Сканер гонио-спектрофотометр

[zaboischik]

Добрый день!

Вопрос касается областей практического использования результатов измерений на основе bidirectional reflectance distribution function (BRDF). Возможно я не до конца разобралась в этой технологии, потому прошу поправить если что, но как я поняла, в конечном итоге этот метод сканирования дает информацию об абсолютных оптических свойствах поверхности и описание ее рельефа через систему нормалей.
Вопрос: используют ли данные, полученные сканером гонио-спектрофотометром для создания объемных, динамических визуализаций (к примеру, в виртуальных музеях)? А может быть техника уже до того дошла, что возможно объемное прототипирование рельефных поверхностей путем "накатки" материалов заданных оптических свойств? Или это пока не нужно/невозможно?
Буду благодарна за любые ссылки и размышления!

С уважением, Любовь Черевань.

 

[sabos]

Ответ: Сканер гонио-спектрофотометр

Гониометр объем не даст. Он предназначен для измерения показателя преломления и дисперсии в прозрачных телах. Пусть в твердых тонких пленках. В нашей практике его применяют тогда, когда нужно измерить-контролировать какую "перламутровость" краски (например при покраске богатенького мерседеса), "искристость" и "лаковость". Наш коллега Roy Berns использует «фотоаппарат-гониометр-спектрофотометр» (~ 15 Mb movie) для качественной оцифровки шедевров.

 

[zaboischik]

Ответ: Сканер гонио-спектрофотометр

Да, я как раз сайт лаборатории Бернса и смотрела. Вопрос назрел после прочтения работы Чена, там еще есть обзор альтернативных систем, кроме их собственной.
Почему Вы говорите, что гонио-спетрофотометр объем не даст? Данных, казалось бы, более, чем достаточно. Я не тридэшник, но насколько я знаю, один из простейших методов 3D сканирования - съемка поверхности несколько раз с одного ракурса, но освещенной с разных сторон, на основе этого формируют текстуру "бампинга" в 3D-редакторе, а уже из нее рассчитывают геометрию поверхности. А если дополнить этот принцип данными от вышеназванного девайса, то возможно назначение очень точных текстур - степень глянцевости и подповерхностного рассеивания известны. Вот я и подумала, это просто никому не нужно, или все-таки по какой-то причине невозможно?

 

[sabos]

Ответ: Сканер гонио-спектрофотометр

Почему Вы говорите, что гонио-спетрофотометр объем не даст?

Что-то я в затруднении, никак уловить вопрос не могу. Давайте еще раз, раз уж Вы в курсе bump mapping - да, свето-тень косвенно несет информацию про объем, но увы, эта информация перемешана с рисунком, фактурой и прочей модуляцией коэффициента отражения поверхностей (безвозвратно перемешана, как фарш). Что очень печально сказывается на точности. Поэтому для точного измерения объема мы предпочитаем прямые методы измерения - если нас интересует расстояние (глубина), то измерять расстояние. Ультразвуком или лазером. Это и точно, и недорого - измерительные головки с точностью лучше 50 мкм стоят в районе $3000. Современный 3D сканер делают на базе таких головок.

Конечно, бывают ситуации, когда напрямую расстояние не измерить. И мы вынуждены (аналогично зрению) делать реконструкцию 3D из фарша, из яркостной информации. Неблагодарное занятие, куча ручной работы. Впрочем здесь есть одно применение, когда эти недостатки некритичны - когда нам не нужно восстанавливать всю геометрию сцены, а достаточно приблизительно восстановить рельеф поверхности, её текстуру, шероховатость или пористость например. Здесь и работает техника bump mapping - из яркостного канала делаем карту глубин некоторой поверхности. Похоже Вы говорите про эту задачу?

 

[zaboischik]

Ответ: Сканер гонио-спектрофотометр

Да, Вы правы, технология normal bump имеет массу ограничений и подходит только для "сканирования" монохромных рельефов. Я просто привела этот метод в качестве примера получения геометрии поверхности, можно сказать, "из ничего".

Здесь же совсем другая ситуация. Измерения, записанные в BRDF на выходе дают не только хроматику, но и совершенно реалистичную визуализацию рельефа. Если я правильно поняла, на основе измеренных углов рассчитываются все три координаты каждой точки поверхности и нормаль - т.е. полная информация о форме. Без геометрии таких картинок (с различным направлением света) не просчитать, однако в явном виде объем нигде не фигурирует, но мне показалось, что скорее потому что это не нужно. Это мои размышления, возможно я ошибаюсь, и, если коротко, вопрос сводится к тому, насколько полную информацию об объекте дает этот метод?

Задача интересует именно та, которую решают Бернс с коллегами. Интересуюсь методами цифрового хранения и автоматизированной репродукции живописных произведений. Метод замера значений BRDF привелек вот чем: он дает геометрию поверхности и функцию "реакции поверхности на свет" (грубо говоря), потому что это алгоритмы "R"(reflection), и они пишут, что неплохо бы мерить отдельно SS (subsurface scattering). Но для конкретного материала SS, да и gloss могут быть известны, соответственно альтернативой этого метода может быть обычный 3D-скан, который даст геометрию + HDRi, которая передаст хроматический компонент, а остальное решит математика, к примеру, Mental Ray'я. Бред?

Догадываюсь, что Вас достали "альтернативщки", но прошу отнестись с пониманием - возраст ^_^

 

[sabos]

Ответ: Сканер гонио-спектрофотометр

Вы неплохо уловили направление, в котором работает Бернс с коллегами. Но чуть преувеличиваете возможности «остальное решит математика». Фарш увы обратно не восстановить. Давайте уточним задачу.

Замер значений BRDF никаким образом не восстанавливает геометрию. Он наоборот, в случае неплоской поверхности, требует тщательного описания её геометрии (пусть классическим лазерным способом) в качестве параметра measurements condition. Иначе разделить зеркальный и рассеянный (пусть SS и gloss) невозможно, откуда невозможно восстанавливать такие тонкие эффекты, как например «самосветимость». Все же «фотоаппарат-гониометр-спектрофотометр» не когерентен, это не голограмма, фазовая утеряна, в уравнении четыре неизвестных.



Я напряг своих 3D'шников посмотреть, что нового на фронте BRDF-modeling. Напомню, этот метод описания поверхностей один из самых точных, самых «физичных». Но он никаким образом не заменяет собой геометрию, карта глубин (пусть displacement map) всё равно нужна, и её нужно построить честным способом, иначе никакой path tracing не справится (mental ray - плохое слово, любительство).

Бернс немного хитрит, предлагая BRDF, но не предлагая modeling. Да, там есть лазейка. Имея лишь данные BRDF без карты глубин - можно восстановить картинку. Но только с той точки, где стояла камера (спектрофотометр). Двигаться зрителю нельзя. Imho, такое воспроизведение нельзя назвать качественной репродукцией.

Впрочем, есть еще пара случаев, когда наше уравнение с четырьмя неизвестными можно решить. Обнуляем три из четырех. Нет transmission, нет приповерхностных слоев (пусть металлическая гравюра), нет specular (совсем матовая, постарела со временем) - и в модели уже можно менять точку камеры.

 

[zaboischik]

Ответ: Сканер гонио-спектрофотометр

Бернс немного хитрит, предлагая BRDF, но не предлагая modeling. Да, там есть лазейка. Имея лишь данные BRDF без карты глубин - можно восстановить картинку. Но только с той точки, где стояла камера (спектрофотометр). Двигаться зрителю нельзя.

О, я, кажется, разобралась, большое спасибо Скажите, я так понимаю, значения переменных функции записываются для каждой точки поверхности? Но если поверхность рельефна, как определяются эти точки без информации об объеме? Или привязка идет к проекции?

Иначе разделить зеркальный и рассеянный (пусть SS и gloss) невозможно, откуда невозможно восстанавливать такие тонкие эффекты, как например «самосветимость».

А как в моделях BRDF записывается информация о подповерхностном рассеивании (самосветимости)? Алгоритмы Фонга и Торренса-Спэрроу не включают в себя этой переменной (вроде бы..), для этого используются более сложные модели рассеивания света BSSRDF, которые в технологии Бернса и Чена не применяются. Да и transmission включается в BTDF, а в BRDF его нет. Откуда четыре переменные?

Все же «фотоаппарат-гониометр-спектрофотометр» не когерентен, это не голограмма, фазовая утеряна, в уравнении четыре неизвестных.

А методом голографии можно получить более точный результат? И в цифровом представлении? Абсолютные свойства, не зависящие от осветителя?

Imho, такое воспроизведение нельзя назвать качественной репродукцией.

К слову, какая из существующих технологий, на Ваш взгляд, дает наиболее качественную репродукцию?

Я напряг своих 3D'шников посмотреть, что нового на фронте BRDF-modeling.

Спасибо большое, было бы интересно

 

[sabos]

Ответ: Сканер гонио-спектрофотометр

значения переменных функции записываются для каждой точки поверхности? Но если поверхность рельефна, как определяются эти точки без информации об объеме? Или привязка идет к проекции?

Бернс перепривязывает все снимки, что сняты под углом, к базовому снимку (который нормаль к камере). Естественно, с интерполяцией.

А как в моделях BRDF записывается информация о подповерхностном рассеивании (самосветимости)?

Здесь терминологическая тонкость. С легкой руки Henrik Jensen (см. A Practical Model for Subsurface Light Transport) "плохой" BRDF стали противопоставлять "хорошему" BSSRDF.



Для физики (оптики) здесь разницы нет, разница есть для pixel rendering. Где можно нарушить закон сохранения, где при расчете для каждого индивидуального пиксела не учитывается взаимодействие с соседями, где можно отбросить фотоны, улетевшие вбок. Их легко отбросить, ведь все наши CG Artists живут в другой вселенной, там нет физики, там есть rendering

Если всерьез, то отслеживать судьбу каждого фотона при рендеринге крайне невыгодно вычислительно, ведь он может вылететь из приповерхностного слоя в камеру строк через двадцать. Проще сделать им "телепортацию" (Subsurface Light Transport аля blur), а еще проще - самосвечение (какой TurboSkin Shader).

Откуда четыре переменные?

Я готов чуть помучить вас оптикой, но будут интегралы. Мучить?

А методом голографии можно получить более точный результат? И в цифровом представлении? Абсолютные свойства, не зависящие от осветителя?

Что есть запись волновой функции (поля) - суть голография? Если проходимся по всей поверхности картины лазерным интерферометром - мы записываем рельеф этой картины. Но что мы измеряем? Волновую функцию. Да, это не голограмма, ведь при записи рельефа мы отбросили коэффициенты отражения (суть цвет). Но мы запишем коэффициенты отражения другим способом, а затем объединим две информации в модели. А на выходе модели - изображение.

К слову, какая из существующих технологий, на Ваш взгляд, дает наиболее качественную репродукцию?

Теоретик ответит - запись волновой функции несет всю визуальную информацию, визуально безупречная репродукция. Но мы знаем, с какими технологическими трудностями это связано. И длину когерентности обеспечь, и чувствительность, и фотосенсор без зернистости / без дискретности (c разрешающей способностью лучше 7000 линий на миллиметр). Нет у нас (пока?) таких технологий. Что делать прямо сейчас? См. выше.

 

[zaboischik]

Ответ: Сканер гонио-спектрофотометр

Здесь терминологическая тонкость. С легкой руки Henrik Jensen (см. A Practical Model for Subsurface Light Transport) "плохой" BRDF стали противопоставлять "хорошему" BSSRDF.
Для физики (оптики) здесь разницы нет, разница есть для pixel rendering. Где можно нарушить закон сохранения, где при расчете для каждого индивидуального пиксела не учитывается взаимодействие с соседями, где можно отбросить фотоны, улетевшие вбок.

Да, с этой статьей мне еще предстоит разобраться, смотрела только "по диагонали". Пока же не понятно, почему нет разницы между RDF и SSRDF. Простите мне мое дилетантское представление о физике, но мне казалось, что, когда точка входа луча не совпадает с точкой выхода, и луч выходит под случайным углом (Монте-Карло) это как раз симулирует физику подповерхностного рассеивания, ведь в принципе все равно как луч гуляет внутри материала, на выходе получится та же случайность. А когда точка одна, получается симуляция физики зеркального/диффузного отражения, без пропускания. Или для физики разницы нет, Вы имеете ввиду, с точки зрения волновой теории? Дело в том, что я только начинаю в это все въезжать, пока тяжеловато...

Я готов чуть помучить вас оптикой, но будут интегралы. Мучить?

О! Это было бы здорово! Про BSSRDF достаточно подробно написано у Йенсена, а вот такой разбор для BRDF мне не встречался. Вы говорили, что этот метод один из наиболее точных и "физичных", хотелось бы понять границы его "физичности". С интергалами более-менее дружу, а вот с физикой труднее Буду признательна, если поможете разобраться. Для гуманитариев надо чуть подробнее, чем для дураков, так что кто еще кого будет мучить...

Возможно удобнее будет на электронную почту? Все равно в этой ветке больше никто не пишет. Мой адрес: мой ник@mail.ru

Заранее спасибо!

Что есть запись волновой функции (поля) - суть голография? Если проходимся по всей поверхности картины лазерным интерферометром - мы записываем рельеф этой картины. Но что мы измеряем? Волновую функцию. Да, это не голограмма, ведь при записи рельефа мы отбросили коэффициенты отражения (суть цвет). Но мы запишем коэффициенты отражения другим способом, а затем объединим две информации в модели. А на выходе модели - изображение.

А цветная голография? Очень неточно?