FOTOREALISTICKÁ VIZUALIZACE PRO AUTO-STEREOSKOPICKÁ ZAŘÍZENÍ PHOTO-REAL VISUALIZATION FOR THE AUTO-STEREOSCOPIC DEVICES Tomáš Komenda 1, David Bražina 2 1 Ostravská univerzita v Ostravě, 30. dubna 22, 701 03 Ostrava, tomas.komenda@osu.cz 2 Ostravská univerzita v Ostravě, 30. dubna 22, 701 03 Ostrava, david.brazina@osu.cz Abstract This paper describes the process of photo-real visualization for auto-stereoscopic devices. The process is divided into few basic parts of production for better understanding of this problem. Keywords: visualization, photo-real, auto-stereoscopy, celvision, referencing, modeling, texturing, lighting, testing, rendering, composing 1 Úvod V současné době vzrůstá stále více zájem o moderní technologie. Dnešním největším tahounem na poli zobrazovacích technologií je bezpochyby 3D stereoskopická projekce, která nám umožňuje vnímat proud zobrazovaných dat prostorově. Tento vjem se podařilo docílit díky simulaci reálných optických principů. Stejně jako v reálném světě vnímáme okolí dvěma očima a díky tomu získáváme pojem o prostoru, tak i ve virtuálním světě se snažíme různými metodami a technikami docílit toho, aby každé oko vidělo mírně odlišný obraz. Tyto metody a techniky můžeme podle principu, na kterém pracují, rozdělit na aktivní a pasivní. V tomto článku se budeme zabývat aktivní stereoskopickou metodou ultimátních displayů a tvorbou fotorealistické vizualizace pro tato zařízení. Jako ukázkový projekt pro aplikaci postupů a technik, uvedených v následujícím článku, jsem si zvolil fotorealistickou vizualizaci diamantu. 2 Reference vizualizované scény Velmi důležitou částí tvorby fotorealistické vizualizace, je část zabývající se získávání referencí o daném vizualizovaném objektu. Tato část je nepostradatelná i u jednoduchých projektů. Potřebujeme nastudovat danou scénu z hlediska tvarů, světla, vlastností povrchů a dalších základních, ale i pokročilých charakteristik. Na následujícím obrázku můžete vidět ukázku obrazové dokumentace projektu. Obr. 1 Obrazová dokumentace projektu [IDNES 2010], [MADAM 2010], [CN 2010] 763
2.1 Základní charakteristiky vizualizované scény Jak již bylo uvedeno v úvodu tohoto článku, mým ukázkovým projektem je fotorealistická vizualizace diamantu. Čili mezi základní charakteristiky dané scény budou jistě patřit informace o vizualizovaném objektu a o prostředí, ve kterém se daný objekt nachází. Jedná se o tvar, barvu, pozici (objektů, světel, kamery, ). Obr. 2 Základní tvar a barva objektu [AM 2010], [OAK 2010] Jak je z tohoto obrázku vidět, diamant je geometricky velmi složitý objekt a má přesně stanovená pravidla. Tyto pravidla se týkají především tvaru, který má vliv na jeho interakci se světlem. Klasický tvar diamantu, jak je vidět na, je tvar s příznačným názvem briliant. Tento tvar se skládá z 57 symetricky vybroušených plošek na korunce a stanu. Na úzkém pásu pak dalších 32 až 96 plošek. Dalším důležitým ukazatelem kvality diamantu je jeho barva. Na můžeme vidět stupnici, která ukazuje rozdělení diamantů do několika tříd podle jeho zabarvení. Co se týče pozice objektů v námi předpokládané vizualizované scéně, řídili jsme se pouze pomocí základních kompozičních pravidel. Objekt je umístěn ve středu scény a položen na jednoduchém podstavci. 2.2 Pokročilé charakteristiky vizualizované scény Mezi pokročilé charakteristiky pak budou patřit informace o použitých materiálech, fyzikálních charakteristikách objektů ve scéně, informace o typu světel, použité kamerové technice, a další. Obr. 3 Odrazy a lomy světla [WDB 2010] 764
Jedna z nejdůležitějších fyzikálních charakteristik, pro náš projekt, je index lomu. Index lomu je definován jako podíl rychlosti světla ve vakuu a rychlosti světla v daném materiálu. V případě diamantu je to tedy 300000 km/s / 124120 km/s, což je přibližně u čirého diamantu 2,4175. Další charakteristikou je disperze světla (0,044), lesk (100%) a možné barvy (bezbarvý, bílý, žlutý, modrý). Tab. 1 Indexy lomu diamantu pro barevné světlo [WDB 2010] Wavelength (nanometers) Color Diamond refractive index 687.6 red 2.4077 589.2 yellow 2.4176 527.0 green 2.4269 486.1 blue 2.4354 430.8 purple 2.4512 Ve scéně použijeme standardní globální osvětlení pomocí HDRI mapy a také několik sekundárních světel, jako emitorů fotonů do scény pro věrohodné zobrazení caustic efektu. 3 Modelování objektů Druhá fáze projektu se týká modelování objektů ve scéně. Zde již vycházíme z předem nastudovaných předpokladů a vlastností objektů viz. Obr. 4 (vlevo) Standardní proporce diamantu [JEWELRY 2010], (vpravo) Model objektu ve 3D scéně Model objektu, viz, byl vytvořen podle zadaných proporcí v 3D animačním software Autodesk Maya prostřednictvím polygonové reprezentace. Objekt je tvořen počtem 74 polygonů, což odpovídá počtu broušených ploch skutečného diamantu. 4 Tvorba textur a materiálů Aby mohl být objekt správně vizualizován, je potřeba zajistit jeho správné materiálové vlastnosti, založené na přesném fyzikálním modelu. Každý vizualizační software má celou škálu materiálů a to jak základních, tak i pokročilých, kterými můžeme, po správném nastavení, simulovat v podstatě jakýkoliv materiál. V našem případě vizualizace diamantu zvolíme materiál typu mia, který je součástí balíku mental ray. Tento materiál simuluje reálné fyzikální vlastnosti pevných těles. Pro dosažení reálných vlastností povrchu musíme upravit některé charakteristické atributy tohoto materiálu. Prvním atributem je index refrakce, který nastavíme na hodnotu podle Tab. 1. Dalším atributem je nastavení BRDF funkce, která definuje charakter odrazu a lomu paprsku na povrchu materiálu. V našem případě pro tento atribut použijeme Fresnelovi 765
rovnosti pro odrazivost. Poslední důležité vlastnosti diamantu jsou jeho maximální odrazivost a vysoký index lomu. 5 Osvětlení, testování a výsledný výpočet scény Nejdůležitější z celé produkce je správné nasvícení scény. Množství, vlastnosti, barva, teplota světla, jsou základní charakteristiky osvětlení scény. Abychom mohli kvalitně simulovat světelné podmínky, musíme rozhodnout, zda budeme daný objekt snímat v reálných nebo studiových podmínkách. Reálné podmínky se vyznačují přímým slunečním světlem, velkou ambientní složkou a měkkými stíny. Studiové podmínky jsou zastoupeny ve větší míře odrazivou složkou a difuzní složkou. Pro vizualizaci diamantu jsem zvolil studiové podmínky a proměnlivý tří-bodový osvětlovací model. Podstata tří-bodového osvětlovacího modelu je ukázána na Obr. 5. Obr. 5 Tří-bodový osvětlovací model Na základě zvoleného modelu testujeme vhodnou polohu, intenzitu a barvu daných světel. Tato fáze produkce je z časového hlediska nejnáročnější. Některé testy lze provádět v základním výpočtu scény, což znamená menší výpočetní náročnost a tím i menší časovou náročnost. Složitější světelné efekty, jako globální osvětlení scény, final gathering a caustics, však musíme testovat v téměř plné výpočetní kvalitě. Několik testů můžeme vidět na následujícím obr. 6. Jedná se o testy v plné kvalitě. Obr. 6 Testování světelných vlastností vizualizované scény 766
6 Auto-stereoskopie Námi vizualizovaná scéna je tvořena pro produkci prostřednictvím auto-stereoskopických displejů. Tyto displeje umožňují zobrazení 3D prostorového efektu bez nutnosti použití speciálních brýlí nebo jiné pomocné techniky. Technologie, kterou tyto displeje používají, byla příznačně nazvána paralaxní bariéra. Jde o obdobu lentikulární folie, avšak místo čoček je zde použita právě paralaxní bariéra, která zajišťuje, aby každé oko vidělo jiný obraz. Tento obraz je, stejně jako v reálném světě, mírně prostorově posunutý a tím docílíme stereoskopického efektu. Technologie Celvision, pro kterou danou vizualizaci tvoříme, využívá 8 prostorově posunutých obrazů, a tím 7 pozorovacích úhlů. Obr. 7 Princip auto-stereoskopické technologie Celvision 7 Kompozice Principem technologie Celvision je vykreslení syntetické scény osmi různými na sobě závislými kamerami. Výsledný obraz se pak ukládá do speciálního formátu obsahujícího informace o snímání obrazu z těchto osmi kamer. Tyto jsou poskládány podle předem daných pravidel do mřížky 3x3 snímků tak, že chybějící devátý obraz vzniká rozdělením obrazů snímaného sedmou a osmou kamerou. Následující ukazuje rozložení osmi vstupních obrazů do matice 3x3. V případě video vstupu musí být stejným způsobem rozděleno 8 video sekvencí v daném pořadí. Přehrávač, vytvořený pro tuto technologii, pak dané obrazy zformuje do mřížky po jednotlivých pixelech tak, jak je vidět na Obr. 7. Mřížka 3x3, definovaná výše, je tedy pouze mezi-formát, pro srozumitelnější tvorbu vstupů pro tato zařízení. Tento formát se nazývá eight-tile. 767
Obr. 8 Vstup pro auto-stereoskopické zařízení Celvision 8 Závěr Námi vizualizovaný projekt diamantu získává díky auto-stereoskopickému zobrazení další rozměr a tím i podstatně jinou formu prezentace, vizualizace i vnímání. Jak již bylo uvedeno v úvodu, stereoskopické technologie jsou v dnešní době na vzestupu a jsou čím dál více používány ve všech vědních i populárních odvětvích. Auto-stereoskopické technologie jsou prozatím ve fázi vývoje a testování, avšak nebude dlouho trvat a začnou se rozvíjet ve velkém. Již dnes je několik komerčních zařízení, která s těmito technologiemi pracují (notebook, mobilní telefon, elektronický mikroskop a další). Poděkování: Tento článek vznikl za podpory projektu SGS15/PřF/2010 9 Literatura ČTK. V New Yorku se bude ve středu dražit obří diamant. [online], [citované 28.5.2010]. Dostupné na: <http://www.financninoviny.cz/zpravy/v-new-yorku-se-bude-ve-stredudrazit-obri-diamant/403580&id_seznam=385> MADAM BUSINESS. Nejdražší diamant prodán. [online], [citované 6.5.2010]. Dostupné na: <http://www.madambusiness.cz/cs/news/112/nejdrazsi-diamant-prodan> FÜRBACH, M. Exkluzivně: jak se vyrábějí diamanty z lidí. Stačí hromádka kremačního popelu. [online], [citované 26.5.2010]. Dostupné na: <http://technet.idnes.cz/exkluzivne-jak-se-vyrabeji-diamanty-z-lidi-staci- hromadka-kremacniho-popelu-175- /tec_reportaze.asp?c=a080910_171404_tec_reportaze_kuz> AM-DIAMONDS. Grading Polished Diamonds For Cut. [online], [citované 28.5.2010]. Dostupné na: <http://www.am-diamonds.com/diamond_cut.php> OAK RIDGE JEWELERS. About Diamonds. [online], [citované 29.5.2010]. Dostupné na: <http://www.oakridgejewelers.net/content.php?page=diamonds> WORLD DIAMOND BOURSE. Optical properties. [online], [citované 30.5.2010]. Dostupné na: <http://www.worlddiamondbourse.com/infos/diamantquoi.aspx?subcat=propoptiques> 768
JEWELRY FINDINGS. Refraction Of Gems And Effects. [online], [citované 2.6.2010]. Dostupné na: <http://jewelryfindings.org/?p=7> Recenzent: doc. RNDr. PaedDr. Eva Volná, PhD., Ostravská univerzita v Ostravě, Přírodovědecká fakulta, Katedra informatiky a počítačů, 30. dubna 22, 701 03 Ostrava, e-mail: eva.volna@osu.cz 769