7.6. Fysikaalinen peiliheijastus. Pinnan mikrogeometrian mallintaminen. Varjostus ja peittämisvaikutukset

Samankaltaiset tiedostot
10.2. Säteenjäljitys ja radiositeettialgoritmi. Säteenjäljitys

10. Globaali valaistus

Luento 7: Lokaalit valaistusmallit

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

3. Optiikka. 1. Geometrinen optiikka. 2. Aalto-optiikka. 3. Stokesin parametrit. 4. Perussuureita. 5. Kuvausvirheet. 6. Optiikan suunnittelu

Simulointi. Varianssinhallintaa Esimerkki

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Työ 2324B 4h. VALON KULKU AINEESSA

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Vektorit, suorat ja tasot

Kuva 1. Valon polarisoituminen. P = polarisaattori, A = analysaattori (kierrettävä).

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Mikroskooppisten kohteiden

Polarisaatio. Timo Lehtola. 26. tammikuuta 2009

Ratkaisu: Maksimivalovoiman lauseke koostuu heijastimen maksimivalovoimasta ja valonlähteestä suoraan (ilman heijastumista) tulevasta valovoimasta:

Solmu 3/2001 Solmu 3/2001. Kevään 2001 ylioppilaskirjoitusten pitkän matematiikan kokeessa oli seuraava tehtävä:

Matematiikan tukikurssi

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

MTTTP5, luento Otossuureita ja niiden jakaumia (jatkuu)

dx = L2 (x + 1) 2 dx x ln x + 1 = L 2 1 L + 1 L ( = 1 ((L + 1)ln(L + 1) L) L k + 1 xk+1 = 1 k + 2 xk+2 = 1 10k+1 k + 2 = 7.

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

Suora 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori, koordinaatistot, piste

6 GEOMETRISTA OPTIIKKAA

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Tampereen yliopisto Tietokonegrafiikka 2013 Tietojenkäsittelytiede Harjoitus

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

7.4 PERUSPISTEIDEN SIJAINTI

6.6. Tasoitus ja terävöinti

Ensimmäisen asteen polynomifunktio

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

Estimointi populaation tuntemattoman parametrin arviointia otossuureen avulla Otossuure satunnaisotoksen avulla määritelty funktio

Virhearviointi. Fysiikassa on tärkeää tietää tulosten tarkkuus.

Tutkimusongelmia ja tilastollisia hypoteeseja: Perunalastupussien keskimääräinen paino? Nollahypoteesi Vaihtoehtoinen hypoteesi (yksisuuntainen)

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

Valon havaitseminen. Näkövirheet ja silmän sairaudet. Silmä Näkö ja optiikka. Taittuminen. Valo. Heijastuminen

Luvun 5 laskuesimerkit

ABHELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

10. Polarimetria. 1. Polarisaatio tähtitieteessä. 2. Stokesin parametrit. 3. Polarisaattorit. 4. CCD polarimetria

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

9. Polarimetria. 1. Stokesin parametrit 2. Polarisaatio tähtitieteessä. 3. Polarisaattorit 4. CCD polarimetria

Tekijä Pitkä matematiikka b) Kuvasta nähdään, että b = i 4 j. c) Käytetään a- ja b-kohtien tuloksia ja muokataan lauseketta.

AUTON LIIKETEHTÄVIÄ: KESKIKIIHTYVYYS ak JA HETKELLINEN KIIHTYVYYS a(t) (tangenttitulkinta) sekä matka fysikaalisena pinta-alana (t,

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Lauri Karppi j SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria DIPOLIRYHMÄANTENNI.

9. Polarimetria. tähtitieteessä. 1. Polarisaatio. 2. Stokesin parametrit. 3. Polarisaattorit. 4. CCD polarimetria

Funktion derivoituvuus pisteessä

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit laskuharjoitusviikkoon 5 /

/1. MTTTP1, luento Normaalijakauma (jatkoa) Olkoon Z ~ N(0, 1). Määritellään z siten, että P(Z > z ) =, graafisesti:

LASKENNALLISEN TIETEEN OHJELMATYÖ: Diffuusion Monte Carlo -simulointi yksiulotteisessa systeemissä

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

riippumattomia ja noudattavat samaa jakaumaa.

Maksimit ja minimit 1/5 Sisältö ESITIEDOT: reaalifunktiot, derivaatta

Tästä saadaan (määrittelyehdon täyttävät) yhtälön ratkaisut x 3 tai x 3.

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Otoskeskiarvo on otossuure, jonka todennäköisyysjakauma tiedetään. Se on normaalijakauma, havainnollistaminen simuloiden

Aerosolimittauksia ceilometrillä.

Numeeriset menetelmät

RATKAISUT: 16. Peilit ja linssit

Funktioiden approksimointi ja interpolointi

Luottamusvälit. Normaalijakauma johnkin kohtaan

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Luottamisvälin avulla voidaan arvioida populaation tuntematonta parametria.

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Harjoitustyö, joka on jätetty tarkastettavaksi Vaasassa

/1. MTTTP1, luento Normaalijakauma (kertausta) Olkoon Z ~ N(0, 1). Määritellään z siten, että P(Z > z ) =, graafisesti:

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA, ohjeita tenttiin ja muutamia teoriavinkkejä sekä pari esimerkkilaskua

Tekijä MAA2 Polynomifunktiot ja -yhtälöt = Vastaus a)

ROMUMETALLIA OSTAMASSA (OSA 1)

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II Syksy 2009 Laskuharjoitus 1 ( ) Ratkaisuehdotuksia Vesa Ala-Mattila


Geometrinen optiikka. Tasopeili. P = esinepiste P = kuvapiste

Pintamallinnus 1: Pursotettuja pintoja

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

Kenttäteoria. Viikko 10: Tasoaallon heijastuminen ja taittuminen

Harjoitus 2: Matlab - Statistical Toolbox

d sinα Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 8: SPEKTROMETRITYÖ I Optinen hila

VEKTORIT paikkavektori OA

7.4 Normaalijakauma (kertausta ja täydennystä) Taulukosta P(Z 1,6449) = 0,05, P(Z -1,6449) = 0,05 P(Z 1,96) = 0,025, P(Z -1,96) = 0,025

805306A Johdatus monimuuttujamenetelmiin, 5 op

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

Estimointi. Vilkkumaa / Kuusinen 1

Kopulafunktiot. Joonas Ollila 12. lokakuuta 2011

PERCIFAL RAKENNETUN TILAN VISUAALINEN ARVIOINTI

Sovellettu todennäköisyyslaskenta B

/1. MTTTP5, luento Normaalijakauma (jatkuu) Binomijakaumaa voidaan approksimoida normaalijakaumalla

JAKSO 2 KANTA JA KOORDINAATIT

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Osoita, että kaikki paraabelit ovat yhdenmuotoisia etsimällä skaalauskuvaus, joka vie paraabelin y = ax 2 paraabelille y = bx 2. VASTAUS: , b = 2 2

Luottamisvälin avulla voidaan arvioida populaation tuntematonta parametria.

Malliratkaisut Demot

Transkriptio:

7.6. Fysikaalinen peiliheijastus Tässä mallissa otetaan huomioon fysikaalispohjainen peilikomponentti (Blinn 1977. Sittemmin mallia laajennettiin käsittämään kirkkaan valaistuksen spektrin ja tämän riippuvuuden pintamateriaalin laadusta ja tulevan valon kulmasta. Näillä edistysaskelilla on hienojakoinen vaikutus kirkkaaseen valaistukseen verrattuna Phongin malliin. Malli säilyttää jaon diffuusiin ja peiliheijastuskomponenttiin, joista diffuusi lasketaan kuten edellä ja kehitys koski näin peiliheijastusta. Parhaimmat tulokset saadaan kirkkailla metallin kaltaisilla pinnoilla. Huolimatta edistyksestä Phongin malli jäi käytännössä suositummaksi kuin nämä uudet. Tämä aiheutui Phongin mallin yksinkertaisemmasta periaatteesta ja pienemmästä suoritusaikavaatimuksesta, vaikka se on epätarkempi ja virheellisempi kirkkaan valon tapauksessa. Fysikaalisella simulaatiolla tarkoitetaan pyrkimystä mallintaa heijastavan pinnan mikrogeometriaa sen sijaan, että simuloitaisiin valon kulun käyttäytymistä Phongin mallin tapaan. Kirkkaiden valojen peiliheijastuksen simulointi käsittää neljä komponenttia. Se pohjautuu symmetristen V muotoisten urien mikrotahkomallintamiseen (kuva 7.. edellä. Käydään nämä komponentit seuraavassa läpi. Pinnan mikrogeometrian mallintaminen Laaditaan tilastollinen jakauma mikrotahkojen suunnille. Tämä tuottaa arvon D vastaten katselusuuntaan tulevaa valoa. Sovelletaan Gaussin eli normaalijakaumaa: 7. luku 390 7. luku 391 D = ke ( α / m Varjostus ja peittämisvaikutukset Tässä on mikrotahkon kulma verrattuna pinnan (keskimääräiseen normaaliin. Kyseessä on siis vektorien N ja H välinen kulma edeltä. Parametri m on jakauman keskihajonta. Jakauman laskeminen annetulla kulmalla tuottaa kyseisen suunnan mikrotahkojen lukumäärän. Nämä vaikuttavat vastaavaan katselusuuntaan heijastuvaan valoon. Kuvassa 7.. (b oli kaksi erilaista valokeilaa eri arvoilla m laskettuina. BRDF:n (bi directional reflectance distribution function mielessä käsitelty tekijä kuvaa laajuutta, jolla peiliheijastus pullistuu. Siellä missä katselusuunnan vektori tai valon suuntavektori alkaa lähestyä keskimääräistä pintaa, vuorovaikutuksia esiintyy. Näitä kutsutaan varjostumiseksi ja peittämiseksi. Peittäminen esiintyy, kun heijastunutta valoa törmää kohteeseen (mikrotahkoon. Varjostuksen tilanteessa tulevan valon kulku osin katkeaa kohteen takia. Kuva 7.5. esittää näitä. Peittämisen ja varjostuksen aste riippuu suhteesta I 1 / I. Suhde kuvaa niiden tahkojen osuutta, jotka vaikuttavat valon heijastumiseen: G = 1 I I 1 / 7. luku 39 7. luku 393

Kuva 7.5. Valon ja heijastavan mikrotahkopinnan vuorovaikutus: (a Varjostus ja peittäminen. (b Valon määrä, joka karkaa, riippuu arvosta G=1 I 1 / I. Tilanteessa, jossa I 1 pienenee nollaksi, kaikki heijastunut valo karkaa ja on: G =1 Suhteen I 1 / I riippuvuus vektoreista L, V ja H on oheinen. Peittämiselle saadaan: G m Varjostukselle tilanne on oheinen: G s Valittava G on minimi: G = = ( N H( N V / V H = ( N H( N L / V H min{ 1, G s, G m } 7. luku 394 7. luku 395 Katselugeometria Fresnelin termi Häikäisevän valon (luku 7.5. vaikutus toteutetaan uudella geometrisellä termillä. Kun katseluvektorin ja pinnan keskimääräisen suunnan kulma lähenee kohti 90, katsoja näkee yhä enemmän mikrotahkoja. Tämä esitetään termillä: 1/ N V Täten katsojan näkemä kasvava mikrotahkojen alue on kääntäen verrannollinen katselusuunnan ja pinnan normaalin väliseen kulmaan. Jos valo tulee matalassa kulmassa, enemmän valoa heijastuu kohti katsojaa kuin tilanteessa, jossa valo tulee läheltä normaalia. Fresnelin termi F (luku 7.1. koskee heijastuneen valon määrää verrattuna absorboituneeseen. Nyt pohditaan täydellisen tasopinnan tilannetta, kun edeltävässä katsottiin mikrotahkojen kokoelman muodostamaa pintaa. Heijastuneen valokeilan voimakkuus määrätään tulevan valon ja aallonpituuden funktiona. Termin F kertoimet eivät yleensä ole tunnettuja, mutta voidaan soveltaa kompromissiarvoa käyttämällä arvoa F 0. Tämä on F:n tunnettu (mitattu arvo normaalin pisteessä, jolla voidaan luvun 7.1. kaavan kautta laskea taitekerroin. Saman kaavan nojalla voidaan laskea F muille kulmille. Normaalin pisteessä se supistuu muotoon: 7. luku 396 7. luku 397

F 0 ( µ 1 = ( µ + 1 On olemassa toinenkin tapa laskea F mille tahansa valon tulokulmalle arvon F 0 avulla (Schlick 1993: F φ = F 0 + ( 1 cosφ (1 F0 Tämä termi vastaa peiliheijastavan kirkkaan valon tarkkoja värimuutoksia. Kun mille tahansa materiaalille tulevan valon kulma lähenee pinnan tasoa, pinnan kirkkaan valon väri lähenee valonlähteen väriä. Muilla kulmilla väri riippuu tulokulmasta ja materiaalista. Tästä on esimerkki kuvassa 7.6., joka mallintaa kiillotettua kuparia. 5 Termi saa aikaan heijastuneen intensiteetin kasvun (kuten 1/N V edellä valon tulokulman (normaaliin nähden kasvaessa, jolloin vähemmän valoa absorboituu. Kuva 7.6. Fresnelin yhtälö ja kiillotettu kupari: (a Heijastus F aallonpituuden ja tulokulman (kiillotettu kupari funktiona. (b F:n riippuvuus kulmasta punaisella, vihreällä ja sinisellä aallonpituudella. 7. luku 398 7. luku 399 Täten peiliheijastustermi on: peiliheijastuskomponentti = DGF /( N V, missä D on mikrogeometriatermi G on varjostus peittämis termi F on Fresnelin termi ( N V on häikäisevän valon termi Yhteenvetona saadaan: (1 Tekijä, joka mallintaa heijastuneen valon intensiteettiä. ( Kaksi vuorovaikutteista tekijää, jotka simuloivat häikäisyn vaikutusta valon tullessa suuressa kulmassa (pinnan normaalin N suhteen. (3 Tekijä, joka suhteuttaa heijastuneen valon intensiteetin (täydelliseen peilimikrotahkoon tämän pintamateriaalin optiset ominaisuudet huomioon ottaen. Peiliheijastustermi lasketaan erikseen ja yhdistetään tasaisen diffuusitermin kanssa: BRDF = sr + dr, missä s + d = 1 s d Esim. metalleja simuloidaan tavallisesti arvoilla d=0 ja s=1 ja kirkasta muovipintaa arvoilla d=0.9 ja s=0.1. Tässä mallissa riippuvuudet ovat seuraavaa muotoa ja eroavat näin hieman Phongin mallista: BRDF = f ( θtuleva, θheijastuva, φheijastuva Kuvassa 7.7. nähdään matalan ja korkean tulokulman BRDF:n tuottamat tulokset. Peiliheijastus ja samoin heijastuskulma muuttuvat tulokulman muuttuessa. 7. luku 400 7. luku 401

7.7. BRDF:ien esilaskenta Kuva 7.7. Valon eri tulokulmien mukaiset BRDF:t Blinnin heijastusmallissa. Edellisen lähestymistavan puute on, ettei se kykene mallintamaan anisotrooppisia pintoja. Monet todelliset pinnat ovat sellaisia, esim. vaatteet, jotka on valmistettu rinnakkaisista langoista, joiden poikkileikkaus on pyöreä. Jokainen lanka sirottaa valoa kapealle alalle, kun valo tulee lankojen suuntaiselle tasolle, ja laajalle, kun valo tulee lankojen poikkileikkausten suuntaiselle tasolle. Tällaisten pintojen simulointiin on käytetty määrättyjä pintamalleja, tavallisesti sylintereitä, ja esilaskentaa. BRDF lasketaan etukäteen jokaiselle vektorille L. Nämä on jaettu puolipallon osiin, jotka indeksoidaan vektoreilla V. BRDF lasketaan jäljittämällä kimppu säteitä jokaiselle tulevalle suunnalle. Säteet lasketaan satunnaisesti sijoitettuina osumaan pintaan. Lasketaan niiden heijastukset pinnalta ympäröivälle puolipallolle. 7. luku 40 7. luku 403 BRDF riippuu kulmista seuraavasti: BRDF = f ( θtuleva, φtuleva, θheijastuva, φheijastuva BRDF luodaan laskemalla säteitä pinta alkiolle, joka kattaa riittävän laajan alueen mikropinnasta. Pintaalkio mallinnetaan kolmionmuotoisten mikrotahkojen taulukolla tai hilalla. Ne säteet, jotka osuvat pintaalkioon ilman peittämistä tai varjostusta, otetaan mukaan BRDF:ään. Koko funktio saadaan laskemalla kaikki tällaiset vaikuttavat yhteen. Informaatio muodostetaan jakamalla puolipallo osiin tai soluihin. Tästä on esimerkki kuvassa 7.8. Kuvassa 7.8. mikrotahkojen muodostamaan pintaan luodaan epätasaisuutta kuhmuroimalla sitä, kuten kuvassa on esitetty. Huomattakoon etu, ettei tällä mikrogeometrisella lähestymistavalla ole rajoituksia. Mikrotahkojen ei tarvitse noudattaa esim. normaalijakaumaa. Kuva 7.8. Pinnan mallintaminen, jossa kolmionmuotoisia mikrotahkoja häiritään nostamalla joitakin kolmioita yhdistäviä kärkiä. 7. luku 404 7. luku 405

7.8. Fysikaalinen diffuusi komponentti BRDF on nyt karkeasti näytteistetty versio jatkuvasta tapauksesta. Esilaskennassa muodostetaan jokaiselle osalle tai solulle heijastus puolipallolle. Pintaa käsiteltäessä tulevaa valoa lähinnä oleva puolipallo valitaan. Tämän jakauman pohjoisnapa asetetaan samansuuntaiseksi kuin pinnan normaali. Esilaskettu BRDF antaa tällöin heijastuneen intensiteetin katselusuuntaan. Tässä on kyseessä fysikaalinen malli, jolla voidaan laskea diffuusia heijastusta erityisesti kerroksittaisille pintamateriaaleille, orgaanisille, kuten iho ja kasvien lehdet, ja epäorgaanisille, kuten lumi ja hiekka. Käsitellään täten anisotrooppista pintaa. Itse asiassa harvat todelliset pinnat käsittävät diffuusia isotrooppista tyyppiä. Pinnan pisteestä heijastunut valo on: L = L + L heijastuva Tässä L rs on pinnan sirontavan vaikutuksen takia heijastunut valo (epätäydellinen peiliheijastus ja L rv nk. alipintojen aiheuttaman sironnan heijastus. Alipintojen sironnan määräävä algoritmi toimii yksiulotteisena siirtomallina ja soveltaa Monte Carlo menetelmää (todennäköisyyslaskentaa. rs rv 7. luku 406 7. luku 407 Sivutetaan yksityiskohtainen tarkastelu. Sen sijaan viitataan kuvaan 7.9., jossa ensimmäinen rivi havainnollistaa suurta tai pientä peiliheijastusta tulokulman funktiona. Kun tulokulma on suuri (pinnan normaalin suhteen, heijastunut valo on pääasiassa pinnan sirontavaikutuksesta tulevaa, ts. peiliheijastusta. Kun kulma on pieni, alipintasironta vallitsee. Kuvan 7.9. toinen rivi esittää heijastuskeiloja, jotka johtuvat alipintasironnasta. Pintamateriaalit voivat tuottaa eteenpäin ja taaksepäin siroavaa sekä isotrooppista. (Alaspäin kuvatut keilat eivät vaikuta luonnollisestikaan heijastuvaan valoon L r, mutta läpikuultavien monikerroksisten pintojen tilanteessa niilläkin on merkitystä. Kuva 7.9. Fysikaalisen mallin heijastuksia. Kolmas rivi esittää heijastusten L rs ja L rv yhdistelmää, joka on anisotrooppinen. 7. luku 408 7. luku 409