Wellenla ngen Basiertes Beleuchtungs Modell im Shader

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1 1/ 25 Wellenla ngen Basiertes Beleuchtungs Modell im Shader Abschlussvortrag Goethe Universita t Frankfurt 6. Oktober 2008 Wellenla ngen Basiertes Beleuchtungs Modell im Shader

2 Einleitung 2/ 25 Überblick 1 Grundlagen 2 State Of The Art Interferenz / Diffraktion im Raytracer Interferenz / Diffraktion im Polygon-Renderer 3 Eigene Verfahren Viewer Shader Programm Ergebnisse 4 Ausblick

3 Grundlagen 3/ 25 1 Grundlagen 2 State Of The Art Interferenz / Diffraktion im Raytracer Interferenz / Diffraktion im Polygon-Renderer 3 Eigene Verfahren Viewer Shader Programm Ergebnisse 4 Ausblick

4 Grundlagen 4/ 25 Farbe in Realität und Computergraphik In CG: Farben mittels RGB-Modell Ausreichend für normale Situationen Einfache Implementierung In Natur: Spektrum Photonen Spektrum: Zusammenstellung von Wellenlängen und Intensitäten Wellenlängen gemessen in [nm] Intensitäten in cd m 2,lx (Lux),lm (Lumen)

5 Grundlagen 5/ 25 Sichtbares Spektrum 380nm 780nm[Poy03] Jede Wellenlänge λ entspricht eigener Farbe und besitzt individuelle Intensität 1 Intensity RGB: (1.000,0.875,0.533) Wavelength Abbildung: Spektrum zu Farbe

6 Grundlagen 6/ 25 Berechnung der Farbe eines Spektrums Berechnung der Farbe im CIE XYZ-Farbmodell Color Matching Function (CMF) zur Nachbildung des menschlichen Sehens CMF besitzt 3 Werte für jedes Lambda Summe ergibt XYZ-Farbe Kann in RGB-Farbe umgewandelt werden. Die so erhaltene RGB-Farbe kann negative oder zu große Werte enthalten! Lösung hier: Clipping Abbildung: CMF Werte. [cmf]

7 n 1. Grundlagen 7/ 25 Interferenz L Incident L Reflected N α α α β n 2 d l w L Refracted Abbildung: Interferenz an einer dünnen Schicht Dringt Licht in ein Medium anderer Dichte ein, so wird es gebrochen (Snell) wellenlängenabhängig Lichtgeschwindigkeit abhängig vom Medium Wird das Licht aus dem Medium zurückgeworfen, Interferenz mit direkt reflektiertem Licht Unterschiedliche Fälle: Auslöschung bis Verstärkung

8 Grundlagen 8/ 25 Renderpipeline API (Open GL / Direct 3D) Model Transformations Vertex - Shader Vertex Projection Illumination + Clipping Picture Space Screenmapping Rasterize Geometry - Shader Pixel - Shader Object Space Generate Transform Vertices Vertices unlimited iterations possible Visibilty Check Pixel Illumination Display

9 Grundlagen 9/ 25 Shader Programme auf der Graphikkarte (GPU 1 ) Übernehmen Berechnungen in der Renderpipeline Vertex-, Geometry- und Fragment-Shader Hoch parallelisiert Hochsprachen für Programmierung Nicht auf Graphikberechnungen beschränkt General Purpose GPU (GPGPU) Verwendete Schnittstelle: nvidia CG 1 Graphics Processing Unit

10 State Of The Art 10/ 25 1 Grundlagen 2 State Of The Art Interferenz / Diffraktion im Raytracer Interferenz / Diffraktion im Polygon-Renderer 3 Eigene Verfahren Viewer Shader Programm Ergebnisse 4 Ausblick

11 State Of The Art 11/ 25 Interferenz / Diffraktion im Raytracer Wellenlängen basierte Berechnung im Raytracer ist einfach. Die Szene wird unabhängig für jede Wellenlänge beleuchtet. Modellierung einer CD[SFDC00] Modellierung von dünnen Schichten komplexe Brechungsindizes (nicht-transparente Schichten) mehrere Schichten Abbildung: Ergebnisse von Sun. Quellen [SFDC00, SW08] Abbildung: Ergebnisse von Hirayama. Quelle [HKYM01]

12 State Of The Art 12/ 25 Interferenz / Diffraktion im Polygon-Renderer Wellenlängenbasiert nicht trivial. Alternative Modellierungen. Interferenz an dünner Schicht Texture Lookup der resultierenden Schichtfarbe XYZ Berechnung und Konvertierung [DK06] Diffraktion mittels Regenbogen Textur [Fer04] Abbildung: Ergebnisse von Stam. Aus [Fer04] Abbildung: Ergebnisse von Durikovic [DK06] Abbildung: Ergebnisse von nvidia (FX Composer Gallery)

13 Eigene Verfahren 13/ 25 1 Grundlagen 2 State Of The Art Interferenz / Diffraktion im Raytracer Interferenz / Diffraktion im Polygon-Renderer 3 Eigene Verfahren Viewer Shader Programm Ergebnisse 4 Ausblick

14 Eigene Verfahren 14/ 25 Shader Viewer Entwicklung eines eigenen Viewer für Shader Programme. Vermeidung von Limitierungen Anpassung an das eigene System Ideen von Render Monkey und FX Composer wurden übernommen. Features: Verwaltung von Texturen Dynamische Manipulation von globalen Variablen Individuelle 3D-Objekt Steuerung API unabhängige Implementierung

15 Eigene Verfahren 15/ 25 Shader Programm Speicherung der CMF-Werte in Textur (byte oder float) Einbinden der verwendeten Beleuchtungsmodelle Fresnel-Gleichungen für Reflexion und Transmission von Lichtwellen Snellius sches Brechungsgesetz Reflexionsgitter (CD) Phong - Blinn Modell Durikovic Interferenzberechnung Kombination aus Sun und Hirayama Ansatz für komplex wertige mehrschicht Systeme Ausnutzen von besonderen Eigenschaften der GPU - Vektorrechner

16 Eigene Verfahren 16/ 25 Multilayer System mit komplexen Brechungsindizes Berechnung von mehrschichtigen dünnen Filmen mit System von Hirayama möglich Aber: nicht-transparente Schichten? Lösung: Sun s Ansatz für komplexe Brechungsindizies Kombination führt zu korrekter Berechnung von mehrschicht System mit undurchsichtiger Basisschicht Hirayama s Formel universell, allerdings so nicht umsetzbar.

17 Eigene Verfahren 17/ 25 Grundidee des Frameworks Typischer Ablauf in dem Framework im Fragment-Shader: 1 Berechnung der globalen (wellenlängen unabhängigen) Daten 2 Iteration über alle verwendeten Wellenlängen Schrittweite möglich (LOD?) 1 Auslesen von CMF 2 Berechnen von wellenlängen spezifischen Daten (Intensität, Dichte, etc.) 3 Aufsummieren über alle Produkte von CMF den zugehörigen Intensitäten XYZ Koordinate 4 Transformation der XYZ in RGB

18 Eigene Verfahren 18/ 25 Ergebnisse Abbildung: Phong mit Spektral-Texturen Abbildung: Interferenz an mehrschicht System Abbildung: Interferenz Brickwall Wellenla ngen Basiertes Beleuchtungs Modell im Shader

19 Eigene Verfahren 19/ 25 Ergebnisse II Abbildung: Interferenz auf einer Wasseroberfla che Abbildung: Interferenz einer CD mit Gold-Substrat Wellenla ngen Basiertes Beleuchtungs Modell im Shader

20 Ausblick 20/ 25 1 Grundlagen 2 State Of The Art Interferenz / Diffraktion im Raytracer Interferenz / Diffraktion im Polygon-Renderer 3 Eigene Verfahren Viewer Shader Programm Ergebnisse 4 Ausblick

21 Ausblick 21/ 25 Fazit Das Framework hat bis jetzt folgende Eigenschaften: Verwendung von Spektren für Licht und Material Simples LOD System Unabhängige Berechnung der Intensität Intensität pro Wellenlänge für mehrschicht System, CD, etc Intensität durch Lichtquelle Transformation in beliebigen Farbraum Interaktive Frameraten

22 Ausblick 22/ 25 Ausblick Weitere wünschenswerte Eigenschaften Wellenlängen spezifische Brechungsindizes Direkte RGB Ausgabe LOD-System (?) Beschleunigung für genauere Modelle

23 Ausblick 23/ 25 Ende Fragen?

24 Ausblick 24/ 25 Cmf Quelle: Wikipedia (english), Aufgerufen: , Stichwort: Cie 1931 color space. Roman Durikovic and Ryou Kimura. Gpu rendering of the thin film on paints with full spectrum. In IV 06: Proceedings of the conference on Information Visualization, pages , Washington, DC, USA, IEEE Computer Society. Randima Fernando. GPU Gems: Programming Techniques, Tips and Tricks for Real-Time Graphics. Pearson Higher Education, Hideki Hirayama, Kazufumi Kaneda, Hideo Yamashita, and Yoshimi Monden. An accurate illumination model for objects coated with multilayer films. Computers & Graphics, 25(3): , 2001.

25 Ausblick 25/ 25 Charles Poynton. Digital Video and HDTV Algorithms and Interfaces. Morgan Kaufmann Publishers Inc., San Francisco, CA, USA, Yinlong Sun, F. David Fracchia, Mark S. Drew, and Thomas W. Calvert. Rendering iridescent colors of optical disks. In Proceedings of the Eurographics Workshop on Rendering Techniques 2000, pages , London, UK, Springer-Verlag. Yinlong Sun and Qiqi Wang. Interference shaders of thin films. In Computer Graphics Forum. The Eurographics Association and Blackwell Publishing Ltd., 2008.