wybrane problemy symulacji figury jasnych punktów z

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 133
Elektryka
2007
Dariusz Sawicki
Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Systemów Informacyjno-Pomiarowych
WYBRANE PROBLEMY SYMULACJI FIGURY
JASNYCH PUNKTÓW Z WYKORZYSTANIEM
METODY ŚLEDZENIA PROMIENI
Re˛kopis dostarczono 25.04.2007 r.
Przedmiotem pracy jest analiza możliwości wykorzystania metody śledzenia promieni w symulacji figury jasnych punktów. Obraz źródđa światđa na powierzchni odbđyśnika w postaci
figury jasnych punktów jest dobrym źródđem informacji o wđaściwościach reflektora. Jednocześnie wyznaczenie figury jasnych punktów wymaga uwzgle˛dnienia wielu zđożonych zjawisk
fizycznych. Z tego powodu jest to nie tylko jednym z ważniejszych, ale i ciekawszych problemów techniki świetlnej. Celem pracy jest opracowanie kompleksowych rozwia˛zań pozwalaja˛cych na efektywna˛ symulacje˛ figury jasnych punktów. Rozwia˛zań, które skđadaja˛ sie˛ ze znanych, odpowiednio dobranych technik, ze zmodyfikowanych metod oraz z propozycji autora
be˛da˛cych nowymi algorytmami przydatnymi szczególnie w zastosowaniach śledzenia promieni
w technice świetlnej.
W pierwszej cze˛ści pracy (rozdziađ 3.) przedstawiono opis ukđadu optycznego oraz zdefiniowano jego geometrie˛. Pokazano również czynniki wpđywaja˛ce na ksztađt figury jasnych punktów. W zakresie geometrii ukđadu zaprezentowano także propozycje autora systematyzacji opisu
pođożenia.
Druga cze˛ść pracy (rozdziađy 4., 5.) jest poświe˛cona odbđyśnikom i ich wđaściwościom
odbijaja˛cym. Rozpatrywane sa˛ dwa aspekty tego zagadnienia. Najpierw zostađa przeprowadzona
analiza modeli odbicia światđa od powierzchni odbđyśnika. Rozpatrzono kilka najbardziej reprezentatywnych modeli wykorzystuja˛cych funkcje˛ rozkđadu wspóđczynnika odbicia dwukierunkowego (BRDF). Pod uwage˛ wzie˛to opis uwzgle˛dniaja˛cy zarówno wđaściwości izotropowe, jak
i anizotropowe. Wnioski z analizy dotycza˛ przydatności metod opisu odbicia do wyznaczania
figury jasnych punktów. Realizacja metody śledzenia promieni wymaga zastosowania wđaściwego modelu opisuja˛cego odbicie światđa. Tylko rozwia˛zanie uwzgle˛dniaja˛ce odpowiednie parametry i zjawiska fizyczne daje możliwość uzyskania wiarygodnych wyników symulacji. Analiza
modeli odbicia zostađa uzupeđniona propozycja˛ autora przyspieszaja˛ca˛ proces obliczeniowy.
Drugim rozpatrywanym aspektem jest modelowanie lokalnych zmian ksztađtu powierzchni
odbđyśników. Zostađo to zrealizowane technika˛ dwuwymiarowego teksturowania wpđywaja˛cego
na kierunek wektora normalnego (technika˛ bump mapping). Rozpatrzono takie sytuacje, jak
powstawanie wad technologicznych na powierzchni odbđyśnika, zastosowanie makrostruktury
rozpraszaja˛cej oraz odbđyśniki schodkowe.
4
Wste˛p
Trzecia cze˛ść pracy (rozdziađy 6., 7.) dotyczy modelowania powierzchniowego źródđa światđa oraz jego wpđywu na ksztađt i rozkđad luminancji figury jasnych punktów. Uwzgle˛dnienie
powierzchniowego źródđa światđa, szczególnie w relatywnie bliskiej odlegđości od powierzchni
odbđyśnika jest najbardziej zđożonym problemem wykorzystania metody śledzenia promieni do
symulacji figury jasnych punktów. Autor zaproponowađ trzy rozwia˛zania tego problemu. Pierwsze, wykorzystuja˛ce klasyczne śledzenie promieni, pozwala wyznaczyć tylko kontur figury
jasnych punktów, ale bardzo efektywnie. Drugie rozwia˛zanie wyznacza także rozkđad luminancji figury i wykorzystuje zmodyfikowany przez autora model Verbecka-Greenberga powierzchniowego źródđa światđa. Trzecie rozwia˛zanie jest nowym algorytmem zaproponowanym przez
autora, opracowanym na podstawie mapowania fotonowego. Dodatkowo rozpatrywane sa˛ wybrane zjawiska fizyczne jako uzupeđnienie i rozszerzenie opisu powierzchniowego źródđa światđa. Pod uwage˛ zostađa wzie˛ta emisja strumienia świetlnego z uwzgle˛dnieniem rzeczywistych
(nielambertowskich) zależności ka˛towych oraz rozkđad temperatury na powierzchni źródđa.
Czwarta cze˛ść pracy (rozdziađ 8.) poświe˛cona jest wybranym aspektom aplikacyjnym. Autor
skupiđ sie˛ na dwóch niestandardowych zastosowaniach figury jasnych punktów: identyfikacji
pola powierzchni źródđa odpowiedzialnego za powstanie danego fragmentu figury oraz próbie
oceny zmian pođożenia źródđa na podstawie zmian ksztađtu figury.
W pracy wykorzystano wybrane zagadnienia grafiki komputerowej i techniki świetlnej
w celu rozwia˛zania problemu wyznaczania figury jasnych punktów. Tylko pođa˛czenie doświadczeń i uwzgle˛dnienie wyników badań z obu tych dziedzin daje możliwość uzyskania poprawnych i efektywnie realizowanych symulacji.
Sđowa kluczowe: figura jasnych punktów, metoda śledzenia promieni, modelowanie odbicia,
powierzchniowe źródđa światđa
1. WSTE˛P
1.1. FIGURA JASNYCH PUNKTÓW
Jeśli obserwator skierowađby wzrok w kierunku oświetlaja˛cego go reflektora, to mógđby dostrzec jasne plamy światđa na powierzchni odbđyśnika tego
reflektora. Plamy te be˛da˛ odpowiadađy odbiciu źródđa światđa, jakie może
zobaczyć obserwator. Oczywiście w praktyce, ze wzgle˛du na duża˛ luminancje˛
źródđa, taki eksperyment nie byđby ani przyjemny, ani bezpieczny, sta˛d np.
konstruktorzy reflektorów samochodowych wkđadaja˛ wiele wysiđku w to, aby
strumień świetlny nie trafiđ w oczy postronnych przechodniów, ani tym bardziej nie spowodowađ olśnienia kierowcy jada˛cego z przeciwka. Odbicie źródđa światđa na powierzchni odbđyśnika tworzy tzw. figure˛ jasnych punktów
(FJP) [81, 82, 184, 187] rysunek 1.1.
Uwzgle˛dniaja˛c dotychczasowe rozważania zwia˛zane z tematem pracy [74,
81, 82, 85, 160, 164, 184, 187], można zaproponować naste˛puja˛ca˛, bardzo
prosta˛ definicje˛.
Figura˛ jasnych punktów (FJP) nazywamy pozorny obraz źródđa światđa
na powierzchni odbđyśnika widziany z określonego kierunku.