Terminologie et concepts fondamentaux du rendu volumétrique

La littérature sur le rendu de matériaux et d'effets volumétriques a tendance à utiliser beaucoup de terminologie de la physique mathématique. Disons que j'ai une bonne idée des concepts impliqués dans le rendu de surface. Quels concepts dois-je comprendre pour le rendu volumétrique? (Rendu en temps réel et hors ligne.)

• Qu'entend-on exactement par diffusion de la lumière dans le contexte du rendu volumétrique? (Et pourquoi est-il divisé en in-scattering et out-scattering?)

• Quelle est la relation entre la transmission, l'atténuation et l'absorption?

• Qu'est-ce qu'une fonction de phase et comment joue-t-elle dans le rendu volumétrique? (En particulier, la fonction de phase de Henyey-Greenstein.)

• Qu'est-ce que la loi de Beer-Lambert et comment est-elle liée à la diffusion de la lumière?

Fondamentalement, comment puis-je donner un sens à des diagrammes comme celui-ci?

Lorsque j'ai lu pour la première fois tout cela, je suis tombé sur ce lien qui m'a aidé à mieux comprendre ce vaste sujet. Aussi cela va dans un peu plus de détails sur les choses mentionnées ici.

La diffusion de la lumière est un phénomène naturel qui survient lorsque la lumière interagit avec les particules distribuées dans un média lors de son passage. De Wikipédia :

La diffusion de la lumière peut être considérée comme la déviation d'un rayon à partir d'un chemin droit, par exemple par des irrégularités dans le milieu de propagation, les particules ou dans l'interface entre deux milieux

En infographie, il existe des modèles qui ont été développés pour simuler l'effet de la lumière traversant des objets de volume d'un point d'entrée ( point A ) à un point de sortie ( point B ). Au fur et à mesure que la lumière se déplace de A à B, elle est modifiée en raison des interactions avec les particules et ces interactions sont souvent appelées absorption , diffusion extérieure et diffusion entrante . Vous les verrez souvent divisés en deux groupes; Transmittance (Absorption et Out Scattering) que j'aime à considérer comme «lumière perdue» et In-Scattering («lumière gagnée»).

L'absorption est essentiellement de l'énergie lumineuse incidente qui est transformée en une autre forme d'énergie et donc «perdue».

Transmittance

Transmittance décrit la façon dont la lumière réfléchie derrière un volume sera atténuée dû à l' absorption qui se déplace à travers un milieu de A à B . Ceci est généralement calculé avec la loi de Beer-Lambert qui relie l'atténuation de la lumière aux propriétés du matériau à travers lequel elle se déplace.

Lorsque la lumière traverse le milieu, il est possible que les photons soient dispersés loin de leur direction incidente et ne parviennent donc pas à l'œil de l'observateur, ce que l'on appelle la diffusion externe. Dans la plupart des modèles, l'équation de transmittance est légèrement modifiée pour introduire le concept de diffusion externe.

En diffusion

Ci-dessus, nous avons vu comment la lumière peut être perdue en raison de la dispersion des photons dans la direction d'observation. Dans le même temps, la lumière peut être diffusée dans la direction de vision pendant qu'elle se déplace de A à B , ce qui est appelé In-Scattering.

La diffusion des particules elle-même est un sujet assez complexe, mais vous pouvez essentiellement le diviser en diffusion isotrope et anisotrope. Diffusion de modélisation anisotropique prendrait beaucoup de temps donc généralement en infographie cela est simplifié à l'aide d' une fonction de phase qui décrit la quantité de lumière de l'incident direction de la lumière qui est diffusée dans la direction d' observation qu'il se déplace de A à B .

Une fonction de phase non isotrope couramment utilisée est appelée la fonction de phase de Henyey-Greenstein qui peut modéliser la diffusion vers l'arrière et vers l'avant. Il a généralement un seul paramètre, g ∈ [−1,1], qui détermine la force relative de la diffusion avant et arrière.