Модифікація косинус-квадратичної моделі відбиття світла для рендерингу тривимірних зображень

Abstract

In the article, it is discussed the development of a modified cosine-quadratic light reflectance model for three-dimensional images rendering. It is analyzed the definition of bidirectional reflectance distribution function, which to increase the realism of image formation in real-time mode. It is proposed a new modified cosine-quadratic light reflection model, which provides an essential increase in the accuracy of glares reproduction in the epicenter and blooming zones in comparison with the original cosine-quadratic model. The model is developed based on one of the cosine-quadratic reflection model forms, which contains the parameter for managing the form of the glare. At the same time, the expression of the modified model doesn’t contain the computationally expensive operations. The plots, which show the relative and absolute errors of the proposed model from the Blinn-Phong reflection models, are built. In order to provide the compliance of the modified cosine-quadratic light reflection model with the energy conservation law, the model is augmented with the calculated normalizing coefficient. The proposed light reflection model is energeticallycorrect and provides a highly-productive formation of three-dimensional images. is used for modelling the reflection of light from surface, and its necessary features that include non-negativity, compliance with Helmholtz reciprocity principle and compliance with energy conservation law. The physically-based Cook-Torrance and He models, which are based on the physical theory of light reflection, are analyzed. Additionally, the key aspects of applying the data-driven light reflection models are investigated. The disadvantages of physically-based and data-driven models usage in highly-productive three-dimensional rendering systems are considered. The advantages and disadvantages of main empirical light reflection models and the necessity of approximating the reference empirical Blinn-Phong model are analyzed. It is determined that the existing approximate Blinn-Phong models, such as cosinequadratic light reflection model, don’t allow to reproduce with a sufficient quality the glares at the three-dimensional object’s surface. It is justified the necessity of development of a new approximate Blinn-Phong model expression in order

У статті розглянуто розробку модифікованої косинус-квадратичної моделі відбиття світла для рендерингу тривимірних зображень. Розглянуто визначення двопроменевої функції відбивної здатності, що використовується для моделювання відбиття світла від поверхні, та її необхідні властивості, що включають невід`ємність, відповідність принципу симетричності Гельмгольца та закону збереження енергії. Проаналізовано фізично-точні моделі Кука-Торренса та Хе, що базуються на фізичній теорії відбиття світла. Додатково, досліджено особливості застосування моделей відбиття світла на основі даних. Розглянуто недоліки використання фізично-точних моделей відбиття і моделей на основі даних у високопродуктивних системах тривимірного рендерингу. Проаналізовано переваги й недоліки основних емпіричних моделей відбиття світла, а також необхідність апроксимації еталонної емпіричної моделі Блінна-Фонга. Встановлено, що наявні апроксимаційні моделі Блінна-Фонга, такі як косинус-квадратична модель відбиття світла, не дозволяють достатньо якісно відтворити відблиски на поверхні тривимірного об`єкта. Обґрунтовано необхідність розробки нових апроксимаційних виразів моделі Блінна-Фонга для підвищення реалістичності формування зображень у режимі реального часу. Запропоновано модифіковану косинус-квадратичну модель відбиття світла, що забезпечує суттєве підвищення точності відтворення відблисків у зонах епіцентру та блюмінгу порівняно з оригінальною косинус-квадратичною моделлю. Модель розроблено на основі однієї з форм косинус-квадратичної моделі освітлення, що містить параметр управління формою відблиску. При цьому, вираз модифікованої моделі не вміщує затратні операції. Побудовано графіки, що відображають відносні та абсолютні похибки запропонованої моделі від моделі відбиття світла Блінна-Фонга. Для забезпечення відповідності модифікованої косинус-квадратичної моделі відбиття світла закону збереження енергії, модель доповнено розрахованим формуючим коефіцієнтом. Запропонована модель відбиття світла є енергетично-коректною та забезпечує високопродуктивне формування тривимірних зображень.