 3D criar um ambiente de arquitectura interactivo utilizando o motor de jogo Unity 5 e a tecnologia PBR, sem para isso ter necessidade de adquirir conhecimentos de programação em motores de jogo ou contratar um profissional especificamente para o efeito (Ramos: 2015).

A visualização de arquitectura em tempo real pode parecer uma ideia interessante para a maioria das pessoas, sendo uma tecnologia relativamente recente e ainda pouco explorada. Existem casos em que foram pagos até 95 mil dólares por uma “visita” interactiva ao interior de um apartamento de luxo no valor de 20 milhões de dólares, já que para os futuros compradores era importante conseguir ter a experiência de caminhar pelo seu futuro apartamento antes de pagar para o construir (Brownstone: 2014). A criação de ambientes virtuais tridimensionais foto-realistas é um processo demorado, e a imposição de prazos de entrega demasiado curtos num projecto irá reduzir o nível de realismo do mesmo (Schroeder: 2013), o que irá, por sua vez, afectar a experiência do utilizador final. Na produção pelo método habitual, utilizando motores de prérenderização, não há necessidade de modelar todo o edifício e os seus conteúdos, já que apenas parte dele será visto nas imagens finais, ao contrário do rendering em tempo real, que exige a modelação do edifício e seus conteúdos na íntegra e em pormenor (Schroeder: 2013), de modo a possibilitar que o utilizador explore todo o ambiente sem perder a sensação de realismo. É ainda necessária a contratação de profíssionais especializados para o

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Projecto da empresa UE4Arch - http://ue4arch.com/ (consultado a 28 de Novembro de 2015) Projecto da empresa XOIO Studios - http://xoio.de/ (consultado a 28 de Novembro de 2015) 11 Projecto de Alex Lovett - http://blogs.unity3d.com/2015/02/24/gorgeous-arch-viz-in-unity-5/ (consultado a 28 de Novembro de 2015) 10

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desenvolvimento de aplicações interactivas em motores de jogo, já que estes exigem conhecimentos específicos, tais como a programação de aplicações numa determinada linguagem ou a interacção com blueprints12, que são capacidades raramente encontradas num arquitecto ou artista gráfico (Ramos: 2015). Devido ao facto de a utilização de motores de jogo ainda não ser uma norma nas áreas relacionadas com a arquitectura, os projectos inovadores tendem a ser olhados com alguma dúvida (Varney: 2007 apud Schroeder: 2011), desacreditados pela falta de compreensão das potencialidades das ferramentas (Schroeder: 2013), ou alvo de preconceito por serem produzidos através de uma ferramenta originalmente utilizada para criar videojogos (Conway: 2011). Um elemento que é geralmente interpretado como um obstáculo é o método de interacção com o ambiente, que é feito através do rato e das teclas W, A, S e D do computador, modelo que foi estandardizado pelo mercado dos videojogos e é utilizado pela grande maioria dos jogos de acção na primeira pessoa13. Esse modelo, apesar de ser bastante comum e intuitivo, poderá causar confusão nos utilizadores que não estejam familiarizados com o seu uso, algo que geralmente acontece com pessoas de mais idade (Schroeder: 2013), no entanto, faz sentido que seja esse o modelo a utilizar, já que uma aplicação interactiva de visualização de arquitectura deverá ser bastante idêntica a um jogo na primeira pessoa, que é claramente o tipo de interacção mais indicado por ser o único com as características necessárias para criar no utilizador uma imersividade e experiência convincente e efectiva (Conway: 2011). A utilização de equipamento de realidade virtual sempre foi muito aliciante, porém, os aparelhos utilizados para este efeito até ao final da primeira década do século XXI tinham bastantes limitações, como é o caso dos acessórios denominados head-mounted display (HMD), que são dispositivos no formato de capacetes ou óculos que contêm pequenos monitores em frente aos olhos do utilizador, auscultadores e sensores de movimento, e que até essa data tinham um campo de visão muito reduzido (entre 25 e 50º, comparativamente aos 180º alcançados pelo campo de visão humano) e suportavam apenas imagens de resolução tão baixa que por vezes era possível distinguir os pixels individuais que a 12 13

Sistema de programação visual incluído no motor de jogo Unreal Engine 4 First-Person Shooter, jogo em que o plano de câmara utilizado visa representar a visão do próprio

jogador

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constituíam. Nos equipamentos mais recentes como o Oculus Rift, esses problemas já não existem, mas apesar de ser verdade que podem ser criadas experiências com um nível de imersão excepcional no ambiente virtual, ainda existem certos obstáculos à comercialização global dos mesmos, como a possibilidade de provocar em algumas pessoas um efeito semelhante ao enjoo causado ao andar de barco ou de automóvel, podendo até chegar ao ponto de induzir náusea e vómitos (Schroeder: 2011). Apesar disso, os ambientes interactivos de visualização de arquitectura podem trazer vantagens até agora inexploradas para os vários tipos de mercado interessados nessas aplicações. Por exemplo, ao criar imagens estáticas ou um vídeo de demonstração para uma imobiliária ou empresa da área de decoração de interiores, grande parte dos electrodomésticos e mobiliário que são vistos nas imagens são, geralmente, versões digitais modeladas de produtos reais de empresas verdadeiras. No entanto, é raro encontrarmos publicidade a essas empresas numa imagem estática ou durante a reprodução de um vídeo, já que o objecto em foco no mesmo será a própria decoração ou o edifício, e não a venda dos produtos nele contidos. Além disso, a introdução de elementos visuais integrados na imagem ou no vídeo para efeitos de publicidade, iria, na maioria dos casos, prejudicar o aspecto estético do mesmo, reduzindo a qualidade visual do produto principal, e prejudicando tanto a imagem da empresa que encomendara a imagem ou vídeo, como a empresa a ser publicitada. Através da utilização de interactividade nas visualizações de arquitectura, a publicidade às empresas e produtos envolvidos no ambiente que estamos a visualizar tornase uma opção viável que poderá ser explorada. Uma das opções possíveis, seria criar um método de interacção com os objectos existentes no cenário (através de um clique do rato, por exemplo), que mostraria informação acerca do mesmo, de um modo visual apelativo, e sem prejudicar a sensação de presença e envolvimento no ambiente por parte do utilizador (Ramos: 2015). Os motores de jogo podem ser utilizados para a criação de ambientes virtuais para empresas das mais diversas áreas, como arquitectura, design de interiores, fabricantes e revendedores de mobiliário, imobiliárias, entre outras áreas relacionadas com arquitectura e decoração. Além disso, várias outras áreas estão também a ser afectadas pelo interesse

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gerado por esta tecnologia, como a criação de museus virtuais (Lepouras; Vassilakis: 2004 apud Schroeder: 2011), aplicações ligadas à educação segura de técnicos de laboratório para prevenir acidentes de trabalho (Bell; Folger: 2003 apud Schroeder: 2011) e o uso do PBR para criação de ambientes que possibilitam a criação e teste de algoritmos de tomografia, tais como o Maximum-Likelihood Expectation Maximization (ML-EM) ou o Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique (SART), o que facilita o rápido desenvolvimento e teste de novos algoritmos com uma grande variedade de configurações e parâmetros (Bergner: 2005). Podemos contar entre os casos de sucesso o exemplo de Kevin Conway (2011), que, ao realizar um projecto onde tinha que apresentar várias propostas de design para uma coffeeshop em Shanghai, criou uma visualização interactiva em Unreal Engine 2 que mostrava uma rua virtual fictícia onde se podiam ver as várias propostas que tinha elaborado para o aspecto visual dos estabelecimentos. Durante a apresentação, foi ele próprio que interagiu com a aplicação que tinha criado, enquanto os clientes observavam uma projecção desta num ecrã e lhe davam indicações do que queriam ver. Desta forma, conseguiu expôr as suas ideias com mais clareza, e os clientes consideraram essa alternativa muito mais eficiente e perceptível do que a utilização de maquetes14, já que assim conseguiam visualizar o edifício como se fosse uma estrutura em tamanho real, ao contrário de apenas uma miniatura. Quando uma empresa pretende comercializar vários imóveis idênticos, é comum a utilização de uma casa-modelo: um edifício ou lote construído propositadamente para fins demonstrativos. Este processo tem muitos gastos associados, tanto na sua construção como posteriormente em impostos e manutenção. Uma prática que começa a tornar-se mais frequente é a substituição da casa-modelo por uma casa virtual interactiva. Ao utilizar casas virtuais para demonstrar os produtos que têm para venda, as empresas poupam bastante nos custos de construção e manutenção dos imóveis reais (Sullivan: 2010 apud Schroeder: 2011).

É ainda incerto se a utilização de motores de jogo na visualização de arquitectura é apenas uma moda motivada pela novidade da tecnologia ou uma ferramenta útil cujo uso se 14

É uma prática comum em áreas relacionadas com arquitectura criar uma maquete em tamanho reduzido de um edifício, de modo a poder apresentar ao cliente uma demonstração física do resultado pretendido.

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tornará estandardizado no mercado de trabalho no futuro, mas, como podemos verificar, é sem dúvida um elemento que não pode passar despercebido e exige ser explorado e testado. Tendo em conta que à data de escrita deste documento ainda só se passou pouco mais de um ano desde a introdução do PBR nos motores de jogo disponibilizados ao público, é bastante provável que venham a surgir em breve novas aplicações e ideias criativas para o uso desta tecnologia, que apesar de já se estar a integrar aos poucos e poucos no fluxo de trabalho de algumas empresas, poderá vir a ser utilizada a um nível muito mais abrangente, e em áreas distintas, como a medicina e o ensino. As tecnologias relacionadas com realidade virtual e fotorrealismo provocam a curiosidade da generalidade das pessoas, independentemente da idade, sexo ou área profíssional. A exploração de mundos virtuais já tem sido procurada, tanto em jogos como a série Grand Theft Auto da Rockstar Games (1997 em diante) como em comunidades virtuais como é o caso do Second Life da Softonic (2003), mas nunca em ambientes fotorrealistas na primeira pessoa. Com a ajuda dos métodos de renderização baseados em conceitos de física como o PBR, e acompanhados de aparelhos de realidade virtual como o Oculus Rift ou semelhantes, a utilização de motores de jogo capazes de gerar imagens fotorrealistas em tempo real junta cada vez mais os campos da arquitectura e da computação gráfica, e poderá vir a fazer parte do nosso dia-a-dia muito em breve.

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