Grafik. Tidig datorgrafik. Plottern (1950-talet) Datorgrafik idag. Bildelement. En introduktion till bildsyntes. Gustav Taxén

Relevanta dokument
Översikt. Bildsyntesens huvudmålsättning. Ljusmodeller. Simulerat ljusspektra till datorskärm? Ljusspektra. En introduktion till bildsyntes

Översikt. Bildsyntesens huvudmålsättning. Ljusmodeller. Simulerat ljusspektra till datorskärm? Ljusspektra. En introduktion till bildsyntes

Realism och hypermediering

Bildsyntesens mål. Realism. Realism. Realism och hypermediering. Bildsyntes. att. från fotografier.

Bildsyntesens mål. från fotografier. llor reflekteras av ytor. t.ex. simulerad kamerafilm). datorskärm. rm).

Realism och hypermediering

DGI/SUDOA Den historiska utvecklingen. Globala - lokala belysningsmodeller. Lokala belysningsmodeller. Rendering equation

Vågfysik. Geometrisk optik. Knight Kap 23. Ljus. Newton (~1660): ljus är partiklar ( corpuscles ) ljus (skugga) vs. vattenvågor (diffraktion)

I rastergrafikens barndom...gjorde man grafik genom att skriva i ett videominne. Operationer på buffert och pixlar. Idag... Varför grafikkort?

Grafik raytracing. Mattias Axblom.

Grafiska system. Färgblandning. Samspel mellan ytor. Ögats. fysionomi. Ljusenergi. Signalbehandling och aliasing

DIGITAL FÄRGRASTRERING FÄRG. SPD Exempel. Sasan Gooran (HT 2003) En blåaktig färg

3. Ljus. 3.1 Det elektromagnetiska spektret

DIGITAL FÄRGRASTRERING

Signalbehandling och aliasing. Gustav Taxén

FÄRG. Färg. SPD Exempel FÄRG. Stavar och Tappar. Ögats receptorer. Sasan Gooran (HT 2003) En blåaktig färg

FÄRG DIGITAL FÄRGRASTRERING FÄRG. Ögats receptorer. SPD Exempel. Stavar och Tappar. Sasan Gooran (HT 2003) En blåaktig färg

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

Datorgrafik Ray tracing. Mattias Ekström, Västerås,

DIGITAL FÄRGRASTRERING

The nature and propagation of light

Transformationer i 3D. Gustav Taxén

Polarisation. Abbas Jafari Q2-A. Personnummer: april Laborationsrapport

Videosignalen. Blockdiagram över AD omvandling (analogt till digitalt)

Grafiska pipelinen. Edvin Fischer

DIGITAL FÄRGRASTRERING

OPTIK läran om ljuset

Vågrörelselära och optik

Avalanche Studios. OpenGL. Vår teknik. Våra spel. Lite inspiration... Stora, öppna spelvärldar. Sandbox-gameplay. Hög audiovisuell standard

DIGITAL FÄRGRASTRERING FÄRG. Färg. Sasan Gooran

EXPERIMENTELLT PROBLEM 2 DUBBELBRYTNING HOS GLIMMER

I rastergrafikens barndom...gjorde man grafik genom att skriva i ett videominne. Operationer på buffert och pixlar. Idag... Varför grafikkort?

Kort introduktion till POV-Ray, del 1

VRay för Max Camilla Ravenna / André Ravenna Alto Punto 2012 Alto Punto Askims Stationsväg Askim

Föreläsning 3: Radiometri och fotometri

Institutionen för Fysik Polarisation

Spelutveckling 3d-grafik och modellering. Grunder för 3d-grafik Blender Animering

Institutionen för Fysik Polarisation

PROCEDUELL TERRÄNG. Proceduella metoder för bilder (TNM084) Jimmy Liikala Institutionen för teknik och naturvetenskap

Föreläsning 2 (kap , 2.6 i Optics)

Grafisk Teknik. Färg. Övningar med lösningar/svar. Sasan Gooran (HT 2013)

Rastrering och displayalgoritmer. Gustav Taxén

Tentamen TNM061 3D-grafik och animering för MT2 och DAV1

ett uttryck för en våg som beskrivs av Jonesvektorn: 2

Kapitel 35, interferens

Övning 9 Tenta

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

Optiska ytor Vad händer med ljusstrålarna när de träffar en gränsyta mellan två olika material?

Här är ett väldigt bra tidpunkt att spara scenen. Jag har valt att bygga ett litet pyramidtorn.

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 högskolepoäng, FK4009 Tisdagen den 17 juni 2008 kl 9-15

Bézierkurvor och parametriska objektrepresentationer

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

SÄTT DIG NER, 1. KOLLA PLANERINGEN 2. TITTA I DITT SKRIVHÄFTE.

Läsanvisningar och övningsuppgifter i MAA150, period vt Erik Darpö

Vågrörelselära och optik

Kapitel 36, diffraktion

Modul 1: Komplexa tal och Polynomekvationer

Frågor till filmen Vi lär oss om: Ljus

Fotorealism, animering, SW resurser

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Datorseende. Niels Chr Overgaard Januari 2010

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

Parabeln och vad man kan ha den till

Tentamen i ETE305 Linjär algebra , 8 13.

Fysik (TFYA14) Fö 5 1. Fö 5

Om ellipsen och hyperbelns optiska egenskaper

Kort introduktion till POV-Ray, del 5

Omtentamen. TNM077 3D-datorgrafik och animering kl 8-12 Inga hjälpmedel. (samt även TNM008 3D-datorgrafik och VR)

Koordinatsystem och Navigation

Tentamen i matematisk statistik (9MA241/9MA341, STN2) kl 14 18

Tentamen TNM061, 3D-grafik och animering för MT2. Tisdag 3/ kl 8-12 TP51, TP52, TP54, TP56, TP41, TP43. Inga hjälpmedel

Ljuskällor. För att vi ska kunna se något måste det finnas en ljuskälla

FyU02 Fysik med didaktisk inriktning 2 - kvantfysik

Fotoelektriska effekten

Laboration i Geometrisk Optik

1. Ge en tydlig förklaring av Dopplereffekt. Härled formeln för frekvens som funktion av källans hastighet i stillastående luft.

Vågor och Optik 5hp. Polarisationslaboration

Övning 4 Polarisation

Varje laborant ska vid laborationens början lämna renskrivna lösningar till handledaren för kontroll.

Ljuset påverkar människan på tre sätt:

TBSK 03 Teknik för Advancerade Datorspel

Kort introduktion till POV-Ray, del 3

Laboration 1 Mekanik baskurs

BANDGAP Inledning

Ljusets interferens. Sammanfattning

Vågrörelselära och optik

Skrivtid: Lösningar ska åtföljas av förklarande text. Hjälpmedel: formelsamling och manuella skrivdon. 1. Lös ekvationen z 4 = 16i.

Grafiska pipelinens funktion

. b. x + 2 y 3 z = 1 3 x y + 2 z = a x 5 y + 8 z = 1 lösning?

Färger, RGB-er och riktiga bilder

Bestäm ekvationen för det plan som går genom punkten (1,1, 2 ) på kurvan och som spänns

Ljudhastighet (vätska & gas) RT v M Intensitet från en punktkälla P I medel 2 4 r Ljudintensitetsnivå I 12 2 LI 10lg med Io 1,0 10 W/m Io Dopplereffek

Optik 2018 Laborationsinstruktioner Våglära och optik FAFF30+40

Ljusflöde, källa viktad med ögats känslighetskurva. Mäts i lumen [lm] Ex 60W glödlampa => lm

Tentamen i Fotonik , kl

Dopplereffekt och lite historia

Fotorealistiska bilder 1 PV360 kap 1 7: Grunder samt material och dekaler i Photoview 360

λ = T 2 g/(2π) 250/6 40 m

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 hp, FK4009 Torsdagen den 21 augusti 2008 kl 9-15

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

Transkript:

Grafik En introduktion till bildsyntes Konstnärliga bildtryck, utförda i ett eller flera exemplar med hjälp av en graverad plåt, träsnittsstock eller litografisk sten. GRIP-VT2002 Gustav Taxén Centrum för användarorienterad IT-design gustavt@nada.kth.se http://www.lightscape.com Melancholia Albrecht Dürer (1471-1528) Plottern (1950-talet) Tidig datorgrafik Gaussian Quadratic Michael oll, 1965. Roman Verostko (Pathway Studio) Framställning som beskrivs med hjälp av figurer. Datorgrafik idag Hummingbird Charles Csuri, 1966. Bildelement Skapandet av bilder genom manipulation av bildelement (oftast). Wooden Mirror Daniel Rozin, 1999. Mosaik från Caesarea, Israel. Mosaik från Ostia, Italien. 1

Bildelement i datorn Rastergrafik Svepstyrning (horisontellt och vertikalt) Skärmpositon Skärmpositon Datorprogram RGB-värden Digitalt minne RGB-värden Volt för R, G, och B-kanonerna Digital-till-analogkonverterare Primitiver Föremål, modeller Samlingar av bildelement Samlingar av primitiver Punkter Linjer Trianglar Polygon Triangelstrip Triangelsolfjäder Modellering och rendering Scener, miljöer Samlingar av modeller Cybermath (CID, KTH) Michelangelo s David (Stanford University) http://www.nada.kth.se/~gustavt/cybermath/ ew World Order Termite Games 2

Översikt Bildsyntes Bildsyntesens huvudmålsättning Reflektionsmodell Kameramodell, Tone mapping, Rastrering Bildelement / RGB-värden, Volt för elektronkanoner Grafikkort, skärm Renderad bild? Fotografi? http://www.lightscape.com/ Ljusmodeller Synligt ljus är elektromagnetisk strålning inom våglängderna 380-780 nanometer. Man kan beskriva ljus på kvantnivå, som vågor (Maxwells ekvationer) eller som geometrisk optik (ljus färdas längs med räta linjer i genomskinliga material). Man brukar använda geometrisk optik i bildsyntes. Ofta förutsätter man också att det är vakuum mellan modellerna i scenen. Ljusspektra Diagram som visar energiflöde genom en viss sensor som funktion av våglängd. Energi L(λ) Våglängd 380 780 Våra ögon tar emot ljusspektra och skapar synintryck. Simulerat ljusspektra till datorskärm? Ett riktigt ljusspektra innehåller oändligt med våglängder. Hur visar vi det på en datorskärm? Energi L(λ) Simulerat ljusspektra till datorskärm? Man kan också använda ett antal basfunktioner: L ( λ) c0ϕ 0( λ) + c1ϕ 1( λ) +... + c n ϕn ( λ) Här är ϕ-funktionerna valda på förhand och konstanterna c 0,...,c n är de man arbetar med. Våglängd λ 0 λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 380 780 Ett sätt är att sampla spektrat. En tumregel säger att 25-40 samplingar räcker. Man kan visa att c:a 5 termer ger bra resultat, om man har valt bra basfunktioner. Linear Color Representations for Full Spectral Rendering M. S. Peercy, SIGGRAPH 1993. 3

Översikt Bildsyntes Ljusets interaktion med material Reflektionsmodell Kameramodell, Tone mapping, Rastrering Bildelement / RGB-värden, Volt för elektronkanoner Grafikkort, skärm Ljusets interaktion med material Absorption Absorption, reflektion, transmission, spridning. Reflekterat ljus Anländande ljus En del av det ljus som anländer till ytan övergår i värme. Perfekt reflektion: Matt reflektion Samma mängd ljus reflekteras i alla riktingar Perfekt reflektion: Spegelreflektion Allt ljus reflekteras i spegelriktingen θ θ 4

Perfekt transmission: Descartes/Snells lag Spridning θ i n 1 n 2 n θ o 1 sinθi = n2 sinθ o Ljus sprids och studsar på små partiklar inne i materialet. Riktiga material Reflektionsdata Mätning Matematisk modell A Practical Model for Subsurface Light Transport Wann Jensen et al., SIGGRAPH 2001. Mätning Reflekterat ljus i riktn. V = + i Matematisk modell: Phongreflektion Allmänljus + Färg hos ljuskälla i (k d ( L i ) + k s cos α (V R i )) R i V θ θ L i http://math.nist.gov/~fhunt/brdf/ 5

Ickerealistiska reflektionsmodeller Ickerealistiska reflektionsmodeller A on-photorealistic Lighting Model for Automatic Technical Illustration Gooch, Gooch, Shirley & Cohen, SIGGRAPH 2000 Art-Based Rendering of Fur, Grass, and Trees Kowalski et al., SIGGRAPH 1999 Ickerealistiska reflektionsmodeller Lokala belysningsmodeller Real-Time Hatching Praun, Hoppe, Webb, Finkelstein, SIGGRAPH 2001 Tag endast hänsyn till materialegenskaper och egenskaper hos ljuskällan. Globala belysningsmodeller Exempel: Klassisk ray tracing (strålföljning) θ ut θ in θ ut θ in Tag också hänsyn till ljusets interaktion med övriga modeller i scenen: skuggor och (eventuellt) indirekt ljus Man kan visa att ljusreflektion uppfyller reciprocitet: R(θ in θ ut ) = R(θ ut θ in ) D.v.s. det spelar ingen roll åt vilket håll vi följer ljusstrålar! 6

Vi betraktar en punkt på en yta. Hur mycket ljus anländer till punkten? Exempel: Klassisk ray tracing (strålföljning) En lösning: Välj strålar som anländer direkt från ljuskällan och via perfekt spegelriktning! Exempel: Klassisk ray tracing (strålföljning) Skuggstråle Skuggstråle Reflekterat ljus Reflekterat ljus Problem: Oändligt många strålar att följa! Många strålar når aldrig kameran! Klassisk ray tracing Indirekt ljus Många relevanta ljusstrålar ignoreras i klassisk ray tracing. An Improved Illumination Model for Shaded Display Turner Whitted, Communications of the ACM, Juni 1980. Klassisk ray tracing vs. indirekt ljus Klassisk ray tracing vs. indirekt ljus http://www.lightscape.com 7

Radiosity-metoden Radiosity-metoden Etc. http://www.lightscape.com Ljusspridning (scattering) Algoritmer som tillåter icke-vakuum mellan föremål i scenen Rayleighspridning S. Y. Lee & F. K. Musgrave, http://www.wizardnet.com/musgrave/clouds.html Display of The Earth Taking into Account Atmospheric Scattering ishita et al., SIGGRAPH 1993. Översikt Bildsyntes Avbildningar Reflektionsmodell Kameramodell, Tone mapping, Rastrering Bildelement / RGB-värden, Volt för elektronkanoner Grafikkort, skärm ew Principles of Linear Perspective Brook Taylor, 1719. 8

Hårnålskameran Hårnålskameran i datorn Bildplan (image plane) Projektioner Andra avbildningar Perspektiv Parallell Arnolfiniporträttet Jan van Eyck, 1434. Environment mapping Environment mapping Komplex omgivning Steg 1: Lagra det ljus som anländer till en sfär från alla riktningar. Steg 2: Hitta en reflektionsriktning och hämts det lagrade ljuset i den riktningen. Rendering with atural Light Paul Debevec, 1998. 9

Styrning Trichromacy (tristimulusteori) Godtyckligt spektra X = k Y = k Z = k Färgmatchningsfunktioner 780 380 780 380 780 380 V ( λ) x( λ) dλ V ( λ) y( λ) dλ V ( λ) z( λ) dλ Färgmatchningsfunktioner CIE 1931 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 360 385 410 435 460 485 510 535 560 585 610 635 660 685 710 735 760 785 810 Våglängd x y z Visuell matchning Y är luminans = ljusintensitet. Metamers (metamerer) Tre värden räcker för att beskriva ett godtyckligt spektra m.a.p. färg. Det innebär att flera spektra ger upphov till samma färgintryck. Sådana spektra kallas metamerer. Chromaticity x = X /( X + Y + Z) y = Y /( X + Y + Z ) z = Z /( X + Y + Z ) x + y + z = 1 Projicera ned på planet z = 0: Ger diagram där luminansen i färgen tagits bort. Färggamut Antag att vi har tre monitorfosforer och plottar deras positioner i chromaticitydiagrammet. De färger som de tillsammans kan visa ligger då inom triangeln mellan positionerna. Färgoptimering Ofta vill man visa en färg som ligger utanför gamuten. Det finns många strategier för att välja det närmaste värdet inom gamuten. 10

Ljusstyrkeintervaller Tone Mapping Operators Våra ögon kan enkelt hantera miljöer där de mest ljusa partierna är 10000 gånger starkare än de svagaste partierna. Men förhållandet mellan det svagaste och det starkaste ljus en datorskärm kan skicka ut är bara 100:1. Verklig scen Samma synintryck Datorskärm Hur kan vi komprimera ett 10000:1-intervall till ett 100:1-intervall? Tone operator Virtuell scen Linjär operator Visuella operatorer Välj ett maxvärde m. Dividera alla ljusvärden med m. Om resultatet är >1, sätt till 1. Icke-linjära operatorer baserade på perceptionspsykologi. Wards operator 1 Y'= Y Yd 1.219 + (Yd / 2) 0.4 0.4 1.219 + Ywa 2.5 Yd är den maximala luminans som monitorn kan avge. Man antar också att ögonen hos en tänkt observatör av scenen har anpassat sig till luminansen Ywa. (Greg Ward, A Contrast-Based Scalefactor for Luminance Display, Graphics Gems IV.) Resultat Medelluminans Wards operator 11

Översikt Bildsyntes Reflektionsmodell Kameramodell, Tone mapping, Rastrering Bildelement / RGB-värden, Volt för elektronkanoner Grafikkort, skärm Respons hos monitorfosforer XYZ till RGB Vet vi monitorfosforernas X-, Y-, och Z-värden kan vi lösa ett enkelt linjärt ekvationssystem för att få motsvarande R-, G- och B-värden. Om man inte vet värdena för sin monitor kan man använda standardvärden (men oftast finns de i monitorns manual). Standardkonvertering för HDTV:.537150 0.498535 X R 3.240479 0.041556 Y G = 0.969256 1.875992 B 0.055648 0.204043 1.057311 Z Tack för uppmärksamheten! För vanliga datormonitorer gäller Luminans (Y) Y Vγ Spänning (V) Istället för att skicka V skickar vi V(1/γ). Detta kallas för gammakorrektion. Typiska värden på γ är 2.8±0.3. Om man är noggran ska man kompensera för ljuset i den miljö i vilken monitorn finns. 12