Polarising Versions of Glossy BRDF Models

Abstract

Cílem počítačové grafiky je přesně modelovat vzhled skutečných objektů. K tomu je nutné modelovat interakce světla s různými materiály. Jedním z důležitých parametrů světla je také jeho polarizace. Zahrnutí polarizace do osvětlovacího modelu může výrazně přispět k realistickému vzhledu renderovaných obrazů například v situacích, kdy ve scéně dochází k mnohačetným odrazům světelných paprsků na různých zrcadlových plochách, apod. Současné renderovací systémy ale polarizaci neuvažují z důvodu velké složitosti takového řešení. Klíčovým prvkem pro získání fyzikálně věrných obrazů jsou realistické, polarizace schopné BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) modely. V rámci této práce, byly teoreticky odvozeny polarizaci zahrnující verze následujících modelů: Torrance-Sparrow, He-Torrance-Sillion-Greenberg a Weidlich-Wilkie. Pro každý z těchto modelů byly systematicky odvozeny Muellerovy matice (matematická konstrukce používaná k popisu odrazivosti polarizujícího povrchu). Chování odvozených matic v závislosti na různých vstupních parametrech bylo následně testováno v programu Wolfram Mathematica. Odvozené BRDF modely zahrnující polarizaci byly implementovány v systému ART (Advanced Rendering Toolkit). Soudě podle dostupných zdrojů se jedná o pravděpodobně vůbec první využití zmíněných BRDF...

The goal of computer graphics is to precisely model the appearance of real objects. It includes of interactions of light with various materials. Polarisation is one of the fundamental properties of light. Incorporating polarisation parameter into an illumination model can significantly enhance the physical realism of rendered images in the case of scenes including multiple light bounces via specular surfaces, etc. However, recent rendering systems do not take polarisation into account because of complexity of such a solution. The key component for obtaining physically correct images are realistic, polarisation capable BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) models. Within this thesis, polarising versions of the following BRDF models were theoretically derived: Torrance Sparrow, He-Torrance-Sillion-Greenberg and Weidlich-Wilkie. For each of these models, Mueller matrices (the mathematical construct used to describe polarising surface reflectance) were systematically derived and their behaviour tested under various input parameters using Wolfram Mathematica. Derived polarising glossy BRDF models were further implemented using a rendering research system, ART (Advanced Rendering Toolkit). As far as we know, it is the very first usage of these BRDF models in a polarisation renderer....