Odraz světla, BRDF. Petr Kadleček

Podobné dokumenty
Počítačová grafika III (NPGR010) 3. přednáška: Odraz světla, BRDF

Zobrazování a osvětlování

Fotonové mapy. Leonid Buneev

Radiometrie, radiační metody

Počítačová grafika III Úvod

Počítačová grafika III Úvod

Počítačová grafika Radiozita

X39RSO/A4M39RSO Vychýlené (biased) metody globálního osvětlení. Vlastimil Havran ČVUT v Praze CTU Prague Verze 2011

Počítačová grafika III Odraz světla, BRDF. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Počítačová grafika III Světlo, Radiometrie. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Počítačová grafika III Radiometrie. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Fotorealistická syntéza obrazu Josef Pelikán, MFF UK Praha

Precomputed radiance transfer

Fyzikálně založené modely osvětlení

Realistický rendering

Fotonové mapy. Martin Bulant 21. března Fotonové mapy jsou podobné obousměrnému sledování cest, ale odlišují se tím,

Počítačová grafika III Radiometrie. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Počítačová grafika III Odraz světla, BRDF. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Počítačová grafika III Multiple Importance Sampling. Jaroslav Křivánek, MFF UK

3.1 Laboratorní úlohy z osvětlovacích soustav

Distribuované sledování paprsku

A4M39RSO. Sledování cest (Path tracing) Vlastimil Havran ČVUT v Praze CTU Prague Verze 2014

Počítačová grafika III Důležitost, BPT. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Počítačová grafika III Světlo, Radiometrie. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Počítačová grafika III Multiple Importance Sampling. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Global illumination with many-light methods. Martin Kahoun (2011)

Světlo x elmag. záření. základní principy

Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát. Fotografický aparát

2.6. Koncentrace elektronů a děr

Systémy pro využití sluneční energie

terminologie předchozí kapitoly: (ϕ, Ω) - plocha, S - geometrický obraz plochy

Photon-Mapping Josef Pelikán CGG MFF UK Praha.

Fyzikální korespondenční seminář UK MFF 22. II. S

Lineární algebra : Metrická geometrie

FAKULTA INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

B4M39RSO * Úvod do globálního osvětlení * Radiometrie * Světelné zdroje. Vlastimil Havran ČVUT v Praze

1. Náhodný vektor (X, Y ) má diskrétní rozdělení s pravděpodobnostní funkcí p, kde. p(x, y) = a(x + y + 1), x, y {0, 1, 2}.

13. cvičení z Matematické analýzy 2

DIPLOMOVÁ PRÁCE. BRDF dílna

Charakteristiky optického záření

Jiří Cajthaml. ČVUT v Praze, katedra geomatiky. zimní semestr 2014/2015

Počítačová grafika III Photon mapping. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

Spektrometrické metody. Reflexní a fotoakustická spektroskopie

Technologie a procesy sušení dřeva

Odraz světla na rozhraní dvou optických prostředí

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

FOTOREALISTICKÉ ZOBRAZOVÁNÍ

DZDDPZ1 - Fyzikální základy DPZ (opakování) Doc. Dr. Ing. Jiří Horák Institut geoinformatiky VŠB-TU Ostrava

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

Náhodný vektor. Náhodný vektor. Hustota náhodného vektoru. Hustota náhodného vektoru. Náhodný vektor je dvojice náhodných veličin (X, Y ) T = ( X

Počítačová grafika III Photon mapping. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Elektrické světlo příklady

Lingebraické kapitolky - Analytická geometrie

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

Jasové transformace. Karel Horák. Rozvrh přednášky:

Jaký obraz vytvoří rovinné zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, stejně velký. Jaký obraz vytvoří vypuklé zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, zmenšený

Měření odrazu a absorpce světla (experiment)

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

ZOBRAZOVÁNÍ ZRCADLY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Septima - Optika

Parametrické rovnice křivky

Osvětlování a stínování

Statistika a spolehlivost v lékařství Charakteristiky spolehlivosti prvků I

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

Náhodný vektor a jeho charakteristiky

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P01 KINEMATIKA HMOTNÉHO BODU

CGI. Computer generated imagery Počítačové triky Animované filmy Počítačové hry. Technologické trendy v AV tvorbě, CGI 2

Název a číslo materiálu VY_32_INOVACE_ICT_FYZIKA_OPTIKA

Stojaté a částečně stojaté vlny

(Umělé) osvětlování pro analýzu obrazu

12 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

Řešení. Označme po řadě F (z) Odtud plyne, že

F n = F 1 n 1 + F 2 n 2 + F 3 n 3.

ELT1 - Přednáška č. 6

Analýza napjatosti PLASTICITA

Osvětlovací modely v počítačové grafice

verze 1.3 kde ρ(, ) je vzdálenost dvou bodů v R r. Redukovaným ε-ovým okolím nazveme ε-ové okolí bodu x 0 mimo tohoto bodu, tedy množinu

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P03 MECHANIKA TUHÝCH TĚLES

Jaký význam má kritický kmitočet vedení? - nejnižší kmitočet vlny, při kterém se vlna začíná šířit vedením.

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

4. Statika základní pojmy a základy rovnováhy sil

(Následující odstavce jsou zde uvedeny jen pro zájemce.) , sin2π, (2)

Školení CIUR termografie

7. OSVĚTLENÍ. Cíl Po prostudování této kapitoly budete znát. Výklad. 7. Osvětlení

19 Eukleidovský bodový prostor

5.1.3 Lom světla. vzduch n 1 v 1. n 2. v 2. Předpoklady: 5101, 5102

PŘEDNÁŠKA 6 INTEGRACE POMOCÍ SUBSTITUCE

11. cvičení z Matematické analýzy 2

Pojmy z kombinatoriky, pravděpodobnosti, znalosti z kapitoly náhodná veličina, znalost parciálních derivací, dvojného integrálu.

Šíření tepla. Obecnéprincipy

4. Napjatost v bodě tělesa

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Název: Odraz a lom světla

9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Monte Carlo rendering

JEDNOTKY. E. Thöndel, Ing. Katedra mechaniky a materiálů, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

Martin Růžička. Návrh a vyhodnocení uživatelského rozhraní pro osvětlování filmových scén

Transkript:

Odraz světla, BRDF Petr Kadleček 17. října 2011 Úvod V minulé přednášce jsme si představili matematický model scény včetně geometrie, materiálů, zdroje světla, kamery, atd. Ukázali jsme si, že při formulaci nějakého modelu, musíme brát zřetel na úroveň detailů objektů, které chceme modelovat a na nutnost zavedení zjednodušujících předpokladů kvůli výpočetním nárokům. Při formulaci modelu světla jsme se zajímali o popis světla, charakteristiku a způsob měření světla, prostorové rozložení světla, interakci světla s hmotou a o podmínky na rovnovážné rozložení světla ve scéně. Formulovali jsme si jakým způsobem je světlo odražené v prostoru a nyní nás zajímá, co se světlem stane, když dopadne na nějaký povrch. Interakce světla s povrchem Model scény zahrnuje následující typy interakce světla s povrchem: Odraz (ideální zrcadlový, lesklý, atp.) Absorpce (pohlcení a zeslabení záření při jeho šíření prostorem, změna např. na teplo) Lom (také refrakce, dochází k němu na rozhraní dvou prostředí s různou optickou hustotou) Rozptyl pod povrchem (subsurface scattering, BSSRDF - funkce modelu odrazů světla pod povrchem) Tyto odrazové vlastnosti materiálu určují vztah odražené radiance vůči radianci dopadlé na povrch objektu. Obrázek 1: Interakce světla s povrchem (zdroj: MERL BRDF database) Obrázek 1 ukazuje identicky osvětlené objekty stejného tvaru, avšak rozdílných materiálů a tedy rozdílných vlastností odrazu světla na povrchu.

BRDF Odrazové vlastnosti materiálu formálně popisujeme pomocí matematické abstrakce zvané BRDF (Bidirectional reflectance distribution function, dvousměrová distribuční funkce odrazu) definované jako funkce dvou parametrů (směr dopadajícího světla ω i a směr odraženého světla ω o ), jež vyjadřuje poměr odražené diferenciální radiance L r (ω o ) vůči radianci dopadlé na povrch L i (ω i ): f r (ω i ω o ) = dl r(ω o ) de(ω i ) = dl r (ω o ) dl r (ω o ) = [sr 1 ] L i (ω i )(ω i n) dω i L i (ω i ) cos θ i dω i Obrázek 2: BRDF Intuice je následující: jaká je hustota pravděpodobnosti, že foton, který příletí na povrch ze směru ω i, se odrazí ve směru ω o? Obor hodnot této funkce je f r (ω i ω o ) [0, ). Pro úplnost si uvedeme vztah radiance a iradiance z minulé přednášky: E(x) = L(x, ω) cos θ d ω BRDF je model toho, co se ve skutečnosti děje na úrovni mikrostruktury při pohledu z dálky. Popis dalších členů BRDF viz obrázek 2. Vlastnosti BRDF Linearita BRDF je lineární vzhledem k radianci, tedy výsledná odražená energie může být příspěvkem několika nezávislých zdrojů světla z různých směrů viz obrázek 3. Obrázek 3: BRDF linearita Helmholzova reciprocita Další důležitá vlastnost BRDF je Helmholzova reciprocita (Helmholtzův zákon), kterou musí dodržet každá fyzikálně korektní BRDF: 2

Zachování energie f r (ω i ω o ) = f r (ω o ω i ) Poměr odraženého zářivého toku k příchozímu zářivému toku je menší, nebo roven 1: L r (ω r ) cos θ r dω r f r (ω i ω o )L i (ω i ) cos θ i dω i cos θ r dω r dφ r ω = r ω = r ω i 1 dφ i L i (ω i ) cos θ i dω i L i (ω i ) cos θ i dω i ω i ω i Intuice: plocha nemůže odrazit více, než je celková přijatá energie. (An)izotropie BRDF Většina materiálů má izotropní BRDF, což znamená, že BRDF je invariantní k otočení kolem normály. Tedy odrazové vlastnosti nezávisí na tomto otočení a BRDF má pouze 3 stupně volnosti (viz poslední rovnost v (1)) oproti obecné BRDF, která má 4 stupně volnosti. f r (θ i, φ i ; θ o, φ o ) = f r (θ i, φ i + φ; θ o, φ o + φ) = f r (θ i, θ o, φ o φ i ) (1) Pro anizotropní BRDF však toto neplatí a při pohledu z různých směrů vypadá materiál rozdílně. To je dáno především různou mikroskopickou hrubostí povrchu v různých směrech (broušené kovy, tkaniny). Pro popis anizotropní BRDF se zpravidla užíva referenční souřadný systém (U, V, W), kde U je tangenta (např. směr broušení kovu), V je binormála a N je normála (osa Z lokálního souřadného systému). Rovnice odrazu Pomocí BRDF máme charakterizovány odrazové vlastnosti povrchu. Nyní se budeme zajímat o to, kolik světla se odrazí do daného směru, přesněji jaká je odražená radiance L r ve směru ω o v závislosti na množství příchozího světla L i a materiálu povrchu f r. To nám určuje rovnice odrazu, také Reflectance equation, illumination integral, OVTIGRE ( outgoing, vacuum, time-invariant, gray radiance equation ). Přímo z definice BRDF vyplývá: dl r (ω o ) = f r (ω i ω o ) L i (ω i ) cos θ i dω i Zintegrováním ( sečtením ) příspěvků dl r (ω o ) přes celou hemisféru dostáváme (viz obrázek 4.): L r (x, ω o ) = L i (x, ω i ) f r (x, ω i ω o ) cos θ i dω i Scéna by však nebyla osvětlená, pakliže by neexistoval žádný emitor. Proto je celková radiance L o rovna součtu odražené radiance L r a emitované radiance L e : L o (x, ω o ) = L r (x, ω o ) + L e (x, ω o ) Tato rovnice odrazu již může sloužit pro samotné renderování obrázku. Například pokud je jediným zdrojem světla ve scéně mapa prostředí (environment map) a zajímá nás pouze výpočet přímého osvětlení, integruje se přes celou hemisféru a za BRDF můžeme zvolit kupříkladu Phongův model. 3

Obrázek 4: Rovnice odrazu Od lokálního odrazu ke globálnímu šíření světla Rovnice odrazu nám ve skutečnosti nestačí. Světlo, které zohledňujeme při výpočtu rovnice odrazu, přesněji při výpočtu příchozí radiance L i, nepříchází pouze ze zdrojů, ale také příchazí po mnoha odrazech od jiných objektů ve scéně. Jak vypočítat takové L i? Stačí si uvědomit a využít vlastnosti radiance, která říka, že radiance je konstantní podél celé dráhy paprsku. Pro úplnost viz předchozí přednáška: a tedy: L 1 d ω 1 da }{{} 1 = L 2 d ω 2 da }{{} 2. emitovaný výkon přijímaný výkon L i (x, ω o ) = L o (r(x, ω i ), ω i ) kde r(x, ω i ) je funkce vržení paprsku (ray casting function) viz obrázek 5. Obrázek 5: Ray casting function Nyní dosadíme L i do rovnice odrazu a dostaneme: L o (x, ω o ) = L e (x, ω o ) + L o (r(x, ω i ), ω i ) f r (x, ω i ω o ) cos θ i dω i 4

Zobrazovací rovnice Rendering equation Odstraněním dolního indexu o u odchozí radiance L o v předchozí integrální rovnici dostaneme rovnici, které se říká zobrazovací rovnice (rendering equation, RE): L(x, ω o ) = L e (x, ω o ) + L(r(x, ω i ), ω i ) f r (x, ω i ω o ) cos θ i dω i Všimněte si důležitého faktu, že odchozí radiance L o je nyní popsána jako funkce L o jinde ve scéně. Zobrazovací rovnice se dá tedy chápat jako popis ustáleného stavu, tj. energetické rovnováhy ve scéně a rendering je tudíž výpočet L o (x, ω o ) pro místa viditělná přes pixely. Rovnice odrazu vs. zobrazovací rovnice Je důležité pochopit rozdíl mezi rovnicí odrazu a zobrazovací rovnicí. Rovnice odrazu popisuje lokální odraz světla v jednom místě. Jedná se o integrál, pomocí něhož lze spočítat odchozí radianci z příchozí radiance v daném bodě. L o (x, ω o ) = L e (x, ω o ) + L i (x, ω i ) f r (x, ω i ω o ) cos θ i dω i Naproti tomu zobrazovací rovnice je integrální rovnice, matematicky zcela odlišný aparát (neznámá L se vyskytuje na obou stranách rovnice), který popisuje globální rozložení světla ve scéně. L(x, ω o ) = L e (x, ω o ) + L(r(x, ω i ), ω i ) f r (x, ω i ω o ) cos θ i dω i Zpět k BRDF - Odrazivost (reflektance) Odrazivost je veličina odvozená z BRDF a je definovaná jako poměr příchozího a odraženého toku. Pro difúzní odraz je často označována jako albedo (definuje se také jako míra odrazivosti tělesa nebo jeho povrchu, velké hodnoty dosahují například mraky, čerstvě napadaný sníh,...). Existují tři základní varianty odrazivosti: hemisféricko-hemisférická odrazivost, kde nás zajímá poměr celkového toku přes celou hemisféru vůči odchozímu toku přes celou hemisféru hemisféricko-směrová odrazivost, kde se zajímáme o to, kolik světla se odrazí do směru ω o při osvětlení uniformní jednotkovou příchozí radiancí. směrovo-hemisférická odrazivost, která říká, jaké procento světelného toku příchozího ze směru ω i je odraženo (do libovolného směru)? Hemisféricko-směrová odrazivost Hemisféricko-směrová odrazivost je definována jako: ρ(ω o ) = a(ω o ) = f r (x, ω i ω o ) cos θ i dω i ρ(ω o ) je nezáporná, menší rovna 1 (zachování energie) a platí ρ(ω o ) [0, 1], navíc je ekvivalentní se směrovo-hemisférickou odrazivostí (ekvivalence vyplývá z Helmholzovy reciprocity pro BRDF). 5

Druhy BRDF BRDF zpravidla dělíme na (viz obrázek 6): obecné BRDF, ideálně difúzní (Lambertovská), ideálně zrcadlová (specular) a lesklá BRDF (glossy, directional diffuse). Obrázek 6: Druhy BRDF Ideálně difúzní odraz Ideálně difúzní odraz (a.k.a. Lambertovský odraz) má konstantní BRDF nezávislou na ω o a ω i, tedy světlo se se stejnou pravděpodobností odrazí do všech směrů (nezávisle na příchozím směru). f r,d (ω i ω o ) = f r,d Pro odraz na Lambertovském povrchu platí: L o (ω o ) = f r,d L i (ω i ) cos θ i dω i = f r,d E Takovýto odraz je pohledově nezávislý na ω o a odrazivost se dá tedy zjednodušit na: ρ d = f r,d (ω i ω o ) cos θ i dω i = π f r,d Ideálně difúzní odraz však v reálném světě neexistuje. Výrobci barev se velmi snaží Lambertovský odraz napodobit, ale pro velké úhly incidence se to obzvláště nedaří. Bílá tma Při zatažené obloze nepoznáme tvar terénu pokrytého sněhem, avšak blízko zdroje toto neplatí. Tento efekt je znám také jako bílá tma. Proč k tomu dochází? Pokud budeme předpokládat konstantní radianci z oblohy L i (x, ω i ) = L obloha a Lambertovský sníh, dostaneme odraženou radianci jako: L snih o = ρ snih d L obloha i L o tedy nezávisí nejen na úhlu pohledu, ale v tomto případě hlavně ani na normále povrchu (radiance z oblohy je konstantní ve směrech) a proto je pro nás obtížné rozpoznat tvary předmětů. 6