multispectrale rendering

Multispectrale Rendering

Peter VangorpKoen Yskout

Promotor: Prof. Dr. ir. Ph. DutréBegeleider: K. vom Berge

Peter Vangorp - Koen Yskout 2

Overzicht

1. Inleiding2. Kleur3. Spectrale representaties4. Spectrale effecten5. Besluit


Overzicht

1. Inleiding• Situering• Raytracing & photon map• Implementatie

2. Kleur3. Spectrale representaties4. Spectrale effecten5. Besluit


Situering

Foto-realistische beeldgeneratie ahv raytracing

Traditioneel:kleur = RGB

Onze thesiskleur = spectrum

• nauwkeuriger• essentieel voor sommige effecten

Inleiding

Kleur

Spectrale representaties

Spectrale effecten

Besluit


Raytracing & photon map

Raytracing:• Virtuele camera• Schiet straal door elke pixel• Zoek dichtste intersectie en

bepaal kleur

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit



RaytracingEenvoudige reflecties en refracties

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit



RaytracingProblemen: caustics

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit



Photon mapping2 fasen:

1. Schiet ‘photons’ en bewaar ze in de photon map

2. Render zoals in klassieke raytracing, maar gebruik photon-informatie

Caustics zijn nu eenvoudig (geclusterd in de photon map)

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Implementatie

Basis: pbrtbij “Physically Based Rendering”

Matt Phar & Greg Humphreys

Uitgebreid met eigen spectraal framework en nieuwe materialen

C++

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Overzicht

1. Inleiding2. Kleur

• Spectra• XYZ en RGB• RGB naar spectrum

3. Spectrale representaties4. Spectrale effecten5. Besluit


Spectra

Licht = superpositie van golven

Golf heeft bepaalde golflengte

Golflengte 400-700 nm: kleur

400 nm 700 nm550 nm

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Spectra

Spectrum van licht:SPD (spectral power distribution)

= verdeling van vermogen volgens golflengte

400 nm 700 nm550 nm

SPD(Watt)

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Spectra

Waargenomen spectrum van een object= SPD lichtbron × Reflectantie materiaal

× =

SPD reflectantie waargenomenspectrum

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


XYZ en RGBMetameren:

Verschillend spectrum, zelfde kleursensatie

Metameren zijn invariant voor lineaire operaties (optellen, vermenigvuldigen met constante, ...)

3 waarden volstaan om alle kleursensaties te beschrijven

= tristimuluswaarden

Metamere spectra hebben dezelfde tristimuluswaarden

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


XYZ en RGBColor matching functies:

gewichten voor testlichten zodat ze metameerzijn voor een monochromatisch licht

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

(http://www.research.ibm.com/image_apps/colorsci.html)0.33

0.05

0.00


XYZ en RGB

Beschrijving met tristimuluswaarden:XYZ

: color matching functies

• OK om alle kleursensaties te beschrijven

• beeldschermonafhankelijk

dzIz

dyIy

dxIx

)()(

)()(

)()(

)(),(),( zyx

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


XYZ en RGB

Beschrijving met tristimuluswaarden:RGB

voor sRGB

• Ook OK om alle kleursensaties te beschrijven (met negatieve waarden)

• Meestal 0 ≤ r,g,b ≤ 1 (floating point) of0 ≤ r,g,b ≤ 255 (integer) slechts deel kan beschreven worden

• Maar: beeldscherm-afhankelijk (fosfors)

z

y

x

b

g

r

1.05707 0.20399-0.05563

0.041551.875990.9692-

0.4985-1.53726-3.24071

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


XYZ en RGB

XYZ en RGB zijn niet voldoende om alle spectra te beschrijven!

× =

× =

metameer

(0.1, 0.1, 1) (0.1, 1, 0.1)

niet metameer!

(0.01, 0.1, 0.1)

?

?

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


XYZ en RGB

Bewijs dat RGB niet voldoende is:

RGB: R ×G = 0

(R+B)×G = 0

(R+G)×G = G

Spectra:van RGB afgeleid

rood paars geel(groen licht)

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


XYZ en RGB

Nauwkeurige beschrijvingen van licht, materialen, ...

Gebruik spectra ipv XYZ/RGB XYZ/RGB enkel voor uiteindelijke

visualisatie

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


RGB naar spectrum

Methode van Smits:

• 7 Basisspectra voor W, C M Y, R G B• Spectra gekozen zodat ze zacht

verlopen• Lineaire combinatie van 3 van deze

spectra

An RGB to Spectrum Conversion for Reflectances, B. Smits, 2000

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

400 450 500 550 600 650 700 750 8000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

WhiteRedGreenBlue

400 450 500 550 600 650 700 750 8000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Wavelength

CyanMagentaYellow


RGB naar spectrum

Methode van Smits (cyaan, magenta, geel)

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

400 450 500 550 600 650 700 750 8000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

WhiteRedGreenBlue

400 450 500 550 600 650 700 750 8000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Wavelength

CyanMagentaYellow


RGB naar spectrum

7 spectra ipv 3 (R, G, B) ?wit spectrum is beter dan som van R, G, Bmagenta is beter dan R+B...

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


0.4 * =

RGB naar spectrum

Voorbeeld

(1.0, 0.6, 0.2)

- 0.2 * Wit

(0.8, 0.4, 0.0)

- 0.4 * Geel

(0.4, 0.0, 0.0)

- 0.4 * Rood

0.2 * =

0.4 * =

+

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


RGB naar spectrum

Methode van Sun:

• Spectrum = som van 3 Gauss-curves• Breedte Gauss-curve ~ saturatie kleur

Deriving spectra from colors and rendering light interference, Y. Sun, 1999

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Overzicht

1. Inleiding2. Kleur3. Spectrale representaties

• Bemonsterd• Getabuleerd• Fourier• Composiet• Conversies en bewerkingen

4. Spectrale effecten5. Besluit


Bemonsterd

Verdeel spectrum in gelijke intervallen

Waarden op gelijke afstandInterpolatie

NauwkeurigVeel data

+−

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Koppels (golflengte, waarde)Interpolatie

NauwkeurigMogelijk meer monsters waar nodigNog meer data

Getabuleerd

+

−

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Fourier

Fourier-coëfficiënten

Eenvoudig zacht verlopende spectraWeinig (~9) coëfficiënten geeft nog redelijk

resultaatDure evaluatie en bewerkingen Omzetting naar bemonsterd

+

−

minmax

min

1 minmax

min0 )(2sin

)(2cos

2)(

n

bn

aa

S nn

n

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Fourier

OK voor zachtverlopende spectrawat met steile flanken?

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

Fourier


Composiet

Zacht verlopend spectrum+ pieken (golflengte, gewicht)

Beter dan andere manieren voor spectra met pieken (bv. TL-verlichting)

Keuze van voorstelling voor het zacht verlopende gedeelte is vrij

+

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Conversies en bewerkingen

Conversiestussen alle types

bemonsterd, getabuleerd, fourier, composieten ook RGB, XYZ

explicietmaximale vrijheid

bvb. naar bemonsterd met 30 waarden in 400-700nm

implicietvast evenwicht tussen nauwkeurigheid en

efficiëntiebvb. naar bemonsterd met 20 waarden op 360-

830nm

enkel conversie naar een “hoger” typeop basis van “hoeveelheid informatie” of voorkeur

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Conversies en bewerkingen

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

Bewerkingenproblemen t.o.v. typische RGB Color-klasse:waarde opvragen onafh. van representatie

per golflengteeventueel impliciete conversie

waarde van RGB op golflengte 510nm?

bewerkingenvoor ieder type

vermenigvuldiging van Fourier-spectra?

conversieregelsRGB x Fourier = ?


Overzicht

1. Inleiding2. Kleur3. Spectrale representaties4. Spectrale effecten

• Interferentie in dunne film• Diffractie• Dispersie• Absorptie in volumes• Bemonsterde BRDF

5. Besluit


Interferentie

Snelcursus optica

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

0

1 2 0 1 0 2

1 2 1 20

nieuwe amplitude

1 2

1 2

2, sin

sin sin

2 cos sin2 2

constructief:

1destructief:

2

k E E k x

E E E k x E k x

x x x xE k k

x x n

x x n


Zeepbel

Fresnel aan twee oppervlakkenéén interne reflectie is voldoende

Interferentie in dunne film

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

Interference colours of soap bubbles, D. Jaszkowski en J. Rzeszut, 2003


Benadering:slechts 1 inkomende straal


Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit



Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

Zeepbeldikte exponentieelmet hoogte



Resultaten

Bron: Jan-Willem Bijl, http://www.photographyblog.com/gallery/showphoto.php?photo=5545 (met toestemming)

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit



Resultatengroter dikteverschil

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

0.20 µm – 1.50 µm 0.53 µm – 0.73 µm


Overzicht



5. Besluit


Diffractie

Doel

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

hoofdstrip: radiaal kleurverloop

nevenstrip: transversaal kleurverloop

A Spectrum-Based Framework for Realistic Image Synthesis, Y. Sun, 2000


Diffractie

Snelcursus optica

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Diffractie

Compact discmicrostructuur

Bron: Ch. Noldeke, “Compact Disc Diffraction”, The Physics Teacher, 1990; geciteerd in Y. Sun, “A Spectrum-Based Framework for Realistic Image Synthesis”, 2000

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Diffractie

Compact discvereenvoudigd model

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Diffractie

Benadering:slechts 1 inkomende en uitgaande straal

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Diffractie

BRDFdiffractieve component

tussen verschillende sporenhoofdstrip

tussen putjes binnen een spoornevenstrips

anisotroop speculairom de secundairenevenstrips af te zwakken

niet-diffractieve componentisotroop diffuus en speculair

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Diffractie

Resultaten

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Diffractie

Resultaten

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

CD DVD


Diffractie

Beperkingendit kunnen we NIET renderen

maar dit zie je toch niet in het dagelijks leven

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Overzicht



5. Besluit


Dispersie

Brekingsindex afhankelijk van golflengte

Benadering: Sellmeier

(met B1,2,3 en C1,2,3 experimentele waarden)

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

31 2

1 2 3

²² ²( ) 1

² ² ²

BB Bn

C C C

diamant

glas


Gewone raytracing

DispersieInleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


~ caustics Photon mapping

DispersieInleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Dispersie

Renderen van dispersie:• Overal monochromatische stralen• Splitsen in monochromatische stralen

vanaf dispersief oppervlak- Vast aantal monsters- Aantal monsters = f(hoek blauwe en rode

straal)- Equidistant vs random

TRAAG!

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Dispersie

Resultaten

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Overzicht



5. Besluit


Absorptie in volumes

(nog) geen overtuigend resultaatgeen duidelijk voordeel in spectrale

absorptie

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit


Bemonsterde BRDFInleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

Spectraal opgemeten BRDFsvan Cornell University8 x 180 x 31

Interpolerentussen dichtste buren

Model gebaseerd op het model van Cornell University


Bemonsterde BRDFInleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

Beperking: smalle piekenspeculaire reflectie niet opgemetengesimuleerde meting van cd (diffractie)


Besluit

Spectra zijn absoluut nodigRGB is soms hopeloos ontoereikend

Spectra zijn niet veel trager dan RGBintersecties blijven het traagste punt

Golflengte als extra dimensie in de Monte Carlo integratie van de rendering vergelijking is wel te traag

dispersie kan alleen op deze trage manier

Inleiding

Kleur


Spectrale effecten

Besluit

multispectrale rendering

Documents