1 / 46

Свет как энергия. Радиометрия. BRDF

Свет как энергия. Радиометрия. BRDF. Алексей Игнатенко Лекция 3 19 октября 2006. На прошлой лекции. Свет vs. Цвет Все видимые цвета могут быть представлены в виде трех чисел Основное цветовое пространство CIE XYZ Построено на основе экспериментов Инструмент – диаграмма тональности

stesha
Télécharger la présentation

Свет как энергия. Радиометрия. BRDF

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Свет как энергия. Радиометрия.BRDF Алексей Игнатенко Лекция 3 19 октября 2006

  2. На прошлой лекции • Свет vs. Цвет • Все видимые цвета могут быть представлены в виде трех чисел • Основное цветовое пространство CIE XYZ • Построено на основе экспериментов • Инструмент – диаграмма тональности • Часто используется для анализа передаваемых диапазонов различных пространств • Пространство L*a*b – однородность • Мониторы. Цветовая модель и цветовые пространства RGB • Точка белого, цветовая температура, гамма-коррекция Основы синтеза изображений

  3. На лекции • Свет и волновая природа света • Радиометрия: основные термины и понятия • BRDF, BTDF • Расчет освещенности в точке Основы синтеза изображений

  4. Как получить фотореалистичное изображение? • Спектральное распределение энергии • Нет никакого RGB! Построить модель сцены Для каждого пикселя рассчитать количество попавшей энергии Преобразовать в цвет А вот здесь RGB! Вывести на монитор Это делать умеем Основы синтеза изображений

  5. Моделирование и расчет сцены Построить модель сцены • Чтобы рассчитать энергию для каждого пикселя изображения необходимо понимать: • Природу света • Принципы распространения света • Взаимодействие света с материалами Для каждого пикселя рассчитать количество попавшей энергии Преобразовать в цвет Вывести на монитор Основы синтеза изображений

  6. Свет: дуальность • Электромагнитная волна • волновая оптика • Поток фотонов • геометрическая оптика • Причины дуальности объясняются в квантовой оптике Основы синтеза изображений

  7. Волновая природа света: явления • Дифракция • Интерференция • Поляризация Основы синтеза изображений

  8. Волновая природа света: дифракция • Явление преобразования распространяющейся в пространстве волны • Зависит от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды • Интерференционный рисунок Основы синтеза изображений

  9. Волновая природа света: поляризация Электрическая часть излучения Основы синтеза изображений

  10. Поляризация: пример Основы синтеза изображений

  11. Фотоэлектрический эффект • Излучение электронов под действием света • Является одним из обоснований фотонной теории (теории частиц) Основы синтеза изображений

  12. Геометрическая оптика • Далее мы будем рассматривать свет как поток частиц •  Гораздо проще для алгоритмов! •  Сразу отбрасываем явления • Дифракции • Интерференции • Поляризации Основы синтеза изображений

  13. Радиометрия • Радиометрия – наука об измерении электромагнитного излучения • Включая видимый свет • В отличие от колориметрии (и фотометрии), радиометрия не учитывает особенностей человеческого восприятия Основы синтеза изображений

  14. Радиометрия: особенности • Основана на излучении как потоке частиц (геометрическая оптика) • Тем не менее, возможно включать элементы волновой оптики Основы синтеза изображений

  15. Радиометрия: предположения • Линейность • Суммарный эффект двух входных сигналов всегда равен сумме эффектов каждого сигнала по отдельности • Сохранение энергии • Рассеиваемый свет не может выдавать больше энергии, чем было изначально • Отсутствие поляризации • Единственное свойство света – распределение по длинам волн (частоте) • Отсутствие флюоресценции и фосфоресценции • Поведение света на одной частоте не зависит от поведения на другой • Устойчивость состояния • Распределение световой энергии не зависит от времени Основы синтеза изображений

  16. Радиометрия: недостатки • Не передаются физические эффекты: • Дифракция • Интерференция • Поляризация • Флюоресценция • Фосфоресценция • Последние три легко добавить Основы синтеза изображений

  17. Радиометрия: основные термины • Энергия излучения (radiant energy) • Поток излучения (flux) • Энергетическая освещенность (irradiance) • Энергетическая светимость (radiant exitance) • Энергетическая сила света (intensity) • Энергетическая яркость (radiance) • = излучение Основы синтеза изображений

  18. Энергия излучения (radiant energy) • Обозначение: Q • Единица измерения: Дж Основы синтеза изображений

  19. Поток излучения (flux) • Нужно описывать перемещение энергии • Поток: энергия, излучаемая в единицу времени • для заданной поверхности • Обозначение: Φ. • Единицы измерения - Вт (ватт = Дж/c). • Обычно используется для описания полного излучения источников света (total flux) Основы синтеза изображений

  20. Освещенность и светимость • Нужны единицы для описания потока излучения, попадающего на поверхность или исходящего с поверхности • Плотность потока света, проходящего через заданную площадку • Не знаем направления, поэтому два симметричных термина • освещенность • светимость Основы синтеза изображений

  21. Ф Энергетическая освещенность (irradiance) • Обозначение: E • Единицы измерения: Вт/м2 E Основы синтеза изображений

  22. Ф Ф E’ Связь освещенности и «косинуса» • Во многих моделях освещения встречается cos в качестве множителя E Основы синтеза изображений

  23. Энергетическая светимость (radiant exitance) • Обозначение: M • Единицы измерения: Вт/м2 • В компьютерной графике еще называют radiosity Основы синтеза изображений

  24. Телесный угол • Часть пространства • Является объединением всех лучей, выходящих из данной точки • Пересекающих некоторую поверхность • Измеряется отношением площади части сферы с центром в вершине угла, которая вырезается этим телесным углом, к квадрату радиуса сферы • Единица – стерадиан • Стерадиан равен телесному углу, вырезающему из сферы единичного радиуса поверхность с площадью в 1 квадратную единицу Основы синтеза изображений

  25. Энергетическая сила света (intensity) • Предыдущие определения зависели от площади • Но для точечных источников понятия площади нет • А нам часто придется рассматривать точки на поверхности • Или точечные источники света • Плотность потока света, проходящего через телесный угол • Единицы измерения:Вт / Ст Основы синтеза изображений

  26. Излучение (radiance) • Наиболее важная единица • Плотность потока, попадающего на площадку единичной площади, проходя через единичный телесный угол • Обозначение: L • Единицы измерения: Вт / (Ст * м2) Основы синтеза изображений

  27. Исходящее и входящее излучение Основы синтеза изображений

  28. Свойства излучения • Передается в вакууме без потерь! Lo Li Основы синтеза изображений

  29. Выражение излучения через другие единицы Сила света Освещенность Светимость Основы синтеза изображений

  30. Взаимодействие света и материала Основы синтеза изображений

  31. Типы взаимодействия света и материала • Отражение • Зеркальное • Диффузное • Смешанное • Ретро-зеркальное • Блеск • Преломление (пропускание) • Зеркальное • Диффузное • Смешанное Основы синтеза изображений

  32. Отражение и BRDF • Задача – рассчитать количество энергии, излучаемой в сторону наблюдателя при заданном входящем излучении Основы синтеза изображений

  33. BRDF: определение • Чему равна Lo(p, ωo) - излучение поверхности в направлении ωo • При условии излучения по направлению ωi, равной Li(p, ωi) • BRDF – Bidirectional Reflection Distribution Function • ДФОС = Двухлучевая функция отражательной способности Предполагается, что исходящее излучение зависит только от входящего излучения для данной точки! Основы синтеза изображений

  34. BRDF (2) • Рассмотрим дифференциальную освещенность поверхности в точке p: • В направление ω0будет излучаться Из предположения линейностии сохранения энергии Основы синтеза изображений

  35. BRDF (3) BRDF Основы синтеза изображений

  36. Свойства BRDF • Обратимость • Сохранение энергии Основы синтеза изображений

  37. Свойства BRDF: обратимость Основы синтеза изображений

  38. Свойства BRDF: сохранение энергии Основы синтеза изображений

  39. Примеры BRDF: диффузное отражение Для идеального диффузного отражения Основы синтеза изображений

  40. Примеры BRDF: зеркальное отражение • Идеальное зеркальное отражение «Блеск» (glossiness) Основы синтеза изображений

  41. BTDF • BTDF – Bidirectional Transmittance Distribution Function • ДФПС = Двухлучевая функция преломляющей способности • Определение аналогично BRDF, но для другой стороны поверхности Основы синтеза изображений

  42. BSDF = BRDF + BTDF Основы синтеза изображений

  43. Расчет излучения точки поверхности • Для каждой длины волны! • Здесь учитываем только отражение Основы синтеза изображений

  44. Расчет излучения точки поверхности: дискретный случай - Направление на j-й источник света - Угол между направлением на j-й источник и нормалью к поверхности Основы синтеза изображений

  45. Ограничения модели BSDF • Отсутствие дифракции, интерференции • Отсутствие поляризация • Отсутствие флюоресценции и фосфоресценции • Отсутствие поверхностного рассеивания • Surface scattering • Задачу решает BSSDF – обобщение модели BSDF Основы синтеза изображений

  46. Итоги • Для синтеза изображений моделируем свет как поток частиц (геометрическая оптика) • Трудно моделировать дифрацию, поляризацию • Для измерения света используем радиометрию • Основное понятие - излучение • Для расчет излучения точки поверхности используется характеристика материала поверхности в виде BSDF или BSSDF Основы синтеза изображений

More Related