← Zpět na přehled PG2 / 01 Úvod

Úvod do vzhledu materiálů

ANI-PG2 · přednáška 01

Od skutečného materiálu k digitálnímu modelu

Motivace, základní reprezentace vzhledu a jejich omezení. Odborné pojmy a jazyk zdrojových snímků zůstávají zachované.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 1
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 1
Původní snímek · 1
Původní snímek 1: Úvod do vzhledu materiálů

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 1

Motivation

Material appearance is part of how we understand the world.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 2
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 2
Původní snímek · 2
Původní snímek 2: Motivation

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 2

Accurate appearance: measurement and visualization

  • Visual scene analysis, scene segmentation and image retrieval.
  • Movie and game industry; cultural heritage digitization and interior design.
  • Visual safety simulation, visual psychophysics and medical image analysis.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 3
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 3
Původní snímek · 3
Původní snímek 3: Accurate appearance: measurement and visualization

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 3

Digital twin of a real-world material

  • Geometry describes the shape.
  • Lighting determines the incident illumination.
  • Material appearance determines the light–material interaction.

GRAFIT · kontrolní otázka

Může změna osvětlení změnit obraz stejného materiálu, i když geometrie zůstává stejná?

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 4
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 4
Původní snímek · 4
Původní snímek 4: Digital twin of a real-world material

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 4

General reflectance function

The general model connects incoming and outgoing positions and directions, time and wavelength.

Source notation includes a 16-dimensional general reflectance function. The complete equation and its diagram remain in the source illustration.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 5
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 5
Původní snímek · 5
Původní snímek 5: General reflectance function

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 5

General model of light–material interaction

  • BSSRDF: scattering may involve different entry and exit positions.
  • BTF: directional appearance of a textured material.
  • BRDF: directional reflection for a local opaque surface model.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 6
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 6
Původní snímek · 6
Původní snímek 6: General model of light–material interaction

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 6

Taxonomy of appearance representations

  • Texture and multispectral/dynamic texture.
  • Isotropic BRDF, BRDF, BTDF and BSDF for homogeneous materials.
  • Spatially varying BRDF, BTF, surface light field and surface reflectance field.
  • Reflectance fields / BSSRDF.

Rozměry ve zdroji

Počty proměnných závisí na konkrétní parametrizaci. Diagram zachovává autorskou taxonomii včetně spektrální a časové závislosti.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 7
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 7
Původní snímek · 7
Původní snímek 7: Taxonomy of appearance representations

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 7

Textured material representation · 1/2

  • BSSRDF: 9D in the source convention.
  • BTF / SVBRDF: 7D in the source convention.
  • BRTTF: 9D in the source convention.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 8
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 8
Původní snímek · 8
Původní snímek 8: Textured material representation · 1/2

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 8

Textured material representation · 2/2

  • SRF and SLF: 5D in the source convention.
  • Multispectral / dynamic texture: 3/4D in the source convention.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 9
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 9
Původní snímek · 9
Původní snímek 9: Textured material representation · 2/2

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 9

Homogeneous material representations

  • BSDF: 7D; anisotropic BTDF: 5D.
  • Anisotropic BRDF: 5D; isotropic BRDF: 4D.

Parametrizace

Zdrojové rozměry zahrnují další proměnné podle autorských diagramů; neztotožňuj je automaticky s počtem čistě úhlových parametrů.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 10
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 10
Původní snímek · 10
Původní snímek 10: Homogeneous material representations

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 10

Examples of material representations

Compare BRDF, BSDF, BTF, BTDF and BSSRDF through the author’s examples.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 11
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 11
Původní snímek · 11
Původní snímek 11: Examples of material representations

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 11

Appearance rendering

Total outgoing radiance consists of emitted and reflected radiance:

Lo(x, ωo) = Le(x, ωo) + Lr(x, ωo)

Lr(x, ωo) = ∫Ω⁺ fr(x, ωi, ωo) Li(x, ωi) (n · ωi) dωi

Surface reflectance × incident illumination × projected area, integrated over incoming directions.

GRAFIT · značení

Standardní HTML zápis používá fᵣ pro BRDF. Zdroj používá BRDF a své značení; původní rovnice je v poznámkách a ilustraci.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 12
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 12
Původní snímek · 12
Původní snímek 12: Appearance rendering

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 12

Material visualization

  • Global illumination: ray tracing approaches.
  • Approximation by a set of point lights.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 13
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 13
Původní snímek · 13
Původní snímek 13: Material visualization

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 13

Radiometry

  • Irradiance E = dΦ / dA, in W m⁻².
  • Radiance L = d²Φ / (dA cos θ dω), in W m⁻² sr⁻¹.
  • BRDF fᵣ = dLₒ / dEᵢ, in sr⁻¹.
  • Directional albedo integrates reflected energy over outgoing directions.
  • Mean albedo averages directional albedo over incident directions.

GRAFIT · pomůcka

Irradiance popisuje osvětlení plochy; radiance navíc rozlišuje směr. Jednotky jsou vysvětlující doplněk, úplné autorské vzorce jsou zachované v ilustraci.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 14
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 14
Původní snímek · 14
Původní snímek 14: Radiometry

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 14

Radiometry: physical constraints

  • Helmholtz reciprocity: fᵣ(ωᵢ, ωₒ) = fᵣ(ωₒ, ωᵢ).
  • Energy conservation: ∫Ω⁺ fᵣ(ωᵢ, ωₒ) cos θₒ dωₒ ≤ 1.
  • Isotropy: invariance to simultaneous rotation of the incoming and outgoing directions around the normal.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 15
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 15
Původní snímek · 15
Původní snímek 15: Radiometry: physical constraints

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 15

Bidirectional reflectance distribution function

fr(ωi, ωo) = dLo(ωo) / dEi(ωi)

  • Source/sensor direction reciprocity.
  • Energy conservation: reflected fraction between 0 and 1.
  • Non-negativity.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 16
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 16
Původní snímek · 16
Původní snímek 16: Bidirectional reflectance distribution function

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 16

Isotropic and anisotropic BRDF

  • Reflectance depends on illumination and viewing directions.
  • Isotropic BRDF uses the azimuth difference.
  • Anisotropic appearance also depends on material orientation.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 17
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 17
Původní snímek · 17
Původní snímek 17: Isotropic and anisotropic BRDF

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 17

Bidirectional texture function

  • BTF is a texture dependent on illumination and viewing directions.
  • Captures inter-reflections, subsurface scattering, local masking and shadowing.
  • Thousands of images per material; data may occupy gigabytes.
  • Compression and modelling are necessary.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 18
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 18
Původní snímek · 18
Původní snímek 18: Bidirectional texture function

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 18

BTF: directional appearance of fabric

The source shows a fabric sample and its directional appearance on a rendered shape.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 19
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 19
Původní snímek · 19
Původní snímek 19: BTF: directional appearance of fabric

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 19

BRDF versus BTF

Compare the author’s rendered examples. BTF retains spatial and angular effects that a homogeneous BRDF cannot describe.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 20
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 20
Původní snímek · 20
Původní snímek 20: BRDF versus BTF

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 20

BTF versus spatially varying BRDFs

  • Captured spatial/angular reflectance → pixel-wise apparent BRDF.
  • Estimate SVBRDF / PBR parameter maps.
  • The diagram presents decreasing storage size and visual fidelity along this approximation pipeline.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 21
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 21
Původní snímek · 21
Původní snímek 21: BTF versus spatially varying BRDFs

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 21

BTF: views and occlusion

  • Rough structures create pixel-wise misalignment between different views.
  • Occlusion changes which surface detail is visible.
  • The source proposes processing individual views separately.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 22
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 22
Původní snímek · 22
Původní snímek 22: BTF: views and occlusion

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 22

BRDF versus a pixel’s apparent BRDF

A pixel’s apparent reflectance includes visibility and structure effects. The author contrasts homogeneous BRDF samples with spatially varying measured appearance.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 23
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 23
Původní snímek · 23
Původní snímek 23: BRDF versus a pixel’s apparent BRDF

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 23

Spatially varying BRDFs

  • Restrictions: opaque surfaces, no subsurface scattering.
  • Nearly flat surfaces: no occlusion/masking and no interaction between pixels.
  • Simpler local transport allows spatial clustering and sparse measurements.
  • Examples: lacquered wood and wallpaper.
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 24
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 24
Původní snímek · 24
Původní snímek 24: Spatially varying BRDFs

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 24

Challenge: semitransparent materials

Subsurface transport matters: the source shows light spreading in a semitransparent object.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 25
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 25
Původní snímek · 25
Původní snímek 25: Challenge: semitransparent materials

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 25

Challenge: anisotropic materials

Directional fibres, weaving patterns and surface finishing change appearance with orientation.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 26
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 26
Původní snímek · 26
Původní snímek 26: Challenge: anisotropic materials

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 26

Anisotropy on a complex shape

The author’s example illustrates a strongly directional highlight on a rendered draped surface.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 27
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 27
Původní snímek · 27
Původní snímek 27: Anisotropy on a complex shape

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 27

Challenge: textured specular materials

Fine structure and directional highlights interact. The source compares three appearances of the same object.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 28
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 28
Původní snímek · 28
Původní snímek 28: Challenge: textured specular materials

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 28

Textured specular appearance

The source illustration shows a narrow highlight and spatially structured appearance on elongated objects.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 29
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 29
Původní snímek · 29
Původní snímek 29: Textured specular appearance

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 29

Challenge: sparkle in effect coatings

Small bright features create sparkle. Compare the source’s appearance examples.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 30
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 30
Původní snímek · 30
Původní snímek 30: Challenge: sparkle in effect coatings

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 30

Challenge: color-shifting materials

Compare photographs with a measured and rendered BTF. Colour changes with illumination/view configuration.

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 31
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 31
Původní snímek · 31
Původní snímek 31: Challenge: color-shifting materials

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 31

… and their combinations

Material appearance can combine spatial structure, specularity, anisotropy, transmission and colour shifts.

GRAFIT · kontrolní otázka

Které vlastnosti by jednoduchá barevná textura nebo homogenní BRDF v této ukázce ztratily?

Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 32
Původní autorská ilustrace / diagram, PDF strana 32
Původní snímek · 32
Původní snímek 32: … and their combinations

Jiří Filip · datum podkladu neuvedeno · PDF, strana 32

Obsah přednášky

Poznámky

Původní text PDF

Interaktivní ukázka GRAFIT

Porovnejte jednoduchý Lambertův model s paměťovými nároky měřeného BTF.

GRAFIT · syntetický doplněk. fᵣ = ρ/π sr⁻¹; při normalizovaném kolmém osvětlení E₀ = 1 W/m² je Lₒ = ρ cos θ / π W/(m² sr). RGB8 BTF: strana² × 3 × směry² bytů, bez komprese. Lambertův model nezahrnuje lesk, texturu, anizotropii, stíny ani podpovrchový rozptyl; plné BTF se zde nerenderuje.