Minimovka Lucia K

Zborník vedeckých prác doktorandov a mladých vedeckých pracovníkov “Mladí vedci 2010“
FOTOREALISTICKÁ VIZUALIZACE PRO AUTO-STEREOSKOPICKÁ
ZAŘÍZENÍ
PHOTO-REAL VISUALIZATION FOR THE AUTO-STEREOSCOPIC DEVICES
Tomáš Komenda1, David Bražina2
1
2
Ostravská univerzita v Ostravě, 30. dubna 22, 701 03 Ostrava, [email protected]
Ostravská univerzita v Ostravě, 30. dubna 22, 701 03 Ostrava, [email protected]
Abstract
This paper describes the process of photo-real visualization for auto-stereoscopic devices.
The process is divided into few basic parts of production for better understanding of this
problem.
Keywords: visualization, photo-real, auto-stereoscopy, celvision, referencing, modeling,
texturing, lighting, testing, rendering, composing
1 Úvod
V současné době vzrůstá stále více zájem o moderní technologie. Dnešním největším
tahounem na poli zobrazovacích technologií je bezpochyby 3D stereoskopická projekce,
která nám umožňuje vnímat proud zobrazovaných dat prostorově. Tento vjem se podařilo
docílit díky simulaci reálných optických principů. Stejně jako v reálném světě vnímáme okolí
dvěma očima a díky tomu získáváme pojem o prostoru, tak i ve virtuálním světě se snažíme
různými metodami a technikami docílit toho, aby každé oko vidělo mírně odlišný obraz. Tyto
metody a techniky můžeme podle principu, na kterém pracují, rozdělit na aktivní a pasivní.
V tomto článku se budeme zabývat aktivní stereoskopickou metodou ultimátních displayů a
tvorbou fotorealistické vizualizace pro tato zařízení. Jako ukázkový projekt pro aplikaci
postupů a technik, uvedených v následujícím článku, jsem si zvolil fotorealistickou
vizualizaci diamantu.
2 Reference vizualizované scény
Velmi důležitou částí tvorby fotorealistické vizualizace, je část zabývající se získávání
referencí o daném vizualizovaném objektu. Tato část je nepostradatelná i u jednoduchých
projektů. Potřebujeme nastudovat danou scénu z hlediska tvarů, světla, vlastností povrchů a
dalších základních, ale i pokročilých charakteristik.
Na následujícím obrázku můžete vidět ukázku obrazové dokumentace projektu.
Obr. 1 Obrazová dokumentace projektu [IDNES 2010], [MADAM 2010], [CN 2010]
763
Zborník vedeckých prác doktorandov a mladých vedeckých pracovníkov “Mladí vedci 2010“
2.1 Základní charakteristiky vizualizované scény
Jak již bylo uvedeno v úvodu tohoto článku, mým ukázkovým projektem je fotorealistická
vizualizace diamantu. Čili mezi základní charakteristiky dané scény budou jistě patřit
informace o vizualizovaném objektu a o prostředí, ve kterém se daný objekt nachází. Jedná se
o tvar, barvu, pozici (objektů, světel, kamery, …).
Obr. 2 Základní tvar a barva objektu [AM 2010], [OAK 2010]
Jak je z tohoto obrázku vidět, diamant je geometricky velmi složitý objekt a má přesně
stanovená pravidla. Tyto pravidla se týkají především tvaru, který má vliv na jeho interakci se
světlem. Klasický tvar diamantu, jak je vidět na , je tvar s příznačným názvem briliant. Tento
tvar se skládá z 57 symetricky vybroušených plošek na korunce a stanu. Na úzkém pásu pak
dalších 32 až 96 plošek.
Dalším důležitým ukazatelem kvality diamantu je jeho barva. Na můžeme vidět stupnici,
která ukazuje rozdělení diamantů do několika tříd podle jeho zabarvení.
Co se týče pozice objektů v námi předpokládané vizualizované scéně, řídili jsme se pouze
pomocí základních kompozičních pravidel. Objekt je umístěn ve středu scény a položen na
jednoduchém podstavci.
2.2 Pokročilé charakteristiky vizualizované scény
Mezi pokročilé charakteristiky pak budou patřit informace o použitých materiálech,
fyzikálních charakteristikách objektů ve scéně, informace o typu světel, použité kamerové
technice, a další.
Obr. 3 Odrazy a lomy světla [WDB 2010]
764
Zborník vedeckých prác doktorandov a mladých vedeckých pracovníkov “Mladí vedci 2010“
Jedna z nejdůležitějších fyzikálních charakteristik, pro náš projekt, je index lomu. Index
lomu je definován jako podíl rychlosti světla ve vakuu a rychlosti světla v daném materiálu.
V případě diamantu je to tedy 300000 km/s / 124120 km/s, což je přibližně u čirého diamantu
2,4175. Další charakteristikou je disperze světla (0,044), lesk (100%) a možné barvy
(bezbarvý, bílý, žlutý, modrý).
Tab. 1 Indexy lomu diamantu pro barevné světlo [WDB 2010]
Wavelength (nanometers)
687.6
589.2
527.0
486.1
430.8
Color
red
yellow
green
blue
purple
Diamond refractive index
2.4077
2.4176
2.4269
2.4354
2.4512
Ve scéně použijeme standardní globální osvětlení pomocí HDRI mapy a také několik
sekundárních světel, jako emitorů fotonů do scény pro věrohodné zobrazení caustic efektu.
3 Modelování objektů
Druhá fáze projektu se týká modelování objektů ve scéně. Zde již vycházíme z předem
nastudovaných předpokladů a vlastností objektů viz .
Obr. 4 (vlevo) Standardní proporce diamantu [JEWELRY 2010], (vpravo) Model objektu ve 3D scéně
Model objektu, viz , byl vytvořen podle zadaných proporcí v 3D animačním software
Autodesk Maya prostřednictvím polygonové reprezentace. Objekt je tvořen počtem 74
polygonů, což odpovídá počtu broušených ploch skutečného diamantu.
4 Tvorba textur a materiálů
Aby mohl být objekt správně vizualizován, je potřeba zajistit jeho správné materiálové
vlastnosti, založené na přesném fyzikálním modelu. Každý vizualizační software má celou
škálu materiálů a to jak základních, tak i pokročilých, kterými můžeme, po správném
nastavení, simulovat v podstatě jakýkoliv materiál. V našem případě vizualizace diamantu
zvolíme materiál typu mia, který je součástí balíku mental ray. Tento materiál simuluje reálné
fyzikální vlastnosti pevných těles.
Pro dosažení reálných vlastností povrchu musíme upravit některé charakteristické atributy
tohoto materiálu. Prvním atributem je index refrakce, který nastavíme na hodnotu podle Tab.
1. Dalším atributem je nastavení BRDF funkce, která definuje charakter odrazu a lomu
paprsku na povrchu materiálu. V našem případě pro tento atribut použijeme Fresnelovi
765
Zborník vedeckých prác doktorandov a mladých vedeckých pracovníkov “Mladí vedci 2010“
rovnosti pro odrazivost. Poslední důležité vlastnosti diamantu jsou jeho maximální odrazivost
a vysoký index lomu.
5 Osvětlení, testování a výsledný výpočet scény
Nejdůležitější z celé produkce je správné nasvícení scény. Množství, vlastnosti, barva,
teplota světla, jsou základní charakteristiky osvětlení scény. Abychom mohli kvalitně
simulovat světelné podmínky, musíme rozhodnout, zda budeme daný objekt snímat
v reálných nebo studiových podmínkách. Reálné podmínky se vyznačují přímým slunečním
světlem, velkou ambientní složkou a měkkými stíny. Studiové podmínky jsou zastoupeny ve
větší míře odrazivou složkou a difuzní složkou. Pro vizualizaci diamantu jsem zvolil studiové
podmínky a proměnlivý tří-bodový osvětlovací model. Podstata tří-bodového osvětlovacího
modelu je ukázána na Obr. 5.
Obr. 5 Tří-bodový osvětlovací model
Na základě zvoleného modelu testujeme vhodnou polohu, intenzitu a barvu daných světel.
Tato fáze produkce je z časového hlediska nejnáročnější. Některé testy lze provádět
v základním výpočtu scény, což znamená menší výpočetní náročnost a tím i menší časovou
náročnost. Složitější světelné efekty, jako globální osvětlení scény, final gathering a caustics,
však musíme testovat v téměř plné výpočetní kvalitě. Několik testů můžeme vidět na
následujícím obr. 6. Jedná se o testy v plné kvalitě.
Obr. 6 Testování světelných vlastností vizualizované scény
766
Zborník vedeckých prác doktorandov a mladých vedeckých pracovníkov “Mladí vedci 2010“
6 Auto-stereoskopie
Námi vizualizovaná scéna je tvořena pro produkci prostřednictvím auto-stereoskopických
displejů. Tyto displeje umožňují zobrazení 3D prostorového efektu bez nutnosti použití
speciálních brýlí nebo jiné pomocné techniky. Technologie, kterou tyto displeje používají,
byla příznačně nazvána paralaxní bariéra. Jde o obdobu lentikulární folie, avšak místo čoček
je zde použita právě paralaxní bariéra, která zajišťuje, aby každé oko vidělo jiný obraz. Tento
obraz je, stejně jako v reálném světě, mírně prostorově posunutý a tím docílíme
stereoskopického efektu. Technologie Celvision, pro kterou danou vizualizaci tvoříme,
využívá 8 prostorově posunutých obrazů, a tím 7 pozorovacích úhlů.
Obr. 7 Princip auto-stereoskopické technologie Celvision
7 Kompozice
Principem technologie Celvision je vykreslení syntetické scény osmi různými na sobě
závislými kamerami. Výsledný obraz se pak ukládá do speciálního formátu obsahujícího
informace o snímání obrazu z těchto osmi kamer. Tyto jsou poskládány podle předem daných
pravidel do mřížky 3x3 snímků tak, že chybějící devátý obraz vzniká rozdělením obrazů
snímaného sedmou a osmou kamerou. Následující ukazuje rozložení osmi vstupních obrazů
do matice 3x3. V případě video vstupu musí být stejným způsobem rozděleno 8 video
sekvencí v daném pořadí. Přehrávač, vytvořený pro tuto technologii, pak dané obrazy
zformuje do mřížky po jednotlivých pixelech tak, jak je vidět na Obr. 7. Mřížka 3x3,
definovaná výše, je tedy pouze mezi-formát, pro srozumitelnější tvorbu vstupů pro tato
zařízení. Tento formát se nazývá eight-tile.
767
Zborník vedeckých prác doktorandov a mladých vedeckých pracovníkov “Mladí vedci 2010“
Obr. 8 Vstup pro auto-stereoskopické zařízení Celvision
8 Závěr
Námi vizualizovaný projekt diamantu získává díky auto-stereoskopickému zobrazení další
rozměr a tím i podstatně jinou formu prezentace, vizualizace i vnímání. Jak již bylo uvedeno
v úvodu, stereoskopické technologie jsou v dnešní době na vzestupu a jsou čím dál více
používány ve všech vědních i populárních odvětvích. Auto-stereoskopické technologie jsou
prozatím ve fázi vývoje a testování, avšak nebude dlouho trvat a začnou se rozvíjet ve
velkém. Již dnes je několik komerčních zařízení, která s těmito technologiemi pracují
(notebook, mobilní telefon, elektronický mikroskop a další).
Poděkování: Tento článek vznikl za podpory projektu SGS15/PřF/2010
9 Literatura
ČTK. V New Yorku se bude ve středu dražit obří diamant. [online], [citované 28.5.2010].
Dostupné na: <http://www.financninoviny.cz/zpravy/v-new-yorku-se-bude-ve-stredudrazit-obri-diamant/403580&id_seznam=385>
MADAM BUSINESS. Nejdražší diamant prodán. [online], [citované 6.5.2010]. Dostupné na:
<http://www.madambusiness.cz/cs/news/112/nejdrazsi-diamant-prodan>
FÜRBACH, M. Exkluzivně: jak se vyrábějí diamanty z lidí. Stačí hromádka kremačního
popelu. [online], [citované 26.5.2010].
Dostupné na: <http://technet.idnes.cz/exkluzivne-jak-se-vyrabeji-diamanty-z-lidi-stacihromadka-kremacniho-popelu-175/tec_reportaze.asp?c=A080910_171404_tec_reportaze_kuz>
AM-DIAMONDS. Grading Polished Diamonds For Cut. [online], [citované 28.5.2010].
Dostupné na: <http://www.am-diamonds.com/diamond_cut.php>
OAK RIDGE JEWELERS. About Diamonds. [online], [citované 29.5.2010].
Dostupné na: <http://www.oakridgejewelers.net/content.php?page=diamonds>
WORLD DIAMOND BOURSE. Optical properties. [online], [citované 30.5.2010]. Dostupné
na:
<http://www.worlddiamondbourse.com/Infos/DiamantQuoi.aspx?subcat=PropOptiques>
768
Zborník vedeckých prác doktorandov a mladých vedeckých pracovníkov “Mladí vedci 2010“
JEWELRY FINDINGS. Refraction Of Gems And Effects. [online], [citované 2.6.2010].
Dostupné na: <http://jewelryfindings.org/?p=7>
Recenzent: doc. RNDr. PaedDr. Eva Volná, PhD., Ostravská univerzita v Ostravě,
Přírodovědecká fakulta, Katedra informatiky a počítačů, 30. dubna 22, 701 03 Ostrava,
e-mail: [email protected]
769