New surface reflectance model with the combination of two cubic functions usage

• Autorzy: Romanyuk Oleksandr , Zavalniuk Yevhen , Pavlov Sergii , Chekhmestruk Roman , Bondarenko Zlata , Koval Tetiana , Kalizhanova Aliya , Iskakova Aigul

Identyfikatory

DOI

10.35784/iapgos.5327

Warianty tytułu

PL

Nowy model odbicia światła od powierzchni wykorzystujący kombinację dwóch funkcji sześciennych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the article themodel of light reflection based on the combination of two cubicbidirectional reflectancedistribution functions is developed.The main components of color and the main requirements for reproducing the object`s glaresareanalyzed. The usage characteristicsof Cook-Torrance, Bagher, Oren-Nayar, coupled Shirley reflection models are described. The advantages and disadvantages of the highly productive Blinn-Phong modelare considered. The necessity of approximating the Blinn-Phong model by a function of low degree is justified. The characteristics of the cubic polynomial approximation of the Blinn-Phong model are determined. It was established that the main drawback of this approximation is a significant deviationof the function from the reference function in the glare’sattenuation zone. Thecombined function that combines two cubic functions is proposed. The first cubic function reproduces the glare’s epicenter, and the second replaces the specified function in the attenuation zone. A system of equationsfor calculating the coefficients of the second function was created. The formula for the connectionpointof two cubic functions is obtained. A graphof the developed combined model based on cubic functions is obtained. For the combined and original cubic functions a comparison of the maximum relative errors in the glare’sepicenterzone, the maximum absolute errors, and the relative errors at the inflection point was made. A three-dimensional plot of the absolute error of the combined cubic model from the Blinn-Phong modeldepending on the shininessand the angle value is built. Visualization results based on the combined and the original cubic functionsare compared. It is confirmed that the proposed reflection model increases the realismof glare formation in the attenuation zone. The resulting combined reflection model provides a highlyaccurate approximation of the Blinn-Phong model and is highly efficient because the third power function is used.

PL

W artykule opracowano model odbicia światła oparty na kombinacji dwóch sześciennych dwukierunkowych funkcji rozkładu odbicia.Przeanalizowano główne składniki koloru i główne wymagania dotyczące odtwarzania odblasków obiektu. Opisano charakterystykę użytkowania modeli odbicia Cooka-Torrance'a, Baghera, Orena-Nayara i Shirleya. Rozważono zalety i wady wysoce wydajnego modelu Blinn-Phong. Uzasadniono konieczność aproksymacji modelu Blinna-Phonga funkcją niskiego stopnia. Określono charakterystykę wielomianu sześciennego aproksymującego model Blinna-Phonga. Ustalono, że główną wadą tej aproksymacji jest znaczne odchylenie funkcji od funkcji odniesienia wstrefie tłumienia olśnienia. Zaproponowano funkcję kombinowaną, która łączy dwie funkcje sześcienne. Pierwsza funkcja sześcienna odtwarza epicentrum olśnienia, a druga zastępuje określoną funkcję w strefie tłumienia. Stworzono układ równań do obliczania współczynników drugiej funkcji. Uzyskano wzór na punkt połączenia dwóch funkcji sześciennych. Uzyskano wykres opracowanego połączonego modelu opartego na funkcjach sześciennych. Dla połączonychi oryginalnych funkcji sześciennych dokonano porównania maksymalnych błędów względnych w strefie epicentrum olśnienia, maksymalnych błędów bezwzględnych i błędów względnych w punkcie przegięcia. Zbudowano trójwymiarowy wykres błędu bezwzględnego połączonego modelusześciennegoz modelu Blinna-Phonga w zależności od połysku i wartości kąta. Porównano wyniki wizualizacji oparte na połączonych i oryginalnych funkcjach sześciennych. Potwierdzono, że proponowany model odbicia zwiększa realizm powstawania odblasków w strefie tłumienia. Wynikowypołączony model odbicia zapewnia bardzo dokładne przybliżenie modelu Blinna-Phonga i jest bardzo wydajny, ponieważ używana jest funkcja trzeciej potęgi.

Słowa kluczowe

EN

bidirectional reflectance distribution function; cubic function; reflectance model; shading; combined function

PL

dwukierunkowa funkcja rozkładu współczynnika odbicia; funkcja sześcienna; model współczynnika odbicia; cieniowanie; funkcja łączona

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2023
• Tom: T. 13, nr 3
• Strony: 101--106
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Romanyuk Oleksandr

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-2245-3364

autor

Zavalniuk Yevhen

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0009-0005-1202-4653

autor

Pavlov Sergii

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-0051-5560

autor

Chekhmestruk Roman

• 3D GENERATION UA, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-5362-8796

autor

Bondarenko Zlata

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0003-3339-0570

autor

Koval Tetiana

• Mykhailo Kotsiubynskyi State Pedagogical University, Vinnytsia Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-3190-1181

autor

Kalizhanova Aliya

• University of Power Engineering and Telecommunications; Institute of Information and Computational Technologies MES CS RK, Almaty, Kazakhstan

• https://orcid.org/0000-0002-5979-9756

autor

Iskakova Aigul

• KazakhNationalResearchTechnical University named after K. I. Satpayev, Almaty, Kazakhstan

• https://orcid.org/0000-0001-8043-819X

Bibliografia

• [1] Avrunin O. G., Tymkovych M. Y., Abdelhamid I. Y., Shushliapina N. O., Nosova Y. V., Semenets V. V.: Features of image segmentation of the upper respiratory tract for planning of rhinosurgical surgery. IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology, ELNANO 2019, 485–488.
• [2] Bagher M.: Accurate fitting of measured reflectances using a Shifted Gamma micro-facet distribution. Computer Graphics Forum 31(4), 2012, 1509–1518.
• [3] Han Yu. et al.: Learning a 3D Morphable Face Reflectance Model from Low-cost Data. arXiv: 2303.11686, 2023.
• [4] Jakob W. et al.: A Comprehansive Framework for Rendering Layered Materials. ACM Transactions on Graphics 33(4), 2014, 1–14.
• [5] Kurt M.: Real-Time Shading with Phong BRDF Model. DEUFMD 21(63), 2019, 859–867.
• [6] Liu H. et al.: Development of a Face Recognition System and Its Intelligent Lighting Compensation Method for Dark-Field Application. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 70, 2021, 1–16.
• [7] Montes R., Urena C.: An Overview of BRDF Models. University of Granada, 2012.
• [8] Romanyuk A. The Bidirectional Reflectance Distributive Function Classification Scientific Papers of Donetsk National Technical University 9, 2008,145–151.
• [9] Romanyuk O., Chornyy A.: Vysokoproduktyvni metody ta zasoby zafarbovuvannya tryvymirnykh hrafichnykh ob”yektiv. UNIVERSUM-Vinnytsya, Vinnytsya, 2006.
• [10] Romanyuk O.: Komp'yuterna hrafika: Navchal’nyy posibnyk. VDTU, Vinnytsya 1999.
• [11] Romanyuk O. et al.: The Concept and Means of Adaptive Shading. 12th International Conference on Advanced Computer Information Technologies (ACIT), Ruzomberok, 2022, 33 –38.
• [12] Romanyuk S., Pavlov S., Wójcik W. et al.: Using lights in a volume-oriented rendering. Proc. SPIE 10445, 2017, 104450U.
• [13] Schill S. et al.: Temporal Modeling of Bidirectional Reflection Distribution Function (BRDF) in Coastal Vegetation. GIScience & Remote Sensing 41(2), 2004, 116–134.
• [14] Tan P.: Phong Reflectance Model. Computer Vision, 2020, 1–3.
• [15] Thiele S. et al.: A Novel and Open-Source Illumination Correction for Hyperspectral Digital Outcrop Models. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 60, 2022, 1–12.
• [16] Wójcik W., Pavlov S., Kalimoldayev M.: Information Technology in Medical Diagnostics II. Taylor & Francis Group, CRC Press, Balkema book, London 2019.
• [17] Wójcik W., Smolarz A.: Information Technology in Medical Diagnostics. CRC Press, 2017.
• [18] Zavalniuk Ye. K. et al.: The development of the modified schlick model for the specular color component calculation. Information technology and computer engineering 55(3), 2022, 4–12.
• [19] Zou Ya. et al.: Developmental Trends in the Application and Measurement of the Bidirectional Reflection Distribution Function. Sensors 22 (5), 2022, 1739–1763.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).