Dubbla strålreflektansfunktion

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 29 augusti 2014; kontroller kräver 24 redigeringar .

Bidirectional reflectance distribution function ( BRDF ) är en fyrdimensionell funktion som bestämmer hur ljus reflekteras från en ogenomskinlig yta. Funktionens parametrar är riktningen för det inkommande ljuset och riktningen för det utgående ljuset , vilka definieras i förhållande till normalen till ytan . Funktionen returnerar förhållandet mellan den reflekterade ljusstyrkan och belysningen på ytan från riktningen . $f_{r}(\omega _{i},\omega _{o})$ $\omega _{i}$ $\omega _{o}$ $\mathbf {n}$ $\omega _{o}$ $\omega _{i}$

Det är värt att notera att varje riktning i sig beror på azimutvinkeln och zenitvinkeln (zenitvinkeln kallas även polarvinkeln ), så att DPOS är en funktion av fyra variabler. DPOS mäts i sr −1 , där steradianen (sr) är enheten för rymdvinkel . $\omega$ $\phi$ $\theta$

Definition

DFOS definierades först av Edward Nikodemus 1965 [1] . Den moderna definitionen av denna funktion är följande:

$f_{r}(\omega _{i},\omega _{o})={\frac {dL_{r}(\omega _{o})}{dE_{i}(\omega _{ i})}}={\frac {dL_{r}(\omega _{o})}{L_{i}(\omega _{i})\cos \theta _{i}\,d\omega _ {i}}}$ ,

var är ljusstyrkan , är belysningsstyrkan och är vinkeln mellan riktningen och normalen . $L$ $E$ $\theta _{i}$ $\omega _{i}$ $n$

Funktioner relaterade till DFOS

SVBRDF ( Spatially-variing Bidirectional Reflectance Distribution Function ) är en 6-dimensionell funktion , där den beskriver 2D-positionen på ytan av ett objekt. $f_{r}(\omega _{i},\omega _{o},\mathbf {x} )$ $\mathbf {x}$

Dubbelriktad texturfunktion ( eng. Bidirectional Texture Function, BTF ) är lämplig för modellering av ojämna ytor och har samma parametrar som SVBRDF; dessutom inkluderar BTF spridningseffekter som skuggor, inre reflektioner och spridning under ytan. Funktionerna som definieras av BTF vid varje punkt på ytan kallas synliga BRDF:er .

Funktionen för dubbelriktad spridningsreflektionsfördelning ( BSSRDF ) är en mer generaliserad 8-dimensionell funktion där ljus som faller på en yta kan spridas inuti den och gå ut från en annan punkt. $S(\mathbf {x} _{i},\omega _{i},\mathbf {x} _{o},\omega _{o})$

I alla dessa fall togs inte hänsyn till beroendet av våglängden och gömdes i RGB-kanalerna. I verkligheten beror dock DPOS på våglängden, och för att kunna beräkna sådana effekter som iridescens eller luminescens måste beroendet av våglängden anges uttryckligen: . $f_{r}(\lambda _{i},\omega _{i},\lambda _{o},\omega _{o})$

DFOS i fysik

DPOS i fysik har ytterligare egenskaper, t.ex.

icke-negativitet: $f_{r}(\omega _{i},\omega _{o})\geq 0$
uppfyller Helmholtz-ekvationen : . $f_{r}(\omega _{i},\omega _{o})=f_{r}(\omega _{o},\omega _{i})$
energi sparande: $\forall \omega _{i},\int _{\Omega }f_{r}(\omega _{i},\omega _{o})\,\cos {\theta _{o)) d\omega _{o}\leq 1$

Applikation

DFOS är ett grundläggande radiometriskt koncept och används därför i datorgrafik för fotorealistisk återgivning av konstgjorda scener (se renderingsekvationen ) och i datorseende för många omvända problem såsom objektigenkänning .

DFOS (BRDF) är huvudverktyget för att modellera grova ytor med specificerade egenskaper, såsom erforderliga reflektionsvinklar, lutningsvinklar för mikrofacetter av grova ytor och deras ljusabsorberande och ljusreflekterande förmåga. Sådana ytor används vid tillverkning av yttre skyddsskikt av solpaneler, solfångare och rymdutrustning.

Modeller

DPOS kan byggas direkt från verkliga objekt med hjälp av kalibrerade kameror och ljuskällor [2] ; emellertid har många fenomenologiska och analytiska modeller föreslagits, inklusive Lambert-reflektionsmodellen , som ofta används i datorgrafik. Några användbara funktioner i de senaste modellerna:

Anisotropisk reflektion
Redigering med få intuitiva alternativ
Redovisning för Fresnel-effekter vid glidande vinklar
Passar bra med Monte Carlo - metoden .

Wojciech och fann att interpolering av ett uppmätt prov leder till realistiska resultat och är lätt att förstå. [3]

Exempel

Lambert reflektionsmodell, utmärkt för att visa diffusa ytor (endast beroende på zenitinfallsvinkeln ). $f_{r}=\cos(\theta _{i})$
Lommel-Seliger, reflektion av månen och Mars.
Phong modell , en fenomenologisk modell som liknar reflektion från en plastyta. [fyra]
Blinn-Phong-modellen, liknar Phong-modellen, men beräknar vissa kvantiteter genom interpolation, vilket minskar antalet beräkningar. [5]
Torrance-Sparrow modell, en modell som representerar en yta som en fördelning av perfekt reflekterande kanter. [6]
Cooke-Torrens modell, reflekterande mikrofacettmodell (Torrens-Sparrow) med tanke på våglängd, alltså med hänsyn till färgskiftning. [7]
Wards anisotropa modell, en reflekterande mikrofacettmodell med en fördelningsfunktion beroende på ytans tangentiella orientering (orientering med avseende på tangenten) (utöver normalen till ytan). [åtta]
Oren-Nayar-modellen, en modell av perfekt spridande (bättre än spegelblanka) mikrofacetter. [9]
Ashkmin-Shirley-modell inklusive anisotropisk reflektion. [tio]
HTSG (He,Torrance,Sillion,Greenberg), en omfattande fysisk modell. [elva]
Inbyggd Lafortuna-modell, en generalisering av Phong-modellen med flera reflekterande fraktioner, designad för att förbereda uppmätta värden. [12]
Lebedev-modell, rutnätsanalytisk approximation av DFOS. [13]
B. K. P. Horns DFOS blank färgmodell. [fjorton]

Dimension

Traditionellt gjordes DPOS-mätningar för specifika ljus- och siktriktningar med hjälp av en goniorescatterometer. Ganska täta mätningar av DPOS på sådan utrustning tar för mycket tid. En av de första förbättringarna var användningen av en genomskinlig spegel och en digitalkamera för att ta flera DPOS-prover av ett plant område samtidigt [8] . Sedan dess har många forskare utvecklat sina enheter för att effektivt mäta DPOS från verkliga prover, och detta är fortfarande ett stort forskningsområde.

Ett alternativt sätt är att återställa DPOS från fotografiska bilder med ett brett dynamiskt ljusstyrkaområde. Standardsättet är att erhålla ett urval av värden (eller ett moln) av DPOS-punkter från en fotografisk bild och optimera detta prov med en av DPOS-modellerna. [femton]

Se även

Litteratur

Lubin, Dan; Robert Massom. Polar Remote Sensing: Volym I: Atmosphere and Oceans (engelska) . - 1. - Springer, 2006. - P. 756. - ISBN 3540430970 .
Matt, Pharr; Greg Humphreys. Fysiskt baserad rendering (neopr.) . - 1. - Morgan Kauffmann, 2004. - S. 1019. - ISBN 012553180X .
Schaepman-Strub, G.; ME Schaepman, TH Målare, S. Dangel, JV Martonchik. härkomst som återspeglar studier av fjärrkontroller-i fjärrkontroller-i fjärrkontroller-i-sinnen (engl . - 2006. - 15 juli ( vol. 103 , nr 1 ). - S. 27-42 . - doi : 10.1016/j.rse.2006.03.002 . Arkiverad från originalet den 14 augusti 2009.

Anteckningar

↑ Nikodemus, Fred. Riktningsreflektans och emissivitet hos en ogenomskinlig yta (engelska) // Applied Optics : journal. - 1965. - Vol. 4 , nr. 7 . - s. 767-775 . - doi : 10.1364/AO.4.000767 .
↑ Rusinkiewicz, S. En undersökning av BRDF-representation för datorgrafik . Hämtad 5 september 2007. Arkiverad från originalet 26 april 2012. (obestämd)
↑ Wojciech Matusik, Hanspeter Pfister, Matt Brand och Leonard McMillan. En datadriven reflektansmodell arkiverad 21 juli 2018 på Wayback Machine . ACM-transaktioner på grafik. 22(3) 2002.
↑ BT Phong, Belysning för datorgenererade bilder, Communications of ACM 18 (1975), nr. 6, 311-317.
↑ James F. Blinn. Modeller av ljusreflektion för datorsyntetiserade bilder // Proc . Fjärde årliga konferensen om datorgrafik och interaktiva tekniker: tidskrift. - 1977. - S. 192 . doi : 10.1145 / 563858.563893 .
↑ K. Torrance och E. Sparrow. Teori för off-spekulär reflektion från ojämna ytor. J. Optical Soc. America, vol. 57. 1976. sid. 1105-1114.
↑ R. Cook och K. Torrance. "En reflektionsmodell för datorgrafik". Computer Graphics (SIGGRAPH '81 Proceedings), Vol. 15, nr. 3, juli 1981, sid. 301-316.
↑ 1 2 Ward, Gregory J. (1992). "Mäta och modellera anisotropisk reflektion". Handlingar av SIGGRAPH . pp. 265-272. DOI : 10.1145/133994.134078 . Hämtad 2008-02-03 . |access-date=kräver |url=( hjälp )
↑ SK Nayar och M. Oren, " Generalisering av Lambertian-modellen och implikationer för maskinseende arkiverad 22 juni 2010 på Wayback-maskinen ". International Journal on Computer Vision, Vol. 14, nr. 3, sid. 227-251, april 1995
↑ Michael Ashikhmin, Peter Shirley, An Anisotropic Phong BRDF Model, Journal of Graphics Tools 2000
↑ X. He, K. Torrance, F. Sillon och D. Greenberg, En omfattande fysisk modell för ljusreflektion, Computer Graphics 25 (1991), nr. Årskonferensserien, 175-186.
↑ E. Lafortune, S. Foo, K. Torrance och D. Greenberg, Icke-linjär approximation av reflektansfunktioner. I Turner Whitted, redaktör, SIGGRAPH 97 Conference Proceedings, Annual Conference Series, s. 117-126. ACM SIGGRAPH, Addison Wesley, augusti 1997.
↑ Ilyin A., Lebedev A., Sinyavsky V., Ignatenko, A., Modellering av de reflekterande egenskaperna hos material i platta objekt från fotografiska bilder . I: GraphiCon'2009.; 2009. sid. 198-201.
↑ Marr D. Vision. Informationsmässigt förhållningssätt till studiet av representation och bearbetning av visuella bilder (neopr.) . - Moskva: Radio och kommunikation, 1987. - S. 252. ; Horn BKP Förstå bildintensiteter // Artificiell intelligens. - 1977. - Nr 8 . - S. 201-231 .
↑ BRDFRecon-projekt för att återställa DFOS från fotografier Arkiverad 20 augusti 2011 på Wayback Machine