Fyzikálně založené modely osvětlení

Podobné dokumenty
Radiometrie, radiační metody

Rekurzivní sledování paprsku

Výpočet průsečíků paprsku se scénou

Distribuované sledování paprsku

Výpočet průsečíků paprsku se scénou

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

FYZIKA II. Marek Procházka 1. Přednáška

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

Elektromagnetické vlnění

Deformace rastrových obrázků

Zadání. Pracovní úkol. Pomůcky

Fotorealistická syntéza obrazu Josef Pelikán, MFF UK Praha

Odraz světla, BRDF. Petr Kadleček

Otázky z optiky. Fyzika 4. ročník. Základní vlastnosti, lom, odraz, index lomu

Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.

Výpočet vržených stínů

Jednou z nejstarších partií fyziky je nauka o světle tj. optika. Existovaly dva názory na fyzikální podstatu světla:

Učební texty z fyziky 2. A OPTIKA. Obor zabývající se poznatky o a zákonitostmi světelných jevů. V posledních letech rozvoj optiky vynález a využití

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

Optika pro mikroskopii materiálů I

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Příklady použití tenkých vrstev Jaromír Křepelka

Počítačová grafika III Úvod

Metamorfóza obrázků Josef Pelikán CGG MFF UK Praha

Optika. Co je světlo? Laser vlastnosti a využití. Josef Štěpánek Fyzikální ústav MFF UK

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

Název a číslo materiálu VY_32_INOVACE_ICT_FYZIKA_OPTIKA

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

Geometrické transformace pomocí matic

Rovinná monochromatická vlna v homogenním, neabsorbujícím, jednoosém anizotropním prostředí

Základní otázky pro teoretickou část zkoušky.

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

ODRAZ A LOM SVĚTLA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Septima - Fyzika - Optika

27. Vlnové vlastnosti světla

(Umělé) osvětlování pro analýzu obrazu

Photon-Mapping Josef Pelikán CGG MFF UK Praha.

Pokročilé metody fotorealistického zobrazování

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

Fyzika aplikovaná v geodézii

Osvětlování a stínování

Lom světla na kapce, lom 1., 2. a 3. řádu Lom světla na kapce, jenž je reprezentována kulovou plochou rozhraní, je složitý mechanismus rozptylu dopada

λ, (20.1) infračervené záření ultrafialové γ a kosmické mikrovlny

Zobrazování a osvětlování

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Rovinná harmonická elektromagnetická vlna

Watkinsův algoritmus řádkového rozkladu

7 FYZIKÁLNÍ OPTIKA. Interference Ohyb Polarizace. Co je to ohyb? 27.2 Ohyb

Lineární transformace

Mikroskopie a rentgenová strukturní analýza

OPTIKA - NAUKA O SVĚTLE

Optika nauka o světle

Fyzika 2 - rámcové příklady vlnová optika, úvod do kvantové fyziky

Petr Šafařík 21,5. 99,1kPa 61% Astrofyzika Druhý Třetí

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

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

5.1.3 Lom světla I. Předpoklady: 5101, Pomůcky: Miska, voda, pětikoruna, akvárium, troška mléka,

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

F7030 Rentgenový rozptyl na tenkých vrstvách

Pokročilé osvětlovací techniky Josef Pelikán, MFF UK Praha

3.2.5 Odraz, lom a ohyb vlnění

Postupné, rovinné, monochromatické vlny v lineárním izotropním nemagnetickém prostředí

Lasery základy optiky

Laboratorní práce č. 3: Měření vlnové délky světla

Laboratorní práce č.9 Úloha č. 8. Závislost indexu lomu skla na vlnové délce světla Měření indexu lomu refraktometrem:

Základní otázky ke zkoušce A2B17EPV. České vysoké učení technické v Praze ID Fakulta elektrotechnická

Optika. Zápisy do sešitu

Fyzikální korespondenční seminář UK MFF 22. II. S

14. přednáška. Přímka

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Název: Odraz a lom světla

Přednáška č.14. Optika

Neživá příroda I. Optické vlastnosti minerálů

Úloha 3: Mřížkový spektrometr

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.1. Fyzikální princip činnosti laserů. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Světlo x elmag. záření. základní principy

#(, #- #(!!$!#$%!! [2], studiu difraktivních. #!$$&$.( &$/#$$ oblasti holografie a difraktivní!# '!% #!!$#!'0!!*#!(#!! #!!! $ % *! $! (!

Počítačová grafika III Úvod

Aplikovaná optika. Optika. Vlnová optika. Geometrická optika. Kvantová optika. - pracuje s čistě geometrickými představami

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

ZJIŠŤOVÁNÍ CUKERNATOSTI VODNÝCH ROZTOKŮ OPTICKÝMI METODAMI

Přímé zobrazování objemových dat DVR

Digitální učební materiál

M I K R O S K O P I E

Počítačová grafika 2 (POGR2)

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

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

Barevné vidění Josef Pelikán CGG MFF UK Praha

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

FYZIKA PRO IV. ROČNÍK GYMNÁZIA - OPTIKA 2. VLNOVÁ OPTIKA

7. Odraz a lom. 7.1 Rovinná rozhraní dielektrik - základní pojmy

Počítačová grafika III Radiometrie. Jaroslav Křivánek, MFF UK

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Fotonové mapy. Leonid Buneev

3.1 Laboratorní úlohy z osvětlovacích soustav

Osvětlovací modely v počítačové grafice

Monochromatické zobrazování


Elektromagnetické pole, vlny a vedení (A2B17EPV) PŘEDNÁŠKY

Jméno autora: Mgr. Zdeněk Chalupský Datum vytvoření: Číslo DUM: VY_32_INOVACE_20_FY_C

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

Transkript:

Fyzikálně založené modely osvětlení 1996-2015 Josef Pelikán, CGG MFF UK Praha http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca/ pepca@cgg.mff.cuni.cz Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 1 / 31

Historie Beckmann, Spizzichino (1963): odraz elektromagnetického vlnění na hrubém povrchu (optika) Torrance, Sparrow (1967): teorie mimospekulárních odlesků na hrubých materiálech (optika) Blinn (SIGGRAPH 77): poprvé model publikuje v oboru počítačové grafiky Cook, Torrance (SIGGRAPH 81): další zobecnění a praktická implementace He (1991): komplexní model odrazu podle vlnové optiky (polarizace, difrakce, interference,..) Schlick (1994): aproximační vzorce, rychlejší výpočet Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 2 / 31

Dokonalý zrcadlový povrch L N R R = 2N N L L n 1 n 2 b T sin sin = n 1 n 2 = n 12 poměr zrcadlově odraženého a zalomeného světla určují Fresnelovy rovnice (začátek 19. století) Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 3 / 31

Dokonale difusní odraz (rozptyl) N N L L dokonale matný povrch (Lambertovský) všechny výstupní směry odraženého paprsku mají stejnou pravděpodobnost např. mikroskopicky velmi hrubý povrch (velké částice) Lambertův zákon: intenzita je úměrná pouze cos Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 4 / 31

Lom světla (aplikace Snellova zákona) L N R n 1 n 2 b T cos = 1 n 12 2 sin 2 = 1 n 12 2 1 N L 2 T = [n 12 N L 1 n 12 2 1 N L 2 ] N n 12 L Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 5 / 31

Totální odraz při přechodu světla z prostředí opticky hustšího do prostředí řidšího (n 1 > n 2 ) pro úhly dopadu větší než mezní úhel a tr nedochází k lomu světla! L n 1 tr N sin tr = n 2 n 1 n 2 T Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 6 / 31

Fresnelovy rovnice (polarizace) dvě roviny polarizace (elektrická složka kolmá s nebo rovnoběžná p k rozhraní) koeficienty odrazu R a lomu T : R s = [ ]2 sin sin T s = 1 R s R p = [ ]2 tan tan T p = 1 R p Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 7 / 31

Pro nepolarizované světlo průměr obou složek R s a R p, po úpravách: R = 1 2 a u 2 b 2 2[ au 1/u2 b 2 ] au 2 b a u1/u 2 b 2 1 a 2 = 1 2 n 2 k 2 u 2 1 2 4n 2 k 2 n 2 k 2 u 2 1 b 2 = 1 2 n 2 k 2 u 2 1 2 4n 2 k 2 n 2 k 2 u 2 1 u = cos n = n i k (pro dielektrika je k l =0) Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 8 / 31

Pro dielektrikum k l = 0, tedy vychází a 2 = n 2 u 2 1 b = 0 R = 1 2 a u 2 2 [uau 1]2 au [ua u1] 2 1 Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 9 / 31

Poznámky k Fresnelovým vzorcům je-li a = p/2 (tj. u = 0), vychází faktor odrazu R 90 = 1 bez ohledu na vlnovou délku světla l pro kolmý dopad světla (a = 0) vychází: R = R = R = n 1 n 2 0 s p n n 1 22 T 0 = T s = T p = 1 R 0 = 4 n 1n 2 n 1 n 2 2 Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 10 / 31

Průběh odrazivosti - dielektrikum R 0 R 0 Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 11 / 31

Průběh odrazivosti - kov 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 R 0 R p R s R 0 45 90 a Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 12 / 31

Reálný lesklý odraz mnohonásobné odrazy zastínění odraženého světla při velkých úhlech dopadu Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 14 / 31

Teorie mikroplošek Beckmann, Spizzichino (63), Torrance, Sparrow (67) H V g N ideálně hladké mikroplošky L a a skutečný povrch idealizovaný povrch Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 15 / 31

Lesklá složka odrazu I s,,, N L N V F D G N V L I s () - intenzita odlesku pro vlnovou délku F(,) - intenzita odrazu vlnové délky na dokonale hladké plošce při úhlu dopadu D() - distribuční funkce mikroplošek (kolik mikroplošek je orientováno pod úhlem ) G(N,V,L) - faktor vzájemného zastínění plošek Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 16 / 31

Distribuční funkce orientace Rychlý vzorec - Gaussova distribuce: exp D c m 2 c vhodná konstanta m drsnost povrchu 0.1 - velmi hladký povrch 0.8 - hrubý rozptylující povrch Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 17 / 31

Beckmannova funkce Přesnější aproximace distribuce: D 1 4m 2 cos 4 exp tg m 2 m drsnost povrchu : střední kvadratická hodnota směrnice normály mikroplošek hodnoty opět cca mezi 0.1 a 0.8 Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 18 / 31

Směs několika materiálů Povrch tělesa si můžeme představit jako směs několika materiálů s různými drsnostmi m 1... m k D wi D mi, W i váhové konstanty jednotlivých materálů w i = 1 k i1 Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 19 / 31

Geometrický člen G Faktor vzájemného zastínění mikroplošek,, min 1,, G N V L N V N L pro 2 N H V H světlo může být zastíněno před dopadem nebo po dopadu (nebo projde dál bez překážek) předpokládáme prohlubně tvaru písmene V Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 20 / 31

Fresnelův člen F Fresnelova rovnice pro nepolarizované světlo F 1, 2 g g c c 2 2 1 c g c g c c 1 1 2 2 pro c cos V H, 2 2 2 g n c 1 n - index lomu na povrchu při vlnové délce pro vodiče n = n - i (.. koeficient útlumu) Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 21 / 31

Vliv vlnové délky l Pro úhel dopadu a odrazu = 0 dostáváme F, 0 n n 2 1 1 F, 0 a n 1 1 F, 0 hodnoty F(,0) byly prakticky změřeny pro velké množství vodivých i dielektrických materiálů známe tedy i hodnoty n těchto materiálů lesklý odraz závisí na kromě úhlu = /2 Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 22 / 31

Jednodušší výpočet F(l,b) Interpolace mezi barvou světelného zdroje (odlesk pro = /2), 2 2 F F I L... barva zdroje a barvou změřenou pro = 0: F,0 F 0 Pro průměrnou vlnovou délku 0 dostáváme 0 2 0 F F F F F max 0, F 0 F 0 0 2 F 0 0 0 Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 23 / 31

Jednodušší výpočet F(l,b) Jiná aproximace podle R. Halla: 0 1 0 F F F F max 0, F 0 1 F 0 0 0 0 v praktických implementacích se může počítat jen s několika diskrétními hodnotami např. pro tři pásma spektra R,G,B Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 24 / 31

Další vylepšení neizotropní světelné modely jiná odrazivost v různých směrech obecná BRDF ( Bi-directional Reflectance Distribution Function ) (,,,,) polarizace odraženého světla dielektrika Brewsterův úhel dopadu vícenásobné odrazy mezi dielektrickými povrchy barevné vodivé materiály zabarvují odlišně odraz polarizovaného světla Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 25 / 31

Modifikace klasických přístupů Blinn-Phong model zjednodušení výpočtu při pozorovateli i zdroji v nekonečnu: cos h β cos 4h β/2 (R i V) h (H i N) 4h Blinnův model je věrnější při pohledu přes obrys objektu Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 26 / 31

Modifikace klasických přístupů Ch. Schlick (1994) zkouší různé aproximační vzorce jako náhradu Fresnelových členů apod. nahrazení mocniny zlomkem (rychlost) S h S / (h hs + S) odlesk není tak ostrý jako u Phonga (Blinna) náhrada Fresnelova členu (1 cos a) 5 multiplikativní člen (k s se zvětší na úkor k d, k t ) Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 27 / 31

Nedokonalost Lambertova zákona čistý cosinový povrch není v přírodě tak častý! hrubé, zrnité povrchy (smirkový papír, písek, apod.) měsíční úplněk podle Lambertova zákona by měly být okraje tmavé (limitně až k nule), ale to není pravda! efekt zpětného odrazu ( backscattering, odrazka ) N L i θi Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 28 / 31

Difusní model Oren-Nayar používá mikroplošky (viz Torrance-Sparrow, -Cook) na mikroploškách se aplikuje difusní zákon odrazu zjednodušení vzorců jen nejvýznamnější termy E d = E cos AB max 0, cos sin tan 0 i r i θ i θ r úhel mezi L i a normálou úhel mezi V a normálou Φ i Φ r azimut směru L i azimut směru V α max(θ i,θ r ) β min(θ i,θ r ) Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 29 / 31

Oren-Nayar, finální vzorce E d = (C L C D ) cos(θ i ) ( A+B max (0,cos(ϕ r ϕ i )) sin(α) tan(β)) A = 1 0.5 σ2 σ 2 +0.33 (ve jmenovateli až 0.57) B = 0.45 σ2 σ 2 +0.09 σ C L C D hrubost povrchu: střední hodnota odchylky normály mikroplošky v radiánech (viz Torrance-Cook) barva zdroje světla barva materiálu Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 30 / 31

Literatura A. Glassner: An Introduction to Ray Tracing, Academic Press, London 1989, 121-160 J. Foley, A. van Dam, S. Feiner, J. Hughes: Computer Graphics, Principles and Practice, 760-771 R. Cook, K. Torrance: A Reflectance Model for Computer Graphics, ACM Transactions on Graphics, 1982, #1, 7-24 Ch. Schlick: An Inexpensive BRDF Model for Physically-based Rendering, 1994 Physical 2015 Josef Pelikán, http://cgg.mff.cuni.cz/~pepca 31 / 31