Световое поле

редактировать

Световое поле представляет собой векторную функцию , которая описывает количество свет течет во всех направлениях через каждую точку пространства. Пространство всех возможных световых лучей задается пятимерной пленоптической функцией, а величина каждого луча определяется яркостью. Майкл Фарадей был первым, кто предложил (в лекции 1846, озаглавленной «Мысли о лучевых вибрациях»), что свет следует интерпретировать как поле, во многом подобное магнитным полям, на которые он воздействовал. работаю несколько лет. Фраза «световое поле» была придумана Андреем Гершуном в классической работе о радиометрических свойствах света в трехмерном пространстве (1936 г.).

Содержание
  • 1 Пленоптическая функция 5D
    • 1.1 Более высокая размерность
  • 2 Световое поле 4D
    • 2.1 Звуковой аналог
  • 3 Способы создания световых полей
  • 4 Приложения
  • 5 См. Также
  • 6 Примечания
  • 7 Ссылки
    • 7.1 Теория
    • 7.2 Анализ
    • 7.3 Камеры светового поля
    • 7.4 Дисплеи светового поля
    • 7.5 Архивы светового поля
    • 7.6 Приложения
Пленоптическая функция 5D
Сияние L вдоль луча можно представить как количество света, проходящего вдоль всех возможных прямых линий через трубку, размер которой определяется ее телесным углом и площадью поперечного сечения.

Если концепция ограничена геометрической оптикой - т.е. некогерентным светом и объектами, размер которых превышает длину волны света - тогда основным носителем света является луч. Мерой количества света, проходящего вдоль луча, является яркость, обозначается L и измеряется в ваттах (Вт) на стерадиан (ср) на квадратный метр. (м). Стерадиан - это мера телесного угла, а квадратные метры используются здесь как мера площади поперечного сечения, как показано справа.

Параметризация луча в 3D пространстве по положению (x, y, z) и направлению (θ, ϕ).

Яркость вдоль всех таких лучей в освещенной области трехмерного пространства неизменное расположение огней называется пленоптической функцией (Adelson 1991). Функция пленоптического освещения - это идеализированная функция, используемая в компьютерном зрении и компьютерной графике для выражения изображения сцены из любого возможного положения просмотра под любым углом обзора в любой момент времени. На практике он никогда не используется в вычислительных целях, но концептуально полезен для понимания других концепций в области видения и графики (Wong 2002). Поскольку лучи в пространстве могут быть параметризованы тремя координатами x, y и z и двумя углами θ и ϕ, как показано слева, это пятимерная функция, то есть функция над пятимерным многообразие эквивалентно произведению трехмерного евклидова пространства и 2-сферы.

Суммирование векторов освещенности D1и D2, возникающих от двух источников света I 1 и I 2 создают результирующий вектор D, имеющий указанную величину и направление (Гершун, рис. 17).

Подобно Адельсону, Гершун определил световое поле в каждой точке в космосе как функция 5D. Однако он рассматривал это как бесконечный набор векторов, по одному в каждом направлении, падающих на точку, с длиной, пропорциональной их яркости.

Интегрирование этих векторов по любому набору источников света или по всей сфере направлений дает одно скалярное значение - общую освещенность в этой точке и результирующее направление. На рисунке справа, воспроизведенном из статьи Гершуна, показан этот расчет для случая двух источников света. В компьютерной графике эта векторная функция от трехмерного пространства называется векторным полем освещенности (Arvo, 1994). Направление вектора в каждой точке поля можно интерпретировать как ориентацию, с которой можно было бы смотреть на плоскую поверхность, помещенную в этой точке, чтобы наиболее ярко ее осветить.

Более высокая размерность

Можно рассматривать время, длину волны и угол поляризации как дополнительные переменные, давая многомерные функции.

Световое поле 4D
Сияние вдоль луча остается постоянным, если нет блокираторов.

В пленоптической функции, если интересующая область содержит вогнутый объект (подумайте руки в форме чаши), то свет, выходящий из одной точки на объекте, может пройти лишь небольшое расстояние, прежде чем будет заблокирован другой точкой на объекте. Никакое практическое устройство не могло бы измерить функцию в такой области.

Однако, если мы ограничимся местоположениями за пределами выпуклой оболочки (представьте себе термоусадочную пленку) объекта, то есть в свободном пространстве, тогда мы сможем измерить пленоптическую функцию, сделав много фотографий с помощью цифровой камеры. Более того, в этом случае функция содержит избыточную информацию, потому что яркость вдоль луча остается постоянной от точки к точке по его длине, как показано слева. Фактически, избыточная информация представляет собой ровно одно измерение, оставляя нам четырехмерную функцию (то есть функцию точек в конкретном четырехмерном многообразии ). Парри Мун назвал эту функцию фотическим полем (1981), в то время как исследователи компьютерной графики называют ее четырехмерным световым полем (Levoy 1996) или Lumigraph (Gortler 1996). Формально 4D световое поле определяется как сияние вдоль лучей в пустом пространстве.

Набор лучей в световом поле можно параметризовать различными способами, некоторые из которых показаны ниже. Из них наиболее распространенной является параметризация в двух плоскостях, показанная справа (ниже). Хотя эта параметризация не может представлять все лучи, например лучи, параллельные двум плоскостям, если плоскости параллельны друг другу, она имеет то преимущество, что она тесно связана с аналитической геометрией перспективного изображения. В самом деле, простой способ представить себе двухплоскостное световое поле - это набор перспективных изображений 1-й плоскости (и любых объектов, которые могут находиться верхом или за ее пределами), каждое из которых снято с позиции наблюдателя на УФ-плоскости. Параметризованное таким образом световое поле иногда называют световой плитой.

Некоторые альтернативные параметризации четырехмерного светового поля, которое представляет поток света через пустую область трехмерного пространства. Слева: точки на плоскости или криволинейной поверхности и направления, выходящие из каждой точки. Центр: пары точек на поверхности сферы. Справа: пары точек на двух плоскостях в общем (что означает любое) положение.

Звуковой аналог

Аналогом 4D светового поля для звука является звуковое поле или волновое поле, как в wave синтез поля, и соответствующей параметризацией является интеграл Кирхгофа-Гельмгольца, который утверждает, что при отсутствии препятствий звуковое поле во времени определяется давлением на плоскость. Таким образом, это два измерения информации в любой момент времени, а с течением времени - трехмерное поле.

Эта двумерность, по сравнению с кажущейся четырехмерностью света, объясняется тем, что свет распространяется лучами (0D в момент времени, 1D во времени), в то время как принцип Гюйгенса – Френеля, звуковой волновой фронт можно смоделировать как сферические волны (2D в определенный момент времени, 3D во времени): свет движется в одном направлении (2D информации), а звук просто расширяется в каждом направление. Однако свет, движущийся в непустой среде, может рассеиваться аналогичным образом, и необратимость или потеря информации при рассеянии заметна в очевидной потере размерности системы.

Способы создания световых полей

Световые поля - фундаментальное представление света. Таким образом, существует столько же способов создания световых полей, сколько компьютерных программ, способных создавать изображения, или инструментов, способных их фиксировать.

В компьютерной графике световые поля обычно создаются либо посредством рендеринга 3D-модели, или путем фотографирования реальной сцены. В любом случае, чтобы получить световое поле, необходимо получить виды для большого набора точек обзора. В зависимости от используемой параметризации эта совокупность обычно будет охватывать некоторую часть линии, круга, плоскости, сферы или другой формы, хотя также возможны неструктурированные совокупности точек обзора (Buehler 2001).

Устройства для фотографирования световых полей могут включать в себя движущуюся ручную камеру или камеру с роботизированным управлением (Levoy 2002), дугу камер (как в bullet time эффект, используемый в Матрице ), плотном массиве камер (Kanade 1998; Yang 2002; Wilburn 2005), портативных камерах (Ng 2005; Георгиев 2006; Marwah 2013), микроскопы (Levoy 2006) или другая оптическая система (Bolles 1987).

Сколько изображений должно быть в светлом поле? Самое большое известное световое поле (статуи Ночи Микеланджело ) содержит 24000 изображений с разрешением 1,3 мегапикселя. На более глубоком уровне ответ зависит от приложения. Для рендеринга светового поля (см. Раздел «Приложение» ниже), если вы хотите полностью обойти непрозрачный объект, то, конечно, вам нужно сфотографировать его обратную сторону. Менее очевидно то, что если вы хотите подойти близко к объекту, а объект лежит верхом на плоскости st, тогда вам понадобятся изображения, снятые в точных позициях на плоскости uv (в параметризации с двумя плоскостями, показанной выше), которая теперь находится позади вы, и эти изображения должны иметь высокое пространственное разрешение.

Количество и расположение изображений в световом поле, а также разрешение каждого изображения вместе называются «выборкой» 4D светового поля. Многие исследователи проводили анализ выборки светового поля; хорошая отправная точка - Чай (2000). Также интересны Дюран (2005) для эффектов окклюзии, Рамамурти (2006) для эффектов освещения и отражения и Нг (2005) и Цвикер (2006) для приложений к пленоптическим камерам. и 3D-изображения соответственно.

Приложения

Вычислительная визуализация относится к любому методу формирования изображения, в котором задействован цифровой компьютер. Многие из этих методов работают на видимых длинах волн, и многие из них создают световые поля. В результате перечисление всех применений световых полей потребует обзора всех применений вычислительной визуализации в искусстве, науке, технике и медицине. В компьютерной графике есть некоторые избранные приложения:

Направленный вниз источник света (F-F ') создает световое поле, векторы освещенности которого изгибаются наружу. Используя вычисления, Гершун мог вычислить энергетическую освещенность, падающую на точки (P 1, P 2) на поверхности. (Гершун, рис. 24)
  • Техника освещения: Причина, по которой Гершун изучал световое поле, заключалась в том, чтобы получить (в закрытой форме, если возможно) образцы освещения, которые будут наблюдаться на поверхностях из-за источников света различной формы, расположенных выше эти поверхности. Пример показан справа. Более современное исследование - (Ashdown 1993).
Раздел оптики, посвященный светотехнике, - это оптика без изображений (Chaves 2015; Winston 2005). Он широко использует концепцию потоковых линий (линии потока Гершуна) и векторного потока (световой вектор Гершуна). Однако световое поле (в данном случае положения и направления, определяющие световые лучи) обычно описывается в терминах фазового пространства и гамильтоновой оптики.
  • Рендеринг светового поля: путем извлечения соответствующие 2D-срезы из 4-мерного светового поля сцены, можно получить новые виды сцены (Levoy 1996; Gortler 1996). В зависимости от параметризации светового поля и срезов, эти виды могут быть перспективными, ортогональными, перекрещенными (Zomet 2003), обычными линейными камерами (Yu and McMillan 2004), мульти -перспектива (Радемахер, 1998) или другой тип проекции. Рендеринг светового поля - это одна из форм рендеринга на основе изображения.
  • Синтетическая апертура фотография: Интегрируя соответствующее 4D подмножество образцов в световое поле, можно приблизительно оценить вид, который будет захвачен камерой, имеющей конечную апертуру (т. е. без отверстий). Такой вид имеет конечную глубину резкости. Срезая или деформируя световое поле перед выполнением этой интеграции, можно сфокусироваться на различных фронтально-параллельных (Isaksen 2000) или наклонных (Vaish 2005) плоскостях сцены. Если бы цифровая камера была способна захватить световое поле (Ng 2005), ее фотографии можно было бы перефокусировать после того, как они были сделаны.
  • 3D-дисплей: Представляя световое поле с использованием технологии, которая сопоставляет каждую выборку с соответствующим лучом в физическом пространстве, получается автостереоскопический визуальный эффект, подобный просмотру исходной сцены. Нецифровые технологии для этого включают интегральную фотографию, параллакс-панорамы и голографию ; Цифровые технологии включают размещение массива линз на экране дисплея с высоким разрешением или проецирование изображений на массив линз с использованием массива видеопроекторов. Если последний комбинировать с массивом видеокамер, можно захватывать и отображать изменяющееся во времени световое поле. По сути, это система 3D-телевидения (Javidi 2002; Matusik 2004).
  • Визуализация мозга: Нейронная активность может быть записана оптически путем генетического кодирования нейронов с помощью обратимых флуоресцентных маркеров, например GCaMP, которые указывают на присутствие ионов кальция в реальном времени. Поскольку микроскопия светового поля фиксирует полный объем информации в одном кадре, можно отслеживать нейронную активность во многих отдельных нейронах, случайно распределенных в большом объеме, с частотой кадров видео (Grosenick, 2009, 2017; Perez, 2015). Количественное измерение нейронной активности может быть выполнено даже несмотря на оптические аберрации в ткани мозга и без восстановления объемного изображения (Pegard, 2016), и может быть использовано для мониторинга активности тысяч нейронов у здорового млекопитающего (Grosenick, 2017).

Генерация изображений и предварительное искажение синтетических изображений для голографических стереограмм - один из самых ранних примеров вычисленных световых полей, предвосхищающих и позднее мотивирующих геометрию, используемую в работах Левоя и Ханрахана (Halle 1991, 1994).

Современные подходы к отображению светового поля исследуют совместную конструкцию оптических элементов и сжатые вычисления для достижения более высоких разрешений, увеличения контрастности, более широких полей зрения и других преимуществ (Wetzstein 2012, 2011; Lanman 2011, 2010).

  • Уменьшение бликов: Блики возникают из-за многократного рассеяния света внутри корпуса камеры и оптики объектива и снижают контраст изображения. Хотя блики были проанализированы в пространстве двухмерных изображений (Talvala 2007), полезно идентифицировать их как явление четырехмерного пространства лучей (Raskar 2008). Статистически анализируя пространство лучей внутри камеры, можно классифицировать и удалить артефакты бликов. В пространстве лучей блики ведут себя как высокочастотный шум и могут быть уменьшены путем подавления выбросов. Такой анализ может быть выполнен путем захвата светового поля внутри камеры, но это приводит к потере пространственного разрешения. Равномерная и неоднородная выборка лучей может быть использована для уменьшения бликов без значительного снижения разрешения изображения (Raskar 2008).
См. Также
Примечания
Ссылки

Theory

Анализ

Камеры светового поля

Световое поле отображает

Архивы светового поля

Приложения

объемах больших тканей в мозге млекопитающих»] bioRxiv 132688; doi: https://doi.org/10.1101/132688.

  • Heide, F., Wetzstein, G., Raskar, R., Heidrich, W. (2013)

184026 / http : //adaptiveimagesynthesis.com/ «Адаптивный синтез изображений для сжатых дисплеев»], Транзакции ACM для графики (SIGGRAPH)

  • Леон, К., Гальвис, Л., и Аргуэлло, Х. (2016). «Реконструкция мультиспектрального светового поля (5-мерная пленоптическая функция) на основе компрессионного зондирования с цветными кодированными апертурами из 2D-проекций» Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia 80, стр. 131.
Последняя правка сделана 2021-05-27 09:19:08
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте