Задача фотореалистического рендеринга заключается в расчёте изображения трёхмерной сцены аппроксимирующего фотографию реальной сцены. Сцена задаётся геометрическим и оптическим описанием её объектов и источников. Расчёт изображения производится для выбранного положения, ориентации и оптических характеристик камеры.
В данной работе рассматривается случай фотореалистического рендеринга сцен, содержащих изотропные и одноосные монокристаллы и кристаллические агрегаты. В настоящее время для расчёта фотореалистических изображений применяется метод лучевой трассировки Виттеда [1]. Этот метод расчёта требует разработки локальной модели взаимодействия света со всеми поверхностями и средами сцены. Локальная модель описывает правила расчёта направлений, интенсивностей и поляризаций отражённых и преломлённых лучей по соответствующим параметрам падающего луча.
Одноосные среды являются оптически анизотропными, т.е. их оптические характеристики зависят от направления измерений. Законы преломления и отражения света в таких средах не подчиняются классическому закону преломления Снеллиуса для изотропных сред. Так, например, в одноосных кристаллах наблюдаются эффекты двойного лучепреломления и отражения, когда на границе двух одноосных сред может возникнуть до двух преломлённых и двух отражённых лучей. В поглощающих кристаллах наблюдается эффект анизотропного поглощения или плеохроизма, когда коэффициент поглощения луча зависит от направления его распространения и состояния поляризации.
В мировой литературе существует лишь небольшое число работ, посвящённых рендерингу одноосных кристаллов. Последние достижения и обзор более ранних работ приведены в [2] и [3]. В работах описывается алгоритм рендеринга одноосных монокристаллов, а случай взаимодействия луча с границей между двумя одноосными средами не рассматривается, делая невозможным рендеринг одноосных кристаллических агрегатов. В природе же наиболее часто встречаются именно кристаллические агрегаты, а не монокристаллы.
Лучшим подтверждением корректности работы алгоритма фотореалистического рендеринга является сравнение рассчитанного изображения с фотографией сцены. В случае рендеринга кристаллов такое сравнение не является тривиальным по нескольким причинам: 1) сложность определения геометрии объектов сцены и оптических характеристик сред; 2) неидеальность реальных кристаллов (наличие царапин, трещин, сколов); 3) сложность определения геометрии и спектров излучения источников; 4) сложность сопоставления параметров виртуальной и реальной камер и ракурсов съёмки. В мировой практике задача сравнения изображений для сцен, включающих полупрозрачные объекты, не решена. Только в работе [3] приводится сравнение рассчитанного изображение кристалла кальцита с фотографией, но сравниваются чёрно-белые изображения и отсутствует попиксельное сравнение изображений.
В настоящей работе предлагается локальная модель взаимодействия света с изотропными и одноосными прозрачными кристаллами и кристаллическими агрегатами, построенная на работах Фёдорова [4]. На основе данной модели был разработан алгоритм фотореалистического рендеринга, который был верифицирован методом попиксельного сравнения рассчитанного изображения с фотографией специально сконструированной сцены, содержащей кристалл кальцита.