автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Реалистическое моделирование изображений освещения трехмерных сцен на экране ЭВМ

Введение.

1. Математические методы и алгоритмы моделирования светоцветовой среды

1.1.Принципы моделирования реалистических изображений на экране дисплея ЭВМ

1.2 . Уравнение глобального освещения.

1. 3 . Методы решения уравнения глобального освещения . 38 1.4. Качество изображения трехмерной сцены на экране дисплея ЭВМ.

Выводы по первому разделу:.

2. Принципы построения математической модели отображения реальных сцен на мониторах.:.

2 .1. Основы визуальных исследований воспроизведения цвета.

2.2.Принципы построения равноконтрастных цветовых систем

2.3 . Экспериментальное исследование условий реалистического воспроизведения цвета в трехмерных сценах на экране дисплея ЭВМ.

Выводы по второму разделу:.

3. Алгоритмы моделирования цвета в трехмерных сценах

3.1. Математическая модель воспроизведения светоцветовой среды.

3.2.Реализация математической модели на ЭВМ.

3.3.Оценка точности и границ применимости математической модели.

3.4 . Дополнительные применения алгоритма реалистического моделирования освещения ЗМ сцен.

Выводы по третьему разделу:.

в настоящее время компьютер является неотъемлемым инструментом моделирования изображений не только в светотехнике, но и при исследованиях атмосферы, океана, свечения плазмы, в медицине и многих других областях [1] . При обработке на компьютере информации, связанной с изображением можно выделить три задачи:

1.Определение объекта по имеющемуся изображению -компьютерное (машинное) зрение;

2. Улучшение изображения для его дальнейшего анализа -обработка изображений;

3. Создание изображения объекта по математической модели его описания - компьютерная графика.

В данной работе рассматривается последняя задача компьютерная графика. Требования к качеству изображения драматично развивались за неполные тридцать лет компьютерной графики: первые исследователи были счастливы представить хоть что-то как изображение, в то время как сейчас усилия направлены на реалистический синтез изображения [ 2 ] . Трудно сразу дать точное определение реалистического изображения, однако в первом приближении для этого необходима фотографическая точность воссоздания на экране дисплея ЭВМ распределения освещенности, создаваемого осветительной установкой (ОУ) . Графические возможности современных компьютеров и алгоритмы формирования изображения позволяют легко справиться с этой задачей.

На сегодняшний момент наиболее актуальное применение компьютерная графика нашла в светотехнике. Это именно тот случай реалистического синтеза изображений, когда необходимо воссоздание действительности, чтобы наблюдатель не мог отличить моделируемое изображение от реальности. Теперь проект освещения любого объекта можно дополнить изображением проектируемой осветительной установки, и заказчик проекта вме сто сухих расчетных цифр освещенности или яркости поверхности получит изображение своего освещенного объекта, наиболее близкое к реальности. Такой подход позволит на практике реализовать совместную работу светотехника и архитектора, перейти от проектирования осветительных установок к световому дизайну зданий и помещений.

Основным критерием качества проектируемой ОУ является светотехническое моделирование, позволяющее проверить и уточнить расчеты, а также апробировать светотехнические б решения отдельных элементов ОУ. Существуют три основных типа светотехнических моделей [56] :

1) Расчетные - без учета реальных размеров, с помощью таблиц;

2) Точное определение параметров на моделях 1:1;

3) Макеты, создающие изображение, подобное по зрительному восприятию проектируемой ОУ.

Создание макета целесообразно только в том случае, если он по стоимости дешевле проектируемой ОУ. Но восприятие макета не может быть полностью адекватно восприятию объекта, поэтому воспроизводят наиболее информативные признаки, чтобы восприятия макета и объекта были подобны. Геометрическое подобие не создает зрительного подобия, и наиболее значительной эффективностью обладает плоскостное моделирования (эскиз, рисунок) со светлотным представлением кажущейся глубины [57]. При плоскостном двумерном моделировании с помощью рисунка дизайнера освещение решается условно, из-за ограниченности диапазона в передаче яркостей. Если бы каждый проектировщик-дизайнер обладал бы талантом Рубенса, для воспроизведения реалистических изображений достаточно было бы только программ 2о-графики.

Однако такое вряд ли возможно, поэтому в настоящее время светотехниками широко используется компьютерное моделирование ОУ с применением принципов глобального освещенияг точно учитывающим многократные отражения на диффузно рассеивающих и зеркально отражающих поверхностях сцены. Методы глобального освещения решают проблему визуализации на основе физического подобия: распределение пикселей на экране эквивалентно распределению облученности в плоскости анализа фотокамеры, что является далеко неочевидным: очень часто моделируемое на экране дисплея ЭВМ изображение при сравнении с оригиналом воспринимается как искусственное. Возникает вопрос "критерия реалистичности" или оценки качества воспроизведения ЗМ сцен, т.е. установления соответствия и степени различия зрительного восприятия реальных объектов и их визуализируемых изображений. За критерий реалистичности изображения на экране ЭВМ логичнее всего принять критерий психологически точного воспроизведения оригинала, по аналогии с Нюбергом [29] . И если трудоемкие, но фотографически точные расчеты методами глобального освещения не полностью решают задачу реалистического воспроизведения, то как найти решение этой задачи?

При работе с компьютерными изображениями неизменно возникает вопрос о сжатии графических форматов. Полноразмерные форматы Windows занимают слишком мно го места на носителе. В настоящее время типы форматов, использующих сжатие, либо используют просто периодические структуры в изображении, либо некоторые ограниченные феноменологические закономерности восприятия цветных изображений. Не существует формата, основанного на психофизических законах ощущения цвета глазом, который позволяет задавать и контролировать качество сжимаемого изображения.

Главной целью настоящей диссертационной работы является формулировка алгоритма, разработка и реализация математической модели реалистического воспроизведения освещения цветных трехмерных сцен на экране дисплея ЭВМ. А также разработка нового метода сжатия графических изображений на основе предложенной математической модели.

В данной работе формулируются основные законы моделирования компьютерных изображений, рассматривается возможность применения различных цветовых систем к задачам компьютерной графики, проводится экспериментальное исследование условий реалистического воспроизведения цвета в изображениях, а также экспериментальное исследование сжатия изображений исходя из психофизических свойств органа зрения.

Для до стижения цели диссертации в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ методов моделирования трехмерных сцен и визуализаций изображений;

2. Вводится определение и дается обоснование критерия реалистичности изображения;

3. Проведено исследование законов психофизического подобия оригинала и его цветного изображения;

4. Разработана математическая модель реалистического воспроизведения освещения цветных трехмерных сцен на экране дисплея ЭВМ;

5. Проведена экспериментальная проверка и уточнение полученной модели;

6. Реализация разработанного алгоритма на персональном компьютере и разработка методики проектирования ОУ по предложенной программе;

7. Разработан новый метод сжатия формата изображения на основе психофизических законов.

Научную новизну работы определяют:

1. Вывод уравнения глобального освещения из краевой задачи для уравнения переноса излучения, обобщающего задачу визуализации ЗМ сцен на случай мутных сред;

2. Наиболее общая формулировка принятых в компьютерной графике коэффициентов двунаправленного отражения и пропускания, а также разработка алгоритмов эффективного учета этих процессов в глобальном освещении;

3. Математическая модель реалистического воспроизведения светоцветовой среды, основанная на психофизических законах восприятия цветных изображений органом зрения;

4. Новый метод сжатия формата изображений с контролем качества, основанный на разработанной модели. Практическая значимосФЬ работы:

1. Компьютерный алгоритм расчета методом глобального освещения позволяет светотехникам-проектировщикам прейти от частного случая - метода коэффициента использования к точному моделированию освещения с учетом многократных отражений на диффузно рассеивающих и зеркально отражающих поверхностях сцены;

2. Предложенная в работе модель реалистического синтеза изображений реализована в виде отдельной программы ТКС, что позволяет идентично и максимально приближено к реальности воспроизводить на любом экране дисплея ЭВМ трехмерные сцены, рассчитанные в существующих программах глобального освещения;

3. Использование программы ТКС в светотехнической практике позволяет контролировать качество проектируемой ОУ еще на стадии разработки, без необходимости создания дорогостоящих моделей;

4. Новый метод сжатия формата изображений дает возможность уменьшить размер графического файла в три раза без заметного снижения качества, а также в большее количество раз с контролем качества.

На згициту выносятся следующие научные положения и результаты:

1. Вывод уравнения визуализации с учетом многократных отражений из наиболее общей краевой задачи для уравнения переноса излучения;

2. Аналитическое представление коэффициентов яркости поверхности при направленном освещении и алгоритм учета процессов направленного отражения и пропускания в глобальном освещении;

3. Метод создания реалистических изображений освещения трехмерных сцен на экране ЭВМ, основанный на переходе от трехмерного колориметрического пространства в равноконтрастное и воспроизведении на экране ЭВМ цветовых контрастов исходного изображения;

4. Обоснование выбора равноконтрастной модели Беляевой-Матвеева применительно к экранам мониторов;

5. Новый метод сжатия графических форматов цветных изображений, исходя из психофизических законов ощущения цвета глазом человека.

Методы исследований: Математическое моделирование ощущения цвета органом зрения при воспроизведении цветовых контрастов исходного изображения на экране дисплея ЭВМ. При создании экспериментальной установки использовалось математическое и физическое моделирование освещения трехмерных сцен и условий наблюдения.

Достоверность результатов приведенных в диссертации определяется:

- строгим аналитическим выводом фундаментальных и расчетных соотношений, а т акже получением, как частных случаев, принятых в светотехнике понятий и методик расчетов;

- оценкой точности и границ применимости модели, анализом погрешностей измерений в эксперименте;

- совпадением теоретических выкладок с результатами экспериментальных исследований с различными наблюдателями при использовании мониторов стандарта ТСО;

- идентичностью результатов качественной оценки как на простых модельных, так и на сюжетных сценах.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Основные выводы из работы:

1. Реалистический синтез изображения возможен только при использовании методов глобального освещения вместе с алгоритмами моделирования цвета на экране, основанными на психофизических законах ощущения света глазом;

2. Общее уравнение глобального освещения с учетом рассеяния света в сцене наблюдения следует из краевой задачи для уравнения переноса излучения, с учетом уточненных понятий функций двунаправленного отражения и пропускания;

3. Экспериментальная проверка равноконтрастной модели Беляевой-Матвеева показала, что модель точнее передает контрасты изображений, чем СШЫЖ и СШЬАВ и может быть использована при воспроизведении цветных изображений на экране дисплея ЭВМ;

4. Математическая модель реалистического воспроизведения светоцветовой среды основана на преобразований трехмерного колориметрического пространства RGB в равноконтрастное vKvsvc, переходе от яркости к светлоте и обратном преобразовании VK V3 Vc в RGB с учетом яркости адаптации. При выводе на экран модель учитывает функцию рассеяния точки органа зрения и у-коррекцию дисплея;

5. На основе построенной модели п] новый метод сжатия изображений с контролем качества, основанный на психофизических свойствах восприятия цветных изображений органом зрения;

6. В светотехническую практику полезно ввести критерий оценки качества освещения помещений, основанный на реалистическом изображении проектируемой ОУ на экране ЭВМ, полученном по предложенной в работе модели.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.т.н. проф. Будаку В.П., без поддержки которого работа вряд ли была бы закончена. Благодаря совместному плодотворному сотрудничеству и острым научным дискуссиям и родились многие результаты этой работы.

119

Приношу искреннюю благодарность д.т.н. проф. Атаеву А.Е., благодаря которому были апробированы многие результаты этой работы на всероссийских и международных научных конференциях, в том числе на международной конференции LUX Junior в г. Ильменау (Германия) .

Я признателен моим коллегам коллектива кафедры "Светотехника", а особенно моим товариш;ам по научному кружку, за дружеское отношение и обсуждение полученных резуль татов.

4. Заключение в настоящей диссертационной работе разработана математическая модель реалистического воспроизведения освещения трехмерных сцен на экране ЭВМ. Модель реализована в виде отдельной программы и дополняет существующие программы визуализации. Проведена оценка точности и границ применимости модели. На основе предложенного алгоритма получен новый метод сжатия изображений и внесено предложение по дополнению существующих ГОСТов и СНиПов.

1. Bibliographies on Computer Graphics and Vision // URL: wheat.uwateloo.ca/bibliography/Graphics/index.html

2. Meyer G.W., Rushmeier H.E., Cohen M.F., Greenberg D.P., Torrance K.E. An experimental evaluation of computer graphics imagery / /ACM Trans, on Graphics, 1986. V.5, N1. P.30-50.

3. Bouville C, Bouatouch K., Tellier P., Pueyo X. A theoretical analysis of global illumination models. //In: Realism and Physics in Computer Graphics, Proc. Eurographics Workshop on P h o t o s i m u l a t i o n , Rennes, France, June 1990. P.53-66

4. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики // М. : Мир, 1 9 8 9.- 512С.

5. Международный светотехнический словарь. Издание третье //М.: Русская мысль, 1979. 280С.

6. Рубцов Н.А. Теплообмен излучением в сплошных средах //Новосибирск: Наука, 1984. 278С.

7. Kajiya J. Т. The rendering equation// Computer Graphics

8. SIGGRAPH '86 Proceedings), 1 9 8 6. V.20, N4. -P.1 4 3 1 5 0.

9. Moon P. On I nterreflecti ons // JOSA, 1 9 4 0. V.30, N2. -P.195-205

10. Woo A., Poulin P, , Fournier A. A survey of shadow algorithms // IEEE Computer Graphics and Applications, 1990. V.IO, N6. P.13-3.

11. Heckbert P.S. Introduction to global illumination// Global Illumination Course (SIGGRAPH '9 2), 1 9 92ll.Sillion F.X., Puech C. Radiosity and Global Illumination Morgan Kaufman Publisher, inc. 1 9 9 4. San Francisco, California

12. Будак В.П. Компьютерная графика светотехнический проект на компьютере //Светотехника, 1999. N1. - С.22-25.

13. Соболев В.В. Точечный источник света между параллельными плоскостями // ДАН СССР, 1944. Т. 2, №4. -С.17 6-177.14.0ЦИСИК М.Н. Сложный теплообмен // М. : Мир, 1 9 7 6. 616С.

14. Фок В. А. Освещенность от поверхностей произвольной формы // Труды ГОИ, 1924. В.28. С.1-11.

15. Goldstein R.A. , Nagel R. 3D Visual simulation // Simulation, 1971. V.16. P.25-31.

16. Campbell A.Т., Fussell D.S. Adaptive mesh generation for global diffuse illumination// Computer Graphics

17. SIGGRAPH '90 Proceedings), 1 9 90. V2 4 , N4. P.1 5 5 - 1 6 4.

18. Heckbert P.S. Simulating Global Illumination Using Adaptive Meshing. Diss. PhD. University of California, 1991

19. Hoowell J.R., Monte Carlo solution of thermal transfer through radiant media between gray walls // J. Heat Transfer, 1964. V.C86. P.116-122.

20. Cook R., Porter Т., Carpenter L. Distributed ray tracing. Computer Graphics, 18(4), 1984. ACM Siggraph'84 Conference Proceedings.

21. Shirley P., Wang C. Distribution Ray Tracing: Theory and Practice. Indiana University.

22. Соболь И.М. Метод Монте-Карло. М., Наука, 1972.

23. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике / Под ред Марчука Г.И. Новосибирск: Наука, 1976.

24. Sutherland I., Sproull R., Schumacker R. A Characterization of ten hidden-surface algorithms. Computing Surveys. 6 ( 1 ) : 1, Mar. 1 9 7 4 .

25. Crow F. Shadow algorithms for computer graphics. Computer Graphics (SIGGRAPH '77 Proceedings), 11(2), 1977

26. Atherton P., Weiler K, Greenberg D. Polygon shadow generation. Computer Graphics (SIGGRAPH '78 Proceedings), 12 (3) :275-281, 1978

27. Nishita Т., Nakamae E. Half-tone representation of 3-D objects illuminated by area sources or polyhedron sources. // COMPSA С '83, Proc. IEEE 7th Intl. Сотр. Soft, and Applications Conf., pages 237-242, 1983

28. Williams L. Casting curved shadows on curved surfaces. Computer Graphics (SIGGRAPH '78 Proceedings) , 12 (3) :270-274, 1978.

29. Нюберг Н.Д. Теоретические основы цветной репродукции. М.: Советская наука, 1948.

30. Мешков В.В., Матвеев А.Б. Основы светотехники, ч. 2 Физиологическая оптика и колориметрия. //М.: Энергоатомиздат, 1989.

31. Гуревич М.М. Цвет и его измерение. М.-Л.: АН СССР, 1 9 5 0.

32. Юстова E.H. Определение координатных осей основной физиологической системы из опытов с цветнослепыми //ДАН СССР, 19 4 8. Т.63.№4

33. Мае Adam D.L. Projective transformations of I.C.I, color specifications //JOSA. 1 9 37. Vol. 27.

34. Wright W . The sensitivity of the eye to small colour differences / / P r o c . Phys. Soc. London. 1941. Vol. 53.

35. Helmholtz H. Handbuch der physiologischen Optik. Bd.3. Leipzig: Voss. 1911.

36. Шкловер Д.А. Моделирование процесса цветового зрения у человека // Физиол. зрения в нормальных и экстремальных условиях // Проблемы физиолог. оптики. М.-Л. : Наука 19 6 9. Т 15.

37. Cube-root color coordinate system // L.G. Glasser, A.H, Mc.Kinney, CD. Reilley, P.D. Schnelle // JOSA. 1958. Vol. 48 .

38. Wright H. Precision of color differences derived from a multidimension scaling experiment // JOSA. 1965. V.55 N12

39. Измайлов Ч.А. Сферическая модель цветоразличения . М. МГУ, 19 8 0.

40. Матвеев А.Б., Беляева Н.М. Новая равноконтрастная система // Светотехника. 1965 №9

41. Матвеев А. Б. Теоретические и экспериментальные исследования метрики светоцветовой среды в светотехнике // Автореф. док. дис. М. 1983.

42. Нюберг Н.Д. Определение положения в цветовом треугольнике основного синего цвета // ДАН СССР. 1949. Т.XV.№2.

43. Ward G. А Contrast-Based Scalefactor for Luminance Display // Graphics Gems IV, 1994.

44. Blackwell H. Contrast thresholds of human eye // JOSA. 1946. Vol . 36. №10.

45. Stevens S.S., Stevens J.S. Brightness function: effect of adaptation// JOSA 1963 Vol.53. №3.

46. Moon P., Spenser D. The visual effects of non-uniform surrounds // JOSA, 1 9 4 5. V.35, N3. P.2 3 3 - 2 4 8

47. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. М. : Мир, 1 9 7 8.51. van Nés F., Bouman M.A. Spatial Modulation Transfer in the Human Eye // JOSA, 1 9 67 , V.57, p.4 0 1 -4 0 6.

48. Ллойд Дж, Системы тепловидения. M.: Мир, 1978. 416С.

49. Матвеев А.В., Тохадзе И.Л., Ундасынов Г.Н, Критерий подобия при воспроизведении яркостных соотношений. // Светотехника, 1968. №11. С.5-8.

50. Матвеев А.Б. О взаимодействии творческих и технических проблем в архитектурной светотехнике. // Светотехника, 1975. №6. С.8-9.55 . Макаревич В. Г. Светотехника и светоискусство. // Светотехника, 1974. №10. С.15-17.

51. Матвеев А.Б. Способы моделирования осветительных установок. // Светотехника, 1971. №10. С.1-3

52. Котик Г.Г., Матвеев А.Б., Ундасынов Г.Н. Моделирование освещения при проектировании осветительных установок. // Светотехника, 1976. №10. С.24-27.

53. Ferwerda J.А. Fundamentals of Spatial Vision // Program of Computer Graphics, Cornell University, 1996

54. Blakemore C, Campbell F.W. On the existence of neurones in the human visual system selectively sensitive to the orientation and size of retinal images. J. Physiol. 1969, 203, 237-260.

55. Visual Processing and Digital Display, V.' 1 07 7 , p. 7382. Proc . of SPIE, 1 9 8 9 .

56. Ferwerda J., Pattanaik S., Shirley P., Greenberg D. A Model of Visual Adaptation for Realistic Image Synthesis // Program of Computer Graphics, Cornell University, ACM SIGGRAPH 1996.

57. Ferwerda J., Pattanaik S., Shirley P., Greenberg D. A Model of Visual Masking for Computer Graphics. // Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH 19 97.

58. Ramasubramanian M., Pattanaik S., Greenberg D. A Perceptually Based Physical Error Metric for Realistic Image Synthesis // Program of Computer Graphics, Cornell University, ACM SIGGRAPH 19 99.

59. Kopylov E., Khodulev A., Volevich V. The comparision of illumination maps technique in computer graphics software // Proc. Conf. GraphiCon'98, Russia, Moscow, 7-11 September. P.146-153.

60. Standard TCO of The Swedish Confederation of Professional Employees // URL: http /monitors.narod.ru /VDT TCO . htm

61. Снетков В.Ю. Разработка принципов дискретизации яркости и обоснование светотехнических параметров для матричныхтелевизионных экранов / Дисс, на соискание степени к.т.н. М.: МЭИ, 1983.

62. Мешков В.В., Епанешников М.М. Осветительные установки. М. : Энергия, 1972.

63. Топорец A.C. Оптика шероховатой поверхности. Л.: Машиностроение, 198 8.

64. Соснова Т.Л., Фрид Ю.В., Соколова Е.Г., Лосева Е.И. Цветовое оформление на железнодорожном транспорте, М. : Транспорт, 1984.

65. Петровичев A.B. Разработка алгоритмов расчета временной структуры световых импульсов дистанционного зондирования мутных сред / Магистер. дис. М. : МЭИ1. ТУ) , 1 9 9 8.

66. Будак В.П., Петровичев A.B. Временные характеристики светового импульса точечного мононаправленного источника в толще мутной среды // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тезисы 5 международной конференции. Т1. Москва, 1999г. с.184.

67. Будак В.П., Петровичев A.B. Принципы моделирования реалистического изображения на экране ЭВМ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тезисы 5 международной конференции. Т1. Москва, 1999г. с.183.

68. Petrovitchev A, Computer Graphics In Lighting Engineering // LUX Junior. Ilmenau, 1 9 9 9 , p.148

69. Петровичев A.B. Будак В. П. Принципы глобального освещения // IV Международная светотехническая конференция: "Светотехника на рубеже веков: достижения и перспективы". Тезисы докладов. Вологда, 2000г. с . 8 4 -85.

70. Петровичев A.B. Светотехническое моделирование изображений освещения трехмерных сцен на экране ЭВМ // Тезисы науч-тех. семинара "Молодые светотехники России". Москва, 2001г.

71. Рис.1.1 Визуализация трехмерных сцена(г;1,1')

72. Рис.1.2 Фотометрические характеристики грани.

73. Рис.1.3 Геометрия схемы наблюдения трехмерной сцены

74. Рис.1.4 Адаптивная сеть граней.1. Источник \ ""•"■,.р(г;1,Г)ч