Modélisation et Caractérisation d’Aspect

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Modélisation et Caractérisation d’Aspect Xavier Granier <[email protected] > Romain Pacanowski <[email protected] >

Transcript of Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Page 1: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Modélisation et Caractérisation

d’Aspect Xavier Granier <[email protected]>

Romain Pacanowski <[email protected]>

Page 2: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

2

Rappel : luminance réféchie

L(p→o⃗ )=∫ρ( l⃗ →p→o⃗ )⟨ n⃗⋅⃗l ⟩L( l⃗ →p )d l⃗

Lumière incidente - 4DW.m².sr-1

Propriété de réflexions – 6Dsr-1

Facteur géométrique

po⃗

l⃗n⃗

Angle solidesr

Page 3: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

3

Propriétés de Réfexion

● Diffus - Lambertien

– Indépendant du point de vue

Page 4: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

4

Propriétés de Réfexion

● Diffus - Lambertien

– Indépendant du point de vue

● Miroir – Spéculaire

– Dépendant du point de vue

Page 5: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

5

Propriétés de Réfexion

● Diffus - Lambertien

– Indépendant du point de vue

● Miroir – Spéculaire

– Dépendant du point de vue

● Glossy/Brillant

– Dépendant du point de vue

– Lobe

Page 6: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

6

BRDF – éléments de radiométrie

pour une longueur d’onde donnée

Page 7: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

7

d2

2

dS

d1

1

On considère la réflexion sur une interface entre

deux milieux d’indices différents et un faisceau

incident avec un angle 1

Le flux incident s'écrit (Li est la luminance entrante)

Réfexion - Confguraion

d2 F1=Li (ω1→ s )d2G1

d2 F1=Li (ω1→ s )cos θ1d S dΩ1

Le flux réfléchi s'écrit (dLr est la luminance sortante)

d2 F2=dL r ( s→ω2 )cosθ2d S dΩ2

Supposons que a % soit réfléchi, la luminance sortante est

d Lr (s→ω2 )=α (ω1→s→ω 2 )

cos θ2dΩ2

Li (ω1→s )cosθ1dΩ1

Page 8: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

8

Noion de BRDFi

● BRDF = Bidirectional Reflection Distribution Function

● Définition

● Grandeur : sr-1

d Lr ( s→ω2 )=α (ω1→ s→ω2 )cos θ2dΩ2

Li (ω1→ s )cosθ1dΩ1

dLr ( s→ω2)=ρ (ω1→s→ω2 )Li (ω1→s )cosθ1dΩ1

Page 9: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Dimensions BRDFi

● Restriction aux variations directionnelles

– 2D angulaire x 2 = 4D

● Si variations spatiales

– SVBRDF – spatially varying BRDF

ρ (ω1→s→ω2 )⇒ρ (ω1→ω2)

ρ (ω1→ω2 )=ℝ4→ℝ

+

Page 10: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Propriétés Physiques

● Réciprocité (Helmotz)

● Positivité

● Conservation de l'énergie

∀ω1 :∫Ω+ ρ (ω1,ω2 )cosθ2dΩ2≤1

ρ (ω1→ω2 )=ρ (ω2→ω1)=ρ (ω1,ω2 )

ρ (ω1,ω2 )≥0

Page 11: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

11

Modèles empiriques de BRDF

Et autres propriétés

Page 12: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

12

Propriétés de Réfexion

● Diffus - Lambertien

– Indépendant du point de vue

Page 13: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

13

Difus/Lamberien

n

ρ (ω i ,ωo )= ρd

Page 14: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

14

Difus/Lamberien

n

ρ (ω i ,ωo )=αdπ

Page 15: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

15

Propriétés de Réfexion

● Diffus - Lambertien

– Indépendant du point de vue

● Miroir – Spéculaire

– Dépendant du point de vue

Page 16: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

16

Spéculaire

n

ρ (ω i ,ωo )=δ r , o

ro

Page 17: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

17

Propriétés de Réfexion

● Diffus - Lambertien

– Indépendant du point de vue

● Miroir – Spéculaire

– Dépendant du point de vue

● Glossy/Brillant

– Dépendant du point de vue

– Lobe

– Phong

Page 18: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

18

Glossy/Brillant

s

n

Page 19: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

19

Modèle de Phong – empirique

n⃗ω i

rωo

n

ρ (ω i→ωo )= ρs ⟨ωo⋅r ⟩e

Page 20: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Phong BRDFi

e=1 e=2 e=4

e=16

e=8

n=32 e=64 e=128

e=256 e=512 e=1024

Page 21: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

21

Phong – Conservation de l’énergie

n⃗ω i

rωo

n

ρ (ω i ,ωo )=αse+22π

⟨ωo⋅r ⟩e

Page 22: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Généralisaion par combinaison

● Somme de multiples lobes

– Composante lambertienne

– Composante Phong

ρ (ω i ,ωo )=αd1π +αs

e+22π

⟨ωo⋅r ⟩e

Page 23: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

BRDFi – Autres caractérisiques

IsotropeAnisotrope

4 3

( , )i o

( , , )i o i o ( , , , )i i o o

Page 24: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Exemples réel d'anisotropies

Page 25: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

25

Modèle : théorie des microfacettes

Page 26: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Microfacet Theory

MICROSCOPIC SCALE MESOSCOPIC SCALE MACROSCOPIC SCALE

Microfacet

Page 27: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Microfacet : Idea

Images from Real-Time Rendering. 3rd Editon. A.K.Peters 2008

Page 28: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Microfacet: Roughness impact

Page 29: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Microfacet Theory [Torrance & Sparrow 1967]

• Idea: – surface refecton = collecton of small microfacet

– Surface = height feld

• Statstc descripton of the heightield

microfacet orientaton distributon

• Assumpton: V-groove

Page 30: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Torrance-Sparrow

• Microfacet = perfect mirror

• Half-vector

• Three terms :– Geometric aka Shadowing

– Distributon

– Fresnel

| |i o

i o

h

Page 31: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Distributon Term

• Proporton of surfaces which normal are orientated toward the h vector

• Normalizaton conditon:

( )D h

Page 32: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Distributon Term

• Possible isotropic distributons:

( )D h

22

2

( )

23

2 23

tan /

2 4

( ) : Blinn

exp : Torrance-Sparrow

: Trowbridge-Reitz ( 1)cos 1

1exp : Beckman

cos

e

c

m

h n

c

c

m

a

a

a

a

n

io r

Page 33: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Distributon Term

Other distributons :

• TR [Trowbridge-Reitz 1965]

– average irregularity of curved microsurfaces

• GGX [Walter 2007] (== TR)

Simulaton de la réfracton

• Shifer Gamma Distributon [Bagher 2012] – Distributon plus proche des mesures

• GTR [Disney 2012]– Satsfaire des besoins de contrôlle

Page 34: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Anisotropic Distributon

• e.g., Brushed metals

• Ashikhmin-Shirley [JGT2000]:

2 2cos sin( 2) 2

( ) ( )2

: azimuthal angle of

and control the size of an ellipse

x yx y e e

x y

e eD h h n

h

e e

Page 35: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Anisotropic Distributon

Page 36: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Geometric| Shadowing Term

• = Occlusion between microfacets

• For the light directon:

• For the view directon:

• G = min{1, occ_light,occ_view}

2( )( )occ_light

( )o

o

n h n

h

2( )( )occ_view

( )i

i

n h n

h

G( , )i o

Page 37: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Fresnel Term

• Computes how much a material refect vs. transmit incident light

• Fresnel Equatons:– Dielectric media (non-conductor such as glass)

– Conductors (metals)

• Depends on the polarizaton of the incident light

• Grazing angle efects (view directon):– Increases refecton of the material

Page 38: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Fresnel Term: grazing angle

Classical Phong

Fresnel Term

Page 39: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Fresnel Approximaton [Schlick94]

• Fast Approximaton for un-polarized light– Cheap to compute

• One parameter: – Refecton coefcient at normal incidence

50 0( ) (1 )(1 ( ))r i iF R R h

0R

Page 40: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

De nombreux autres modèles

● Ward : basé sur la distribution de Beckman

● He : peut intégrer la polarisation

● Ashikhmin-Shirley : généralisation de Cook-Torrence

Page 41: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Fabricatng D(h)

Weyrich et al. [Sigg. 2009]

Page 42: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Variante Théorie Microfacete

• Oren-Nayar: Microfacet = perfect Lambertan

rougher

Reflectionoff a cylinder

Lambertian

( , ) ( ) ( ) with : roughness parameterdi o

kA B

Page 43: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Oren-Nayar

Oren

10o 40o 20o 0o

Page 44: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

44

BRDF - paramétrisation

Page 45: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Paramétrisaton de la BRDF

La défniton de la BRDF n'impose rien sur le repérage des directons de l'hémisphère

• Paramétrisatons possibles:– 4D: classique, Rusinkiewicz

– 3D Barycentrique : Arvo,.. Diference Vector

– 2D: Romeiro

• Intérêt : – Mathématque : Séparabilité, Compression

– Physique: pilotage intelligent de banc d'acquisiton

Page 46: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Paramétrisaton classique

• Les directons et dans un repère local à la surface en coordonnées :– Sphériques

– Cartésiennes

Page 47: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Paramétrisaton de Rusinkiewicz

• Deux nouveaux vecteurs h et d :

Page 48: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Infuence de la paramétrisaton

Page 49: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

49

BRDF : Acquisition

Page 50: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

•Les détecteurs optques mesurent

– des flux luum i neuux

•Mesure relatve par rapport à une référence

étalon de BRDF.

Nov 2008

Principe de la mesure

m

m

faisceauincident normale

faisceaudiffusé

i

mmiiinc

mmmmmii d

BRDF

).cos(,,

,,,,,,''

Page 51: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Étalons/Étalonnage

Infra-rouge: infragold de LabSphere

Nov 2008 CEA/CESTA/LTO

Visible:Spectralon

Page 52: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

BRDF Acquisiton

Two approaches:

• Goniorefectometer

• Digital Camera CCD

Goniorefectometer[LFTW05]

Page 53: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

BRDF Acquisiton

Page 54: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

54

Isotropic BRDF Database [Matusik]

Approche CCD

Page 55: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Isotropic BRDF Database [Matusik]

• Base MERL-MIT

• 100 matériaux isotropes mesurés

• Paramétrisaton Rusinkiewicz

Page 56: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

BRDFs mesurées

• Objectf: représentaton efcace compacte

utle pour le rendu et/ou l’éditon

Mesures

Approximaton par

modèles analytques

Projectionavec

bases de fonction

CalculCoût mémoire !

Motvaton

BRDF = 30 à 100 Mo

Page 57: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

BRDFs mesurées

Motiatone

Mesures

Approximatonpar

modèles analytques

Projection avec

bases de fonction

Rendu

Page 58: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Représentatons existantes

• Harmoniques sphériques [Cabral87,Westn92]

• Polynôlmes de Zernike [Koenderink96]

• sRBF [Zickler05]

• Ondeletes sphériques [Schröeder95]

Basusldulfonectones

Nombre de coefcients augmente quadratquement avec la spécularité [MTR2008]

Harmoniques sphériques

Page 59: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

BRDFs mesurées

Motiatone

Mesures

Approximatonpar

modèles analytques

Projection avec

bases de fonction

Rendu

Page 60: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Approximaton (Fi ttineg)

• Approximaton linéaire – Polynôlmes,…

• Approximaton non-linéaire– Modèles Phong, Ward, A&S

• Paramètre du modèle est un exposant == non-linéaire

– Outls mathématques• Levenberg Marquardt , SQP Convergence locale

Page 61: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Approximaton des mesures

• Schéma au tableau– Problématque

– Convergence locale vs. globale

Page 62: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Analyse de la base MERL-MIT [Ngan2005]

• Fitng de 5 modèles• He, Ward, Ashikhmin, Lafortune, Blinn-Phong

Page 63: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Analyse de la base MERL-MIT [Ngan2005]

Conclusion :– He et Cook-Torrance semble le plus apte

– Aucun modèle n'est bon pour certains matériaux

– Problèmes de reproductbilité des résultats

Page 64: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Analyse de la base Merl-MIT [Romeiro2009]

• Beaucoup de matériaux sont reperésentables par 2 angles sur les 4 de Rusinkiewicz :

Page 65: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Analyse de la base Merl-MIT [Romeiro2009]

Page 66: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Ratonal BRDF

• BRDF représentées avec foncton ratonnelles

• Fitng avec convergence globale garante

• Modèles orientés mesures

pas de paramètres de contrôlle

Page 67: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Intérêt Fonctons Ratonnelles

• Approximaton avec 7 coefcients

Ratonal Functons

Polynomial Functons

DataErreur Max

• Polynôlmes : 0.0689

• Ratonnelles : 0.0017

Page 68: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Ratonal BRDF : RésultatsTRANSACTIONS ON VISUALIZATION AND COMPUTER GRAPHICS, VOL. XXXX, NO. XXXXXX, XXX 20XX 2

Original datasize: BRDF =99MB, TabulatedCDF+PDFw30MB Our approach: BRDF =1.67KB, InverseCDF =0.600KB

Fig. 1. Monte-Carlo rendering with 2048 samples/pixel for a scene with three measured BRDFs from the MERL-MITdatabase (bl ue-metal l i c on the dragon, bei ge- f abri c on the floor, ni ckel on the sphere). Our approximation of theBRDFs andthe inverseCDFs, basedonRational Functions, provides efficientimportancesamplingwithanegligiblememoryfootprint: with less than 1 KB of storage, our IS technique (right) ofers equivalent quality (mean Lab diference is 0.77 andmax7.03 on low-dynamic range images) compared to the reference solution (left) obtained fromtabulated data ofw30MB.These tabulated CDF+PDF data have been generated by resampling the BRDF in (✓v,✓l,φl) at 90⇥90⇥180. Furthermore,the rendering time of our approach is 10% faster.

As detailed in Section 4.1, performing IS requires the in-verseof theBRDF’sCumulativeDistributionFunction (CDF).There are basically two approaches to compute the inverse oftheCDF. Thefirst is tofit themeasureddatawithananalyticalBRDF model [7]–[10], [24], [28] thato↵ersareadily invertibleCDF. In addition to the previously-mentioned weaknessesof non-linear fitting, all these approaches (except for [28])ignore the cosine factor that scales the BRDF according tothe incident light direction, reducing the efficiency of IS forgrazing angles of light. The second approach consists oftabulating the CDF into a sorted data structure (e.g., binarysearch tree) and computing the inverse function on-the-flyin this structure [21], [29], [30]. A major benefit of thisapproach is that the cosine scaling factor can be triviallyincluded, greatly improvingtheefficiencyof IS. Unfortunately,thestoragecost isseveral ordersof magnitudehigher thanwiththe first approach, and the iterative data retrieval process hasa non-constant computation cost.

In this paper we introduce the following contributions:

• ageneral frameworkbasedonRational Functions(RFs),which efficiently represents BRDFs and CDFs withouthaving to separate di↵use and specular components.

• anassociated fitting techniquethat scaleswith thedesiredaccuracy and memory footprint. The involved optimiza-tion is that of a strictly convex function of which theglobal minimum is guaranteed to be reached, providedthat a feasible solution exists.

• a new Monte-Carlo estimator for importance samplingrendering, which does not require to store thePDF whencombined with our representation.

2 Rational Functions Framework

In approximation theory Rational Functions are recognizedfor their greater expressivity compared to polynomials. They

are preferred in several numerical approximation problems inscientific computing [31]. A Rational Function (RF) of afinitedimensional vector xxx of real variables xi is:

rn,m(xxx)=pn,m(xxx)qn,m(xxx)

=

nX

j=0

pjbj(xxx)

mX

k=0

qkbk(xxx)

(1)

wherethen+1(resp.m+1) coefficientsof thenumerator (resp.denominator) arerepresentedby thereal numbers pj (resp. qk),and where bj(xxx) and bk(xxx) are multivariate basis functions.We use the multinomials in this paper, because they can beevaluatedefficiently.Weorder themby increasing total degree,for example in the bivariate case: b0=1,b1=x1,b2=x2,b3=x21,b4=x

22,b5=x1x2,b6=x

31,... Therefore, for agiven degree

wefavor adding first smoother basis functions (e.g., x21) ratherthan more oscillating ones (e.g., x1x2). Furthermore, bothpn,m(xxx)/qn,m(xxx) and ↵pn,m(xxx)/↵qn,m(xxx) take the same functionvalues for finitenonzero↵, and thecoefficients pj andqk needonly be determined up to a multiplicative constant that canbe used to normalize the representation of rn,m(xxx). Thereforern,m(xxx) has no more than n+m+1 free coefficients.

RFsareideal for approximatingdatathatexhibit steepchangeswhich are characteristic for specular lobes. An illustration ofapproximation of lobe-like functions using RFs is given inFigure 2, where it can be observed that a low degree RFcan easily represent abrupt variations followed by regionsof almost constant values, whereas a polynomial with thesame number of coefficients cannot. Such combinations ofsteep changes with flat regions are quite common in mea-sured BRDF data and their corresponding CDF. However, incomputer graphics, RFs have seldom been employed (exceptfor the ad hoc BRDF model proposed by Schlick [8]).

Algorithm 1 presents an overview of our fitting procedurebasedonthework of Salazar Celis et al. [32]. A preprocessing

TRANSACTIONS ON VISUALIZATION AND COMPUTER GRAPHICS, VOL. XXXX, NO. XXXXXX, XXX 20XX 2

Original datasize: BRDF =99MB, TabulatedCDF+PDF w30MB Our approach: BRDF =1.67KB, InverseCDF =0.600KB

Fig. 1. Monte-Carlo rendering with 2048 samples/pixel for a scene with three measured BRDFs from the MERL-MITdatabase (bl ue-metal l i c on the dragon, bei ge- f abri c on the floor, ni ckel on the sphere). Our approximation of theBRDFs andthe inverseCDFs, basedonRational Functions, provides efficient importance samplingwithanegligiblememoryfootprint: with less than 1 KB of storage, our IS technique (right) ofers equivalent quality (mean Lab diference is 0.77 andmax7.03 on low-dynamic range images) compared to the reference solution (left) obtained fromtabulated data ofw30MB.These tabulated CDF+PDF data have been generated by resampling the BRDF in (✓v,✓l,φl) at 90⇥90⇥180. Furthermore,the rendering time of our approach is 10% faster.

As detailed in Section 4.1, performing IS requires the in-verseof theBRDF’sCumulativeDistributionFunction (CDF).There arebasically two approaches to compute the inverse oftheCDF. Thefirst is tofit themeasureddatawithananalyticalBRDF model [7]–[10], [24], [28] thato↵ersareadily invertibleCDF. In addition to the previously-mentioned weaknessesof non-linear fitting, all these approaches (except for [28])ignore the cosine factor that scales the BRDF according tothe incident light direction, reducing the efficiency of IS forgrazing angles of light. The second approach consists oftabulating the CDF into a sorted data structure (e.g., binarysearch tree) and computing the inverse function on-the-flyin this structure [21], [29], [30]. A major benefit of thisapproach is that the cosine scaling factor can be triviallyincluded, greatly improvingtheefficiencyof IS. Unfortunately,thestoragecost isseveral ordersof magnitudehigher thanwiththe first approach, and the iterative data retrieval process hasa non-constant computation cost.

In this paper we introduce the following contributions:

• ageneral frameworkbasedonRational Functions (RFs),which efficiently represents BRDFs and CDFs withouthaving to separate di↵use and specular components.

• anassociated fitting techniquethat scaleswith thedesiredaccuracy and memory footprint. The involved optimiza-tion is that of a strictly convex function of which theglobal minimum is guaranteed to be reached, providedthat a feasible solution exists.

• a new Monte-Carlo estimator for importance samplingrendering, which does not require to store thePDF whencombined with our representation.

2 Rational Functions Framework

In approximation theory Rational Functions are recognizedfor their greater expressivity compared to polynomials. They

are preferred in several numerical approximation problems inscientific computing [31]. A Rational Function (RF) of afinitedimensional vector xxx of real variables xi is:

rn,m(xxx)=pn,m(xxx)qn,m(xxx)

=

nX

j=0

pjbj(xxx)

mX

k=0

qkbk(xxx)

(1)

wherethen+1(resp.m+1) coefficientsof thenumerator (resp.denominator) arerepresentedby thereal numbers pj (resp.qk),and where bj(xxx) and bk(xxx) are multivariate basis functions.We use the multinomials in this paper, because they can beevaluatedefficiently.Weorder themby increasing total degree,for example in the bivariate case: b0=1,b1=x1,b2=x2,b3=x21,b4=x

22,b5=x1x2,b6=x

31,... Therefore, for a given degree

wefavor adding first smoother basis functions (e.g., x21) ratherthan more oscillating ones (e.g., x1x2). Furthermore, bothpn,m(xxx)/qn,m(xxx) and ↵pn,m(xxx)/↵qn,m(xxx) take the same functionvalues for finitenonzero↵, and thecoefficients pj andqk needonly be determined up to a multiplicative constant that canbe used to normalize the representation of rn,m(xxx). Thereforern,m(xxx) has no more than n+m+1 free coefficients.

RFsareideal for approximatingdatathatexhibit steepchangeswhich are characteristic for specular lobes. An illustration ofapproximation of lobe-like functions using RFs is given inFigure 2, where it can be observed that a low degree RFcan easily represent abrupt variations followed by regionsof almost constant values, whereas a polynomial with thesame number of coefficients cannot. Such combinations ofsteep changes with flat regions are quite common in mea-sured BRDF data and their corresponding CDF. However, incomputer graphics, RFs have seldom been employed (exceptfor the ad hoc BRDF model proposed by Schlick [8]).

Algorithm 1 presents an overview of our fitting procedurebasedonthework of Salazar Celis et al. [32]. A preprocessing

Mesures99 MB

Approximatons RF1,7 KB

Page 69: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

69

Extension à la réfraction

Page 70: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

70

d2

2

dS

d1

1

n2

n1

On considère une interface entre deux milieux

d’indice n1 et n

2 et un faisceau incident avec un

angle 1

Le flux incident s'écrit (Li est la luminance entrante)

Extension - Réfracion

d2 F 1=Li (ω1→s )d2G1

d2 F1=Li (ω1→ s )cosθ1d S dΩ1Le flux transmis s'écrit (dL

t )

d2 F2=d Lt ( s→ω2 )cos θ2d S dΩ2

Supposons que t % soit transmis, la luminance sortante est

d Lt ( s→ω2 )=τ (ω1→ s→ω2 )cos θ2dΩ2

Li (ω1→ s )cosθ1dΩ1

Page 71: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

71

Noion de BTDFi

● Bidirectional Transmission Distribution Function

– Grandeur : sr-1

● Propriétés

– Réciprocité (Loi de Kirchoff)

– Conservation de l'énergie

d Lt (s→ω2 )=τ (ω1→ s→ω2 )cosθ2dΩ2

Li (ω1→s )cos θ1dΩ1

d Lt (s→ω2 )=ρ (ω1→ s→ω2 )Li (ω1→s )cosθ1dΩ1

∀ω1:∫Ω- ρ (ω1→ s→ω2 )cosθ2dΩ2≤1

ρ (ω1→s→ω2 )/n22=ρ (ω 2→s→ω1 )/n1

2=ρ* ( s ,ω1,ω 2)

Page 72: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

72

Généralisaion : noion de BSDFi

● Bidirectional Scattering Distribution Function

– Grandeur : sr-1

● Propriétés

– Conservation de l'énergie

d Ls ( s→ω2 )=ρ (ω1→ s→ω2 )Li (ω1→ s )cosθ1dΩ1

∀ω1:∫Ω ρ (ω1→ s→ω2 )cosθ2dΩ2≤1

Page 73: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

73

Vers l'éclairement global

Page 74: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

74

Éclairement

Page 75: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

75

Éclairement global/indirect

Éclairement direct

Éclairement indirect

Éclairement globalÉclairement direct

A

Page 76: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

76

Éclairement global

L(p→ o⃗ )

[Kajya 1996]

Page 77: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

77

Éclairement global

L(p→ o⃗ )=Le(p→ o⃗ )

[Kajya 1996]

Page 78: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

78

Éclairement global

L(p→ o⃗ )=Le(p→ o⃗ )+∫Ω ρ(ω⃗→ p→ o⃗ )⟨n⃗⋅⃗ω⟩L( ω⃗→ p )d ω⃗

Lumière incidente4D

Propriété de réflexions6D

Facteur géométrique

[Kajya 1996]

Page 79: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

79

L'équaion du rendu [Kajiya 1986]

● Hypothèses

– Équilibre lumineux

– Une longueur d'onde

● Luminance émise (W.m-2.sr-1)

– Luminance propre

– Luminance réfléchie● Toutes les contributions

L ( s→o )=L p ( s→o )+∫Ω ρ ( i← s→o ) ⟨ i⋅n⟩L (−i→ s )d i

d i

s

n io

Page 80: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

80

Rappel : équation du rendu

● Basé sur les valeurs de radiance

● Terme géométrique

d i d s'

s

n

n' g ( s , s ' )=⟨ i⋅n⟩ ⟨− i⋅n' ⟩

‖s−s '‖2 V ( s , s ' )

L ( s→ o )=Lp ( s→o )+∫S ρ ( i← s→o )g ( s , s ' )L ( s '→−i )d s '

L ( s→o )=L p ( s→o )+∫Ω ρ ( i← s→o ) ⟨ i⋅n⟩L (−i→ s )d i

Page 81: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

81

Hypothèse diffuse [Goral84]

● Indépendance à la direction

● Notion de radiosité (exitance : W.m-2)

● Albédo = % énergie réfléchie

B ( s )=∫Ω

L ( s→ω ) ⟨n⋅ω ⟩dω=πLd ( s )

ρ ( i← s→o )=ρd ( s )

L ( s→ω )=Ld ( s )

αd (s )=∫Ω ρd (s ) ⟨n⋅ω ⟩dω=πρd (s )

Page 82: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

82

Hypothèse diffuse [Goral84]

● Nouvelle équation (1)

● Notion d'irradiance (éclairement)

– W.m-2

● Nouvelle équation (2)

B ( s )=B p ( s )+αd ( s ) I ( s )

I ( s )=1π∫S g ( s , s ' )B ( s ' )d s '

B (s )=B p ( s )+αd ( s )1π∫S g ( s , s ' )B ( s ' )d s '

Page 83: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

83

Discréisaion

● Hypothèse : une valeur constante par élément

– B(s) = Bi sur S

i

– Bp(s) = E

i sur S

i

● Calcul de l'irradiance

I ( s )=1π∫S g ( s , s ' )B ( s ' ) d s '

⇒ I ( s )=1π∑i

Bi∫S i g ( s , si )d si

Page 84: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Discréisaion (suite)

● Une valeur moyenne par élément

– Exitances

– Albédo

– Éclairement

Bi=1Si∫Si

B∂ Si

E i=1Si∫Si

I ∂ Si

⇒ E i=1Si

1π∑ j

B j∫Si∫S j

cos θ . cosθ '

d2∂ S i∂ S j

⇒ E i=∑ jF ij B j

Bp , i=1S i∫S i

B p∂ Si

ρi=1S i∫S i

ρ∂ S i

Page 85: Modélisation et Caractérisation d’Aspect

Équaion matricielle [Goral1984]

● Forme matricielle

● Facteur de forme

– % d'énergie transférée

– Relation avec l'étendue géométrie

● Étendue géométrique entre Si et S

j normalisée par

l'étendue géométrique portée la surface Si dans toutes

les direction : Si

– Propriétés

Bi=B p ,i+ρi∑ jF ij B j

F ij=1πSi∫S i∫S j

cos θi cos θj

d ij2 ds j dsi

πS i Fij=Gij

∑jFij≤1

JOHN R. HOWELLA catalog of Radiation Heat Transfer Configuration Factors

http://www.engr.uky.edu/rtl/Catalog/

Si F ij=S j F ji