Модели освещения Алексей Игнатенко Лекция 4 2 ноября 2006

Основы синтеза изображений 2 На прошлой лекции 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

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 3 Что такое модель освещения? Тонирование (shading) Процесс вычисления исходящего излучения для точки поверхности Модель тонирования = модель освещения (shading model) Функция, задающая исходящую энергию в зависимости от входящей

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 4 Модели освещения Противоречивые требования ТочностьВыразительность Скорость

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 5 Модели освещения: точность Противоречивые требования Точность Выразительность Скорость Задачи физически точной симуляции реальных сцен или «предсказания» Нужна численная точность

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 6 Модели освещения: выразительность Противоречивые требования Точность Выразительность Скорость Творчество и искусство Объекты должны выглядеть так, как мы хотим Не важно, возможно ли это в реальности

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 7 Модели освещения: скорость Любая модель освещения должна быть быстрой Выполняется миллионы раз даже для простых сцен! Не имеют смысла модели, расчет которых возможен только теоретически Противоречивые требования ТочностьВыразительность Скорость

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 8 Физически обоснованные и эмпирические модели Физически обоснованные Аппроксимация свойств реального материала (слои, поведение частиц и т.п.) Эмпирические «Подгон» под внешний вид материала При грамотном выборе параметров может давать более качественные результаты!

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 9 Модели освещения: первичное и вторичное освещение Прямое освещение Свет приходит в точку тонирования из источника Вторичное освещение Свет был отражен или преломлен объектами сцены Прямое освещение Вторичное освещение

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 10 Удобное представление освещения – сфера Стоим вокруг точки тонирования сферу Каждой точке сферы сопоставлено входящее (исходящее) направление Излучение по данному направлению задает радиус в данной точке Получается не сфера, а «клякса»

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 11 Типы сфер освещения Сфера освещения illumination sphere Сфера BRDF BRDF sphere Сфера излучения luminance sphere Сфера светимости emission sphere

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 12 Вычисление сферы излучения Сфера освещения Сфера BRDF Сфера излучения Сфера светимости

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 13 Процесс тонирования 1. Строим сферу освещения Сколько света попадает на данную точку? 2. Комбинируем с BRDF На выходе - сфера излучения 3. Находим излучения для любого направления (телесного угла) На практике шаги редко выполняются полностью и в этом порядке Часто используется априорное знание о материале для дискретизации сфер по наиболее важным направлениям Пример – зеркальный материал

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 14 Модели освещения: локальные и глобальные модели Локальные модели Собирается излучение только от источников света Часто используется рассеянное (ambient) освещение Глобальные модели Собирают вторичное освещение

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 15 Модели освещения: локальные и глобальные модели (2) «Глобальность» модели часто не зависит от функции вычисления излучения в точке! Разница в построении сферы освещения Обусловлена разными алгоритмами синтеза

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 16 Модели освещения Эмпирические Ламберт Фонг Блинн-Фонг Лафортюн Физические Торранс-Спарроу Дискретизованная BRDF

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 17 Модели освещения: Ламберт BRDF константна всегда =C/Pi C определяет процент отражения для данной длины волны Для одного источника света

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 18 Ламберт: свойства Самая простая модель освещения Позволяет описывать отражение идеально диффузных поверхностей В природе не существует таких Удобная модель в том числе для анализа свойств других

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 19 Модели освещения: Фонг Добавляет эмпирический косинус для моделирования отражений (блеска)

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 20 Фонг: пример

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 21 Фонг: особенности Не является обратимой Поменяйте местами v и s Не сохраняет энергию

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 22 Модели освещения: Блинн-Фонг Не требуется вычисления вектора отражения

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 23 Сравнение Фонг и Блинн-Фонг

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 24 Зеркальная и диффузная составляющие BRDF Насколько это оправдано? Оправдано! Описывает материалы, содержащие отражающие и диффузные частицы Пропорции частиц задают коэффициенты ks,rd

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 25 Модели освещения Эмпирические Ламберт Фонг Блинн-Фонг Лафортюн Физические Торранс-Спарроу Табличная BRDF

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 26 Модели освещения: Лафортюн Специально разработана для подгона измеренных BRDF под модели с небольшим числом параметров Основана на модели Фонга

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 27 Лафортюн: модифицикация модели Фонга xy z O i можно использовать как параметр модели!

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 28 Лафортюн: основная формула

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 29 Модели освещения Эмпирические Ламберт Фонг Блинн-Фонг Лафортюн Физические Торранс-Спарроу Табличная BRDF

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 30 Модели освещения: Френелевские отражения Процент отраженного и преломленного света неодинаков для разных входящих направлений! Задается законом Френеля (Fresnel)

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 31 Модели освещения: микрофасетные модели Модель: Статистическое распределение микрофасетов nf BRDF каждого микрофасета У каждой модели своя аппроксимация Разная точность и сложность n n nf Матовая поверхностьБлестящая поверхность

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 32 Микрофасетные модели: основые эффекты МаскированиеЗатенениеПереотражение Вероятность того или иного события задается конкретной моделью

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 33 Микрофасетные модели: Модель Торранса-Спарроу Одна из первых моделей на основе микрофасетов (1967) Предназначена для моделирования металлических поверхностей Каждый микрофасет – идеально зеркальный Поверхность описывается распределением D(ω h ) Дает вероятность, что микрофасет имеет ориентацию ω h

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 34 Торранс-Спарроу Только микрофасеты с ориентацией ω h могут дать идеально зеркальное отражение в направлении ωo вероятность маскирования или затенения коэффициент френевского отражения

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 35 Применимость моделей для аппроксимации реальных данных

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 36 Для измеренной BRDF: Блинн-Фонг

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 37 Для измеренной BRDF: Лафортюне

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 38 Для измеренной BRDF: Кук-торранс

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 39 Для измеренной BRDF: сравнение Блинн-ФонгЛафортюнКук-Торранс

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 40 Модели освещения Эмпирические Ламберт Фонг Блинн-Фонг Лафортюн Физические Торранс-Спарроу Табличная BRDF

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 41 Табличная BRDF Вместо хранение коэффициентов модели можно хранить таблицу значений функции Различные варианты сжатия, дискретизации Сферические гармоники...

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 42 Модели освещения Эмпирические Ламберт Фонг Блинн-Фонг Лафортюн Физические Торранс-Спарроу Табличная BRDF

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 43 Итоги Тонирование: процесс вычисления исходящего излучения для точки поверхности Точность, выразительность, скорость Физически обоснованные и эмпирические модели Модели: Ламберт Фонг и Блинн-Фонг Лафортюн Торранс-Спарроу Табличная BRDF

2 ноября 2006 Основы синтеза изображений 44 Использованные материалы В презентации использованы изображения из Andry Glassner. Image syntesis Wikipedia ( Experimental Analysis of BRDF Models. In proceedings of Addy Ngan, Frédo Durand, Wojciech Matusik Experimental Analysis of BRDF Models. In proceedings of Eurographics Symposium on Rendering 2005.