Jump to content

Световое поле

Световое поле или световое поле — это векторная функция , которая описывает количество света, текущего во всех направлениях через каждую точку пространства. Пространство всех возможных световых лучей определяется пятимерной пленоптической функцией , а величина каждого луча определяется его яркостью . Майкл Фарадей был первым, кто предложил интерпретировать свет как поле, подобное магнитным полям, над которыми он работал. [1] Термин «световое поле» был введен Андреем Гершуном в классической статье 1936 года о радиометрических свойствах света в трехмерном пространстве.

Термин «поле излучения» также может использоваться для обозначения подобных или идентичных [2] концепции. Этот термин используется в современных исследованиях, таких как поля нейронного излучения.

Пленоптическая функция

[ редактировать ]
Излучение L вдоль луча можно рассматривать как количество света, проходящего по всем возможным прямым линиям через трубку, размер которой определяется ее телесным углом и площадью поперечного сечения.

Для геометрической оптики , т. е. для некогерентного света и объектов, размер которых превышает длину волны света, основным носителем света является луч . Мерой количества света, проходящего вдоль луча, является яркость , обозначаемая L и измеряемая в Вт·ср. −1 ·м −2 ; т. е. ватт (Вт) на стерадиан (ср) на квадратный метр (м 2 ). Стерадиан является мерой телесного угла , а квадратные метры используются как мера площади поперечного сечения, как показано справа.

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

Яркость всех таких лучей в области трехмерного пространства, освещенной неизменным расположением огней, называется пленоптической функцией. [3] Функция пленоптического освещения — это идеализированная функция, используемая в компьютерном зрении и компьютерной графике для выражения изображения сцены из любой возможной позиции просмотра, под любым углом обзора в любой момент времени. На практике он не используется в вычислительных целях, но концептуально полезен для понимания других концепций зрения и графики. [4] 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 многообразием, эквивалентная произведение трехмерного евклидова пространства и двухсферы .

Суммирование векторов освещенности D 1 и D 2, возникающих от двух источников света I 1 и I 2, дает результирующий вектор D, имеющий показанную величину и направление. [5]

Световое поле в каждой точке пространства можно рассматривать как бесконечный набор векторов, по одному на каждое направление, падающих на точку, с длинами, пропорциональными 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 показан этот расчет для случая двух источников света. В компьютерной графике эта векторная функция трехмерного пространства называется векторным полем освещенности. [6] Направление вектора в каждой точке поля можно интерпретировать как ориентацию плоской поверхности, расположенной в этой точке, для наиболее яркого ее освещения.

Более высокая размерность

[ редактировать ]

Время, длину волны и угол поляризации можно рассматривать как дополнительные измерения, что соответственно дает функции более высокой размерности.

Световое поле 4D

[ редактировать ]
Излучение вдоль луча остается постоянным, если нет блокаторов.

В пленоптической функции, если область интереса содержит вогнутый объект (например, чашеобразную руку), то свет, выходящий из одной точки объекта, может пройти лишь небольшое расстояние, прежде чем другая точка объекта заблокирует его. Ни одно практическое устройство не могло бы измерить функцию в такой области.

объекта Однако для мест за пределами выпуклой оболочки (например, термоусадочной пленки) пленоптическая функция может быть измерена путем захвата нескольких изображений. В этом случае функция содержит избыточную информацию, поскольку яркость луча остается постоянной по всей его длине. Избыточная информация имеет ровно одно измерение, оставляя четырехмерную функцию, называемую по-разному световым полем, четырехмерным световым полем. [7] или люмиграф. [8] Формально поле определяется как излучение вдоль лучей в пустом пространстве.

Набор лучей в световом поле можно параметризовать различными способами. Наиболее распространенной является двухплоскостная параметризация. Хотя эта параметризация не может представлять все лучи, например, лучи, параллельные двум плоскостям, если плоскости параллельны друг другу, она тесно связана с аналитической геометрией перспективного изображения. Простой способ представить двухплоскостное световое поле — это совокупность перспективных изображений первой плоскости (и любых объектов, которые могут находиться по обе стороны от нее или за ее пределами), каждое из которых взято с позиции наблюдателя на ультрафиолетовой плоскости. Световое поле, параметризованное таким образом, иногда называют световой пластиной.

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

Звук аналоговый

[ редактировать ]

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

Эта двумерность, по сравнению с кажущейся четырехмерностью света, объясняется тем, что свет распространяется лучами (0D в определенный момент времени, 1D во времени), тогда как согласно принципу Гюйгенса-Френеля звуковой фронт волны можно смоделировать как сферические волны (2D в определенный момент времени, 3D во времени): свет движется в одном направлении (2D информации), а звук распространяется во всех направлениях. Однако свет, распространяющийся в невакуумных средах, может рассеиваться аналогичным образом, и необратимость или потеря информации при рассеянии заметна в кажущейся потере размера системы.

Перефокусировка изображения

[ редактировать ]

Поскольку световое поле предоставляет пространственную и угловую информацию, мы можем изменить положение фокальных плоскостей после воздействия, что часто называют перефокусировкой . Принцип перефокусировки заключается в получении обычных двумерных фотографий из светового поля посредством интегрального преобразования. Преобразование принимает на вход световое поле и генерирует фотографию, сфокусированную на определенной плоскости.

Предполагая представляет собой четырехмерное световое поле, которое записывает световые лучи, идущие из положения на первой плоскости для позиционирования на второй плоскости, где это расстояние между двумя плоскостями, двумерная фотография на любой глубине. можно получить с помощью следующего интегрального преобразования: [9]

,

или более кратко,

,

где , , и является фотографом-оператором.

На практике эту формулу нельзя использовать напрямую, поскольку пленоптическая камера обычно фиксирует дискретные образцы светового поля. , и, следовательно, для вычисления необходима повторная выборка (или интерполяция) . Другая проблема – высокая сложность вычислений. Чтобы вычислить 2-D фотография из 4-D световое поле, сложность формулы . [9]

Фотография среза Фурье

[ редактировать ]

Один из способов уменьшить сложность вычислений — принять концепцию теоремы Фурье о срезах : [9] Фотооператор можно рассматривать как сдвиг с последующей проекцией. Результат должен быть пропорционален расширенному двумерному срезу четырехмерного преобразования Фурье светового поля. Точнее, перефокусированное изображение можно создать из четырехмерного спектра Фурье светового поля путем извлечения двумерного среза, применения обратного двумерного преобразования и масштабирования. Асимптотическая сложность алгоритма равна .

Дискретное фокальное преобразование стека

[ редактировать ]

Еще один способ эффективного расчета двумерных фотографий — использование дискретного преобразования фокусного стека (DFST). [10] DFST предназначен для создания коллекции перефокусированных 2-D фотографий, или так называемого фокусного стека . Этот метод может быть реализован с помощью быстрого дробного преобразования Фурье (FrFT).

Оператор дискретной фотографии определяется следующим образом для светового поля отобрано в 4-D сетке , :

Потому что обычно не находится в четырехмерной сетке, DFST использует тригонометрическую интерполяцию для вычисления несеточных значений.

Алгоритм состоит из таких шагов:

  • Пример светового поля с периодом выборки и и получить дискретизированное световое поле .
  • Подушка с нулями такими, чтобы длины сигнала было достаточно для FrFT без наложения псевдонимов.
  • Для каждого , вычислите Фурье дискретное преобразование и получить результат .
  • Для каждого фокусного расстояния , вычислите дробное преобразование Фурье , где порядок преобразования зависит от и получить результат .
  • Вычислите обратное дискретное преобразование Фурье .
  • Удалить маргинальные пиксели так, чтобы каждая двумерная фотография имела размер к

Методы создания световых полей

[ редактировать ]

В компьютерной графике световые поля обычно создаются либо путем визуализации , 3D-модели либо путем фотографирования реальной сцены. В любом случае, чтобы создать световое поле, необходимо получить виды для большого набора точек обзора. В зависимости от параметризации эта коллекция обычно охватывает некоторую часть линии, круга, плоскости, сферы или другой формы, хотя возможны и неструктурированные коллекции. [11]

Устройства для фотографической регистрации световых полей могут включать в себя движущуюся портативную камеру или камеру с роботизированным управлением. [12] дуга камер (как в эффекте времени пули , используемом в «Матрице» ), плотный массив камер, [13] портативные камеры , [14] [15] микроскопы, [16] или другая оптическая система. [17]

Количество изображений в светлом поле зависит от применения. Световой снимок Микеланджело. статуи Ночи [18] содержит 24 000 изображений размером 1,3 мегапикселя, что по состоянию на 2022 год считается большим. Чтобы рендеринг светового поля полностью запечатлел непрозрачный объект, необходимо сделать изображения как минимум спереди и сзади. Менее очевидно, что для объекта, расположенного по обе стороны от st -плоскости, мелкоотстоящие изображения должны быть сделаны в ультрафиолетовой плоскости (в двухплоскостной параметризации, показанной выше).

Количество и расположение изображений в световом поле, а также разрешение каждого изображения вместе называются «выборкой» четырехмерного светового поля. [19] Также интересны эффекты окклюзии, [20] освещение и отражение. [21]

Приложения

[ редактировать ]
Направленный вниз источник света (FF') создает световое поле, векторы освещенности которого изгибаются наружу. Используя математический анализ, Гершун смог вычислить интенсивность излучения, падающую на точки (P 1 , P 2 ) на поверхности. [22] )

Светотехника

[ редактировать ]

Причиной изучения светового поля Гершуном было получение (в закрытой форме) моделей освещения, которые можно было бы наблюдать на поверхностях благодаря источникам света различной формы, расположенным над этой поверхностью. [23] Раздел оптики, посвященный светотехнике, — неизобразительная оптика . [24] В нем широко используется концепция линий тока (линий потока Гершуна) и векторного потока (вектора света 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

[ редактировать ]

Извлечение соответствующих 2D-фрагментов из 4D-светового поля сцены позволяет получить новый вид сцены. [25] В зависимости от параметризации светового поля и срезов эти виды могут быть перспективными , ортогональными , скрещенными щелями, [26] общие линейные камеры, [27] многоперспективный, [28] или другой тип проекции. Рендеринг светового поля — это одна из форм рендеринга на основе изображений .

Фотография с синтетической диафрагмой

[ редактировать ]

Интеграция соответствующего 4D-подмножества образцов в световое поле может приблизить вид, который будет снят камерой с конечной (т. е. без точечной диафрагмы ) апертурой. Такой вид имеет конечную глубину резкости . Сдвиг или деформация светового поля перед выполнением этого интегрирования может сфокусироваться на различных фронто-параллельных [29] или косой [30] самолеты. Изображения, снятые цифровыми камерами, фиксирующими световое поле [14] можно переориентировать.

3D-дисплей

[ редактировать ]

Представление светового поля с использованием технологии, которая сопоставляет каждый образец соответствующему лучу в физическом пространстве, создает автостереоскопический визуальный эффект, аналогичный просмотру исходной сцены. К нецифровым технологиям для этого относятся интегральная фотография , параллакс-панорамаграммы и голография ; цифровые технологии включают в себя размещение множества линз на экране дисплея с высоким разрешением или проецирование изображений на множество линз с помощью множества видеопроекторов. Множество видеокамер могут захватывать и отображать изменяющееся во времени световое поле. По сути, это система трехмерного телевидения . [31] Современные подходы к отображению светового поля предполагают совместную разработку оптических элементов и компрессионные вычисления для достижения более высокого разрешения, повышенной контрастности, более широких полей зрения и других преимуществ. [32]

Визуализация мозга

[ редактировать ]

Нейронную активность можно зарегистрировать оптически путем генетического кодирования нейронов обратимыми флуоресцентными маркерами, такими как 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 в отдельных нейронах, случайно распределенных в большом объеме с частотой кадров видео. [33] Количественное измерение нейронной активности можно провести, несмотря на оптические аберрации в тканях мозга и без восстановления объемного изображения. [34] и использоваться для мониторинга активности тысяч нейронов. [35]

Обобщенная реконструкция сцены (GSR)

[ редактировать ]

Это метод 3D-реконструкции из нескольких изображений , который создает модель сцены, состоящую из обобщенного светового поля и поля переосвещаемой материи. [36] Обобщенное световое поле представляет собой свет, текущий во всех направлениях через каждую точку поля. Поле перезагорающейся материи представляет свойства взаимодействия света и излучательную способность материи, занимающей каждую точку поля. Структуры данных сцены могут быть реализованы с использованием нейронных сетей. [37] [38] [39] и структуры, основанные на физике, [40] [41] среди других. [36] Поля света и материи по крайней мере частично распутаны. [36] [42]

Голографические стереограммы

[ редактировать ]

Генерация изображений и предварительное искажение синтетических изображений для голографических стереограмм — один из самых ранних примеров вычисления световых полей. [43]

Уменьшение бликов

[ редактировать ]

Блики возникают из-за многократного рассеяния света внутри корпуса камеры и оптики объектива, что снижает контрастность изображения. Хотя блики анализировались в пространстве 2D-изображений, [44] полезно идентифицировать его как явление четырехмерного лучевого пространства. [45] Статистический анализ лучевого пространства внутри камеры позволяет классифицировать и удалять артефакты бликов. В лучевом пространстве блики ведут себя как высокочастотный шум и могут быть уменьшены путем подавления выбросов. Такой анализ можно выполнить, захватив световое поле внутри камеры, но это приводит к потере пространственного разрешения. Равномерную и неравномерную выборку лучей можно использовать для уменьшения бликов без значительного ущерба для разрешения изображения. [45]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Фарадей, Майкл (30 апреля 2009 г.). "ЛИВ. Мысли о лучевых вибрациях" . Философский журнал . Серия 3. 28 (188): 345–350. дои : 10.1080/14786444608645431 . Архивировано из оригинала 18 февраля 2013 г.
  2. ^ https://arxiv.org/pdf/2003.08934.pdf.
  3. ^ Адельсон 1991
  4. ^ Люди 2002
  5. ^ Гершун, рис. 17.
  6. ^ Значение, 1994 г.
  7. ^ Levoy 1996
  8. ^ Гортлер 1996
  9. ^ Jump up to: а б с Нг, Рен (2005). «Фурье-фотография» . Доклады ACM SIGGRAPH 2005 . Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: ACM Press. стр. 735–744. дои : 10.1145/1186822.1073256 . ISBN  9781450378253 . S2CID   1806641 .
  10. ^ НАВА, Ф. Перес; Маричал-Эрнандес, JG; Родригес-Рамос, JM (август 2008 г.). «Дискретное фокальное стек-преобразование» . 2008 16-я Европейская конференция по обработке сигналов : 1–5.
  11. ^ Бюлер 2001
  12. ^ Levoy 2002
  13. ^ Kanade 1998; Yang 2002; Wilburn 2005
  14. ^ Jump up to: а б года 2005
  15. ^ Георгиев 2006; Марва 2013
  16. ^ Levoy 2006
  17. ^ Боллес 1987
  18. ^ «Световое поле статуи Ночи Микеланджело» . Accademia.stanford.edu . Проверено 08 февраля 2022 г.
  19. ^ Чай (2000)
  20. ^ Дюран (2005)
  21. ^ Рамамурти (2006)
  22. ^ Гершун, рис 24.
  23. ^ Эшдаун 1993
  24. ^ Чавес 2015; Уинстон 2005 г.
  25. ^ Levoy 1996; Gortler 1996
  26. ^ Лето 2003 г.
  27. ^ Ю и Макмиллан, 2004 г.
  28. ^ Радемахер 1998 г.
  29. ^ Исаксен 2000
  30. ^ Вайш 2005 г.
  31. ^ Джавид 2002; Матусик 2004 г.
  32. ^ Вецштейн 2012, 2011; Ланман 2011, 2010 г.
  33. ^ Гросеник, 2009, 2017; Перес, 2015 г.
  34. ^ Пегард, 2016
  35. ^ Гросеник, 2017.
  36. ^ Jump up to: а б с Леффингвелл, 2018 г.
  37. ^ Милденхолл, 2020 г.
  38. ^ Руднев Виктор; Эльгариб, Мохамед; Смит, Уильям; Лю, Линцзе; Голяник, Владислав; Теобальт, Кристиан (21 июля 2022 г.). «NeRF для переосвещения уличных сцен». Европейская конференция по компьютерному зрению (ECCV) 2022 : 1–22. arXiv : 2112.05140 .
  39. ^ Шринивасан, Пратуал; Дэн, Боян; Чжан, Сюмин; Танчик, Мэтью; Милденхолл, Бен; Бэррон, Джонатан (7 декабря 2020 г.). «NeRV: нейронные поля отражения и видимости для повторного освещения и синтеза представлений». ЦВПР : 1–12. arXiv : 2012.03927 .
  40. ^ Yu & Fridovich-Keil, 2021
  41. ^ Кербл, Бернхард; Копанас, Георгиос; Леймкюлер, Томас; Дреттакис, Джордж (8 августа 2023 г.). «3D Gaussian Splatting для рендеринга поля излучения в реальном времени». arXiv : 2308.04079 [ cs.GR ].
  42. ^ Чжан, Цзинъян; Яо, Яо; Ли, Шивэй; Лю, Цзинбо; Фанг, Тиан; Маккиннон, Дэвид; Цинь, Янхай; Цюань, Лонг (30 марта 2023 г.). «NeILF++: взаимоотражающие световые поля для геометрии и оценки материалов». стр. 1–5. arXiv : 2303.17147 [ cs.CV ].
  43. ^ Галле 1991, 1994
  44. ^ Талвала 2007
  45. ^ Jump up to: а б Раскар 2008 г.

Приложения

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 757298d3b2d24d589a2078685a008aba__1718482020
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/75/ba/757298d3b2d24d589a2078685a008aba.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Light field - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)