Är det möjligt att digitalt replikera hur ljus lyser från siden, kalejdoskopet av färger på fjärilsvingar, eller strukturen på tyger, plast, och stenar? Ett team av forskare vid EPFL:s Realistic Graphics Lab, leds av Wenzel Jakob, utvecklar datormodeller för att göra just det. Deras process börjar med att noggrant digitalisera allt material de kan lägga händerna på, med hjälp av en sofistikerad maskin som kallas en gonio-fotometer.

Föreställ dig att ta ett foto av en bil en solig dag:bilden kommer bara att fånga dess utseende för den specifika synvinkeln och belysningen, men det kan inte berätta hur samma bil skulle se ut från en annan synvinkel senare på kvällen. I motsats till en kamera, en gonio-fotometer mäter ljuset som reflekteras av ett material i olika vinklar, fångar essensen av det som ger bilens målade yta dess speciella utseende:glänsande, pärlemorskimrande, metallisk, urblekt, etc. Den resulterande datan är mycket rikare än ett enda fotografi och kan användas för att generera fotorealistiska datorbilder av objekt gjorda av samma material inom godtyckliga virtuella scener.

Teamet på EPFL, ledd av prof. Wenzel Jakob, studerar hur ljus interagerar med olika material så att denna process kan reproduceras i en mjukvarusimulering. "Vårt mål är att sätta ihop ett mycket omfattande bibliotek av material – inte bara att återskapa dem, men också för att matematiskt förstå vad som får dem att se ut som de gör, " säger Jakob. Forskarna har för avsikt att digitalisera prover som sträcker sig från ett pappersark och en plastbit från en penna till en fjärilsvinge och till och med en bit tyg från en Darth Vader-dräkt. "Den här typen av materialdata är ovärderlig i områden som arkitektur, datorsyn, eller underhållningsindustrin. Vi har nyligen börjat arbeta med Weta Digital och Industrial Light &Magic, som gör filmer som Avatar och Star Wars, " han lägger till.

Skapa bilder som ser ut som på riktigt

Gonio-fotometern är en imponerande maskin som är cirka fem meter lång. Den drivs i ett rum, vars väggar har täckts med svart tyg för att absorbera ljuset som reflekteras av provet som analyseras. Provet placeras i mitten av enheten, där det observeras från spetsen av en robotarm som snurrar med en hastighet på upp till 3 meter per sekund så att mätningar kan göras snabbt för många konfigurationer. "En vanlig kamera spelar bara in rött, grön och blå färginformation som är synlig för det mänskliga ögat. Vi använder istället en spektrometer som registrerar hundratals våglängder genom hela det visuella spektrumet, sträcker sig även till UV och infraröd. Den mängden data ger oss mycket mer information om ett material som gör att vi kan simulera dess utseende extremt exakt, säger Jakob.

Teamet har utvecklat en ny algoritm som tar full kontroll över gonio-fotometern för att bara fånga en liten delmängd av ett ofattbart stort fyrdimensionellt utrymme, gör att material kan digitaliseras mycket snabbare än vad som tidigare varit möjligt. Jakobs grupp utvecklar även Mitsuba Renderer, en allmänt använd mjukvaruplattform med öppen källkod som simulerar ljus beräkningsmässigt för att skapa fotorealistiska bilder av virtuella världar. Med de inhämtade uppgifterna, dessa simuleringar kan nu uppnå en oöverträffad nivå av noggrannhet.