Multispectrale Rendering

1
Multispectrale Rendering

• Peter Vangorp
• Koen Yskout

Promotor Prof. Dr. ir. Ph. Dutré Begeleider
K. vom Berge
2
Overzicht

1. Inleiding
2. Kleur
3. Spectrale representaties
4. Spectrale effecten
5. Besluit

3
Overzicht

• Inleiding
• Situering
• Raytracing photon map
• Implementatie
• Kleur
• Spectrale representaties
• Spectrale effecten
• Besluit

4
Situering
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Foto-realistische beeldgeneratie ahv raytracing
• Traditioneel
• kleur RGB
• Onze thesis
• kleur spectrum
• nauwkeuriger
• essentieel voor sommige effecten

5
Raytracing photon map
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

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

6
Raytracing photon map
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Raytracing
• Eenvoudige reflecties en refracties

7
Raytracing photon map
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Raytracing
• Problemen caustics

8
Raytracing photon map
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Photon mapping
• 2 fasen
• Schiet photons en bewaar ze in de photon map
• Render zoals in klassieke raytracing, maar
  gebruik photon-informatie
• Caustics zijn nu eenvoudig (geclusterd in de
  photon map)

9
Implementatie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Basis pbrt
• bij Physically Based RenderingMatt Phar Greg
  Humphreys
• Uitgebreid met eigen spectraal framework en
  nieuwe materialen
• C

10
Overzicht

• Inleiding
• Kleur
• Spectra
• XYZ en RGB
• RGB naar spectrum
• Spectrale representaties
• Spectrale effecten
• Besluit

11
Spectra
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Licht superpositie van golven
• Golf heeft bepaalde golflengte
• Golflengte 400-700 nm kleur

400 nm
700 nm
550 nm
12
Spectra
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Spectrum van licht
• SPD (spectral power distribution)
• verdeling van vermogen volgens golflengte

SPD (Watt)
400 nm
700 nm
550 nm
13
Spectra
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Waargenomen spectrum van een object
• SPD lichtbron Reflectantie materiaal

waargenomen spectrum
SPD
reflectantie
14
XYZ en RGB
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Metameren
• 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

15
XYZ en RGB
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Color matching functies
• gewichten voor testlichten zodat ze metameer
• zijn voor een monochromatisch licht

0.00
0.33
(http//www.research.ibm.com/image_apps/colorsci.h
tml)
0.05
16
XYZ en RGB
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Beschrijving met tristimuluswaarden
• XYZ
• color matching functies
• OK om alle kleursensaties te beschrijven
• beeldschermonafhankelijk

17
XYZ en RGB
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• 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)

18
XYZ en RGB
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

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

?
(0.1, 0.1, 1)
(0.1, 1, 0.1)
(0.01, 0.1, 0.1)
?


metameer
niet metameer!
19
XYZ en RGB
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Bewijs dat RGB niet voldoende is
• RGB
• R G 0
• (RB)G 0
• (RG)G G
• Spectra
• van RGB afgeleid

rood
paars
geel
(groen licht)
20
XYZ en RGB
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Nauwkeurige beschrijvingen van licht, materialen,
  ...
• Gebruik spectra ipv XYZ/RGB
• XYZ/RGB enkel voor uiteindelijke visualisatie

21
RGB naar spectrum
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• 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
22
RGB naar spectrum
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Methode van Smits (cyaan, magenta, geel)

23
RGB naar spectrum
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• 7 spectra ipv 3 (R, G, B) ?
• wit spectrum is beter dan som van R, G, B
• magenta is beter dan RB
• ...

24
RGB naar spectrum
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Voorbeeld

(1.0, 0.6, 0.2)
0.2
- 0.2 Wit
(0.8, 0.4, 0.0)
0.4
- 0.4 Geel
(0.4, 0.0, 0.0)
0.4
- 0.4 Rood

25
RGB naar spectrum
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• 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
26
Overzicht

• Inleiding
• Kleur
• Spectrale representaties
• Bemonsterd
• Getabuleerd
• Fourier
• Composiet
• Conversies en bewerkingen
• Spectrale effecten
• Besluit

27
Bemonsterd
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Verdeel spectrum in gelijke intervallen
• Waarden op gelijke afstand
• Interpolatie
• Nauwkeurig
• Veel data

-
28
Getabuleerd
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Koppels (golflengte, waarde)
• Interpolatie
• Nauwkeurig
• Mogelijk meer monsters waar nodig
• Nog meer data

-
29
Fourier
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Fourier-coëfficiënten
• Eenvoudig zacht verlopende spectra
• Weinig (9) coëfficiënten geeft nog redelijk
  resultaat
• Dure evaluatie en bewerkingen
• ? Omzetting naar bemonsterd

-
30
Fourier
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• OK voor zachtverlopende spectra
• wat met steile flanken?

Fourier
31
Composiet
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• 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

32
Conversies en bewerkingen
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Conversies
• tussen alle types
• bemonsterd, getabuleerd, fourier, composiet
• en ook RGB, XYZ
• expliciet
• maximale vrijheid
• bvb. naar bemonsterd met 30 waarden in 400-700nm
• impliciet
• vast evenwicht tussen nauwkeurigheid en
  efficiëntie
• bvb. naar bemonsterd met 20 waarden op 360-830nm
• enkel conversie naar een hoger type
• op basis van hoeveelheid informatie of voorkeur

33
Conversies en bewerkingen
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Bewerkingen
• problemen t.o.v. typische RGB Color-klasse
• waarde opvragen onafh. van representatie
• per golflengte
• eventueel impliciete conversie
• waarde van RGB op golflengte 510nm?
• bewerkingen
• voor ieder type
• vermenigvuldiging van Fourier-spectra?
• conversieregels
• RGB x Fourier ?

34
Overzicht

• Inleiding
• Kleur
• Spectrale representaties
• Spectrale effecten
• Interferentie in dunne film
• Diffractie
• Dispersie
• Absorptie in volumes
• Bemonsterde BRDF
• Besluit

35
Interferentie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Snelcursus optica

36
Interferentie in dunne film
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit
Zeepbel Fresnel aan twee oppervlakken één
interne reflectie is voldoende
Interference colours of soap bubbles, D.
Jaszkowski en J. Rzeszut, 2003
37
Interferentie in dunne film
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit
Benadering slechts 1 inkomende straal
38
Interferentie in dunne film
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Zeepbel
• dikte exponentieel
• met hoogte

39
Interferentie in dunne film
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Resultaten

Bron Jan-Willem Bijl, http//www.photographyblog.
com/ gallery/showphoto.php?photo5545 (met
toestemming)
40
Interferentie in dunne film
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Resultaten
• groter dikteverschil

0.20 µm 1.50 µm
0.53 µm 0.73 µm
41
Overzicht

• Inleiding
• Kleur
• Spectrale representaties
• Spectrale effecten
• Interferentie in dunne film
• Diffractie
• Dispersie
• Absorptie in volumes
• Bemonsterde BRDF
• Besluit

42
Diffractie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Doel

A Spectrum-Based Framework for Realistic Image
Synthesis, Y. Sun, 2000
hoofdstrip radiaal kleurverloop
nevenstrip transversaal kleurverloop
43
Diffractie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Snelcursus optica

44
Diffractie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Compact disc
• microstructuur

Bron Ch. Noldeke, Compact Disc Diffraction,
The Physics Teacher, 1990 geciteerd in Y. Sun,
A Spectrum-Based Framework for Realistic Image
Synthesis, 2000
45
Diffractie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Compact disc
• vereenvoudigd model

46
Diffractie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Benadering
• slechts 1 inkomende en uitgaande straal

47
Diffractie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• BRDF
• diffractieve component
• tussen verschillende sporen
• hoofdstrip
• tussen putjes binnen een spoor
• nevenstrips
• anisotroop speculair
• om de secundaire
• nevenstrips af te zwakken
• niet-diffractieve component
• isotroop diffuus en speculair

48
Diffractie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Resultaten

49
Diffractie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Resultaten

50
Diffractie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Resultaten

CD
DVD
51
Diffractie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Beperkingen
• dit kunnen we NIET renderen
• maar dit zie je toch niet in het dagelijks leven

52
Overzicht

• Inleiding
• Kleur
• Spectrale representaties
• Spectrale effecten
• Interferentie in dunne film
• Diffractie
• Dispersie
• Absorptie in volumes
• Bemonsterde BRDF
• Besluit

53
Dispersie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Brekingsindex afhankelijk van golflengte
• Benadering Sellmeier
• (met B1,2,3 en C1,2,3 experimentele waarden)

diamant
glas
54
Dispersie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• ? Gewone raytracing

55
Dispersie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• caustics
• ? Photon mapping

56
Dispersie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• 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!

57
Dispersie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Resultaten

58
Dispersie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Resultaten

59
Dispersie
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Resultaten

60
Overzicht

• Inleiding
• Kleur
• Spectrale representaties
• Spectrale effecten
• Interferentie in dunne film
• Diffractie
• Dispersie
• Absorptie in volumes
• Bemonsterde BRDF
• Besluit

61
Absorptie in volumes
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• (nog) geen overtuigend resultaat
• geen duidelijk voordeel in spectrale absorptie

62
Bemonsterde BRDF
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Spectraal opgemeten BRDFs
• van Cornell University
• 8 x 180 x 31
• Interpoleren
• tussen dichtste buren

Model gebaseerd op het model van Cornell
University
63
Bemonsterde BRDF
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Beperking smalle pieken
• speculaire reflectie niet opgemeten
• gesimuleerde meting van cd (diffractie)

64
Besluit
Inleiding Kleur Spectrale
representaties Spectrale effecten Besluit

• Spectra zijn absoluut nodig
• RGB is soms hopeloos ontoereikend
• Spectra zijn niet veel trager dan RGB
• intersecties 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

65
(No Transcript)