В оптике, каустик или каустическая сеть - это огибающая световых лучей , отраженных или преломленных изогнутой поверхностью или объектом., или проекция этой оболочки лучей на другую поверхность. Каустика представляет собой кривую , или поверхность, к которой каждый из световых лучей является касательной, определяя границу огибающей лучей как кривую концентрированного света. Поэтому на фото сбоку каустики можно увидеть в виде бликов или их ярких краев. Эти формы часто имеют особенности выступа.
Нефроид едкий осадок на дне чашки чая Едкие вещества, создаваемые поверхностью водыКонцентрация света, особенно солнечный свет, может вызвать ожог. Слово каустик, на самом деле, происходит от греческого καυστ, сожженный, через латинское causticus, горящий. Обычная ситуация, когда едкие вещества видны, - это когда свет падает на стакан. Стекло отбрасывает тень, но также дает изогнутую область яркого света. В идеальных условиях (включая идеально параллельные лучи, как если бы они исходили от точечного источника на бесконечности), можно получить пятно света в форме нефроида. Колеблющиеся каустики обычно образуются, когда свет сквозь волны попадает на водоем.
Другой знакомый каустик - радуга. Рассеяние света каплями дождя вызывает преломление длин волн света в дуги разного радиуса, создавая дугу.
В компьютерной графике большинство современных систем рендеринга поддерживают каустику. Некоторые из них даже поддерживают объемную каустику. Это достигается посредством трассировки лучей возможных путей светового луча с учетом преломления и отражения. Отображение фотонов является одной из реализаций этого. Объемная каустика также может быть получена с помощью объемной трассировки пути. Некоторые компьютерные графические системы работают по принципу «прямой трассировки лучей», при которой фотоны моделируются как исходящие от источника света и отражающиеся вокруг окружающей среды в соответствии с правилами. Каустики образуются в областях, где достаточное количество фотонов падает на поверхность, что делает ее ярче, чем средняя область сцены. «Обратная трассировка лучей» работает в обратном порядке, начиная с поверхности и определяя, есть ли прямой путь к источнику света. Некоторые примеры каустики с трассировкой 3D-лучей можно найти здесь.
В центре внимания большинства компьютерных графических систем находится эстетика, а не физическая точность. Это особенно верно, когда речь идет о графике в реальном времени в компьютерных играх, где в основном используются стандартные предварительно рассчитанные текстуры вместо физически правильных вычислений.
Каустическая инженерия описывает процесс решения обратной задачи - компьютерной графики. То есть, учитывая конкретное изображение, определить поверхность, преломленный или отраженный свет которой образует это изображение.
В дискретной версии этой задачи поверхность делится на несколько микроповерхностей, которые считаются гладкими, то есть свет, отраженный / преломленный каждой микроповерхностью, образует гауссову каустику. Гауссова каустика означает, что каждая микроповерхность подчиняется гауссовскому распределению. Затем положение и ориентация каждой из микроповерхностей получают с использованием комбинации интегрирования Пуассона, и моделирования отжига..
Было много разных подходов для решения непрерывной проблемы. Один подход использует идею из теории транспортировки, называемую оптимальным переносом, чтобы найти отображение между входящими световыми лучами и поверхностью цели. После получения такого отображения поверхность оптимизируется путем итеративной адаптации с использованием закона Снеллиуса преломления.
Управление каустическим рисунком - довольно сложная проблема, поскольку очень незначительные изменения поверхности значительно повлияют на качество узора, так как направления световых лучей могут быть нарушены другими световыми лучами, поскольку они пересекаются с материалом и преломляются через него. Это приведет к рассеянному, прерывистому рисунку. Для решения этой проблемы одним из существующих предложенных методов управления каустической структурой является метод оптимального переноса путем перенаправления направлений света при его распространении через поверхность определенного прозрачного материала. Это делается путем решения обратной задачи оптимизации на основе оптимального транспорта. Учитывая эталонное изображение объекта / рисунка, цель состоит в том, чтобы сформулировать математическое описание поверхности материала, через которую свет преломляется и сходится к аналогичному рисунку эталонного изображения. Это делается путем перестановки / пересчета исходной интенсивности света до тех пор, пока не будет достигнут минимум задачи оптимизации.
Здесь, учитывая только преломляющую каустику, цель может быть определена следующим образом (аналогичный принцип для отражающей каустики с другим выходом):
Вход: изображение шаблона для быть полученным после распространения света через материал с учетом положения источника света.
Вывод: геометрия каустики на приемнике (плоская твердая поверхность, например: пол, стена и т. Д.)
Для достижения целевого шаблона поверхность, на которой свет преломляется и выходы во внешнюю среду должны иметь определенную форму для достижения желаемого рисунка на другой стороне материала.
Как упоминалось, для входного изображения этот процесс будет производить такой же каустический узор, что и на выходе. В принципе, есть два основных этапа, каждый из которых включает два подэтапа:
В зависимости от случая рефракции сквозь прозрачную поверхность, например, узоры, появляющиеся под чистой водой, можно наблюдать 3 основных явления:
Для выполнения вычислений вводятся следующие 3 величины, соответственно, для описания геометрических характеристик узора: сингулярность точки (измерение силы света при в.п. с высокой концентрацией световой точки), сингулярность кривой (измерение силы света на / вокруг кривой блеска) и мера освещенности (измерение интенсивности в определенной плохо сконцентрированной области света). Собирая их вместе, следующая функция определяет общую меру лучистого потока на определенном участке Ω на целевой поверхности:
После этого шага существуют две существующие меры измерения лучистого потока источника (равномерное распределение, путем инициализации) и целевой (вычислено на предыдущем шаге). Остается вычислить сопоставление от источника к цели. Для этого необходимо определить несколько величин. Во-первых, две интенсивности света, оцениваемые по вероятностям: (интенсивность света оценивается путем деления на поток объединенной области между и ), (интенсивность света оценивается путем деления на поток области объединения между и ) определены. Во-вторых, исходная сетка создается как несколько сайтов , который в дальнейшем деформируется. Затем диаграмма мощности (набор силовые ячейки) определяется на этом наборе сайтов , взвешенных вектором весов . Наконец, цель состоит в том, чтобы решить, будут ли перемещаться элементы питания. Рассматривая все вершины на поверхности, находим минимизатор следующих выпуклая функция создаст согласованную диаграмму мощности для цели:
После решения оптимальной транспортной задачи вершины достигаются. Однако это не дает информации о том, как должна выглядеть окончательная поверхность. Чтобы достичь желаемой поверхности цели, учитывая входящий световой луч , исходящий световой луч и диаграмма мощности из шага выше, представление нормалей поверхности может быть вычислено в соответствии с законом Снеллиуса как:
где,
После получения нормального представления уточнение поверхности достигается минимизацией следующих составная функция энергии :
где,
Инверсная графика - это метод наблюдения данных с изображения и вывода всех возможных свойств, включая трехмерную геометрию, освещение, материалы и движение, таким образом создавая реалистичное изображение. В обычной компьютерной графике для визуализации изображения с желаемым внешним видом и эффектами ему придаются все свойства / характеристики. Это можно рассматривать как прямой процесс. Напротив, в каустике конструкции, свойства и характеристики объектов (особенно поверхности материала) нетривиальны. Данное ограничение является целевым изображением, которое нужно получить. Следовательно, цель состоит в том, чтобы получить свойства и характеристики путем наблюдения и i Передача целевого изображения. Это можно рассматривать как обратный / обратный процесс.
Ниже приводится основная функция потерь , объясняющая, как оптимизировать параметры:
где,
Сначала создается целевой шаблон и вычисляется прямой проход для получения синтетического шаблона. Его сравнивают с целевым шаблоном и получают убыток. Возражение состоит в том, чтобы синтетический паттерн был максимально похож на целевой паттерн. А затем выполните обратное распространение, чтобы получить оптимизированные свойства, необходимые для использования при производстве каустика.
Может быть больше элементов для пример альбедо и коэффициент преломления.
Введите U в качестве промежуточной переменной, указывающей положения координат 2D проекции вершин. Градиент этих свойств может быть получен с помощью цепного правила косвенно.
После применения стохастического градиентного спуска оптимальные , и может быть достигнуто. Впоследствии эти количества используются для вырезания или фрезерования материала для создания целевого рисунка.
Одним из распространенных подходов является использование возможности выполнять дифференциальные операции в различных структурах / библиотеках глубокого обучения авто-дифференциации, таких как: Tensorflow, PyTorch, Theano.
Еще один подход - использовать структуру OpenDR для построения прямой графической модели и автоматического получения производных по параметрам модели для оптимизации. По мере получения свойств оптимизации можно сгенерировать целевое изображение. OpenDR предоставляет метод локальной оптимизации, который можно включить в структуры вероятностного программирования. Это может быть использовано для решения проблемы каустика.
После того, как каустическая структура была разработана с помощью вычислений, обработанные данные будут отправлены на этап производства для получения конечного продукта. Наиболее распространенный подход - субтрактивное производство (обработка ).
Можно использовать различные материалы в зависимости от желаемого качества, усилий, необходимых для производства, и доступного метода производства.
Дизайн каустического рисунка имеет множество реальных применений, например: