Кіріспе
Иілген бет/объектіден шағылысқан немесе сынған жарық сәулелерінің қабығы. Оптикада, каустика немесе каустикалық желі – иілген бет немесе объектіден шағылысқан немесе сынған жарық сәулелерінің қабығы, немесе осы қабық сәулелерінің басқа бетке проекциясы. Каустика – бұл әрбір жарық сәулесі жанасатын қисық немесе бет, ол сәулелер қабығының шекарасын шоғырланған жарық қисығы ретінде анықтайды. Су бетіндегі толқындар арқылы жарық сәулесі өтетін кезде әдетте толқынды каустикалар пайда болады. Тағы бір таныс каустика – радуга. Жаңбыр тамшыларының жарықты шашыратуы жарықтың әртүрлі толқын ұзындықтарын әртүрлі радиустағы доғаларға сындырады, нәтижесінде доға пайда болады.
In optics, a caustic or caustic network is the envelope of light rays which have been reflected or refracted by a curved surface or object, or the projection of that envelope of rays on another surface. The caustic is a curve or surface to which each of the light rays is tangent, defining a boundary of an envelope of rays as a curve of concentrated light. Rippling caustics are commonly formed when light shines through waves on a body of water. Another familiar caustic is the rainbow. Scattering of light by raindrops causes different wavelengths of light to be refracted into arcs of differing radius, producing the bow.
Компьютерлік графика
Компьютерлік графикада қазіргі заманғы рендеринг жүйелерінің көпшілігі каустиканы қолдайды. Олардың кейбіреулері тіпті көлемдік каустиканы да қолдайды. Бұл жарық сәулесінің мүмкін болатын жолдарын, сыну мен шағылысуды ескере отырып, сәулемен іздеу арқылы жүзеге асырылады. Фотондарды картаға түсіру – осының бір ішкі түрі. Көлемдік каустикаға көлемдік сәулемен іздеу арқылы да қол жеткізуге болады. Кейбір компьютерлік графикалық жүйелер "алға қарай сәулемен іздеу" принципі бойынша жұмыс істейді, онда фотондар жарық көзінен шығып, белгілі бір ережелерге сәйкес қоршаған ортада шағылысады. Каустикалар фотондардың жеткілікті мөлшерде бетке тиетін аймақтарда пайда болады, бұл оның сахнадағы орташа аймақтан жарықтап көрінуіне себеп болады. "Артқа қарай сәулемен іздеу" кері бағытта жұмыс істейді, беттен басталып, жарық көзіне тікелей жол бар-жоғын анықтайды. 3D сәулемен іздеу арқылы жасалған каустиканың мысалдары осы жерде кездеседі. Көптеген компьютерлік графика жүйелерінің назары физикалық дәлдіктен гөрі эстетикаға аударған. Бұл әсіресе компьютерлік ойындардағы нақты уақыт графикасы үшін маңызды, онда физикалық есептеулердің орнына көбінесе алдын ала есептелген, стандартты текстуралар қолданылады.
Каустикалық инженерия
Каустикалық инженерия компьютерлік графиканың кері есептерін шешу процесін сипаттайды. Яғни, белгілі бір кескінді бергенде, осы кескінді құрайтын жарық сыну немесе шағылысқан бетті анықтау. Бұл есептің дискретті түрінде бет бірнеше микробеттерге бөлінеді, олардың тегіс деп есептелуі шарт, яғни әрбір микробеттен шағылысқан/сынып өткен жарық Гаусс каустикасын құрайды. Гаусс каустикасы дегеніміз – әрбір микробет Гаусс таралуына бағынады. Әрбір микробеттің орналасуы мен бағыты Пуассон интеграциясы және симуляцияланған қайнатудың (simulated annealing) үйлесімі арқылы анықталады. Осы есепті шешудің көптеген әртүрлі тәсілдері бар. Бір тәсілде тасымалдау теориясынан алынған оптималды тасымалдау (optimal transport) идеясы қолданылады, ол кіріс жарық сәулелері мен мақсатты бет арасындағы бейнелеуді табуға бағытталған. Мұндай бейнелеу алынғаннан кейін, бет Снеллдің жарық сыну заңына сәйкес итеративті түрде бейімделу арқылы оңтайландырылады.
Негізгі принцип
Каустикалық өрнекті басқару өте қиын мәселе, себебі беттің ең кішкентай өзгерістері де өрнектің сапасына елеулі әсер етеді, өйткені жарық сәулелерінің бағыттары материалмен қиылысып, сынуы кезінде басқа жарық сәулелері бәсекелес болуы мүмкін. Бұл шашыраңқы, үзіліссіз өрнекке алып келеді. Бұл мәселені шешу үшін, оптималды тасымалдауға негізделген әдіс – мөлдір материалдың беті арқылы таралатын жарықтың бағыттарын өзгерту арқылы каустикалық өрнекті басқарудың ұсынылған тәсілдерінің бірі. Бұл, оптималды тасымалдауға негізделген кері оңтайландыру мәселесін шешу арқылы іске асырылады. Объектінің/өрнектің эталондық суретін ескере отырып, мақсат – жарық сынуын қамтамасыз ететін және эталондық суреттегідей ұқсас өрнекке жиналайтын материалдың бетінің математикалық сипаттамасын құру. Бұл, оңтайландыру мәселесінің минимум деңгейіне жеткенге дейін бастапқы жарық интенсивтілігін қайта реттеу/есептеу арқылы жасалады.
Жобаланған құбыр
Алдымен, мақсатты үлгі жобаланады және синтетикалық үлгіні алу үшін тікелей есептеу жүргізіледі. Ол мақсатты үлгімен салыстырылады, соның нәтижесінде шығын анықталады. Мақсаты – синтетикалық үлгінің мақсатты үлгіге мүмкіндігінше жақын болуын қамтамасыз ету. Содан кейін, кері тарату арқылы каустикалық өндірісте қолданылатын қажетті оптималданған қасиеттер анықталады.
Суретті қалыптастыруға ықпал ететін элементтер
Сыртқы көрініс: пикселдік беткі көрініс мип-карталанған текстура мен пикселдік жарқыраудың көбейтіндісі ретінде модельделеді. Геометрия: 3D кеңістік үшбұрыштар арқылы жуықталады, олар төбелері арқылы параметрленген. Камера: фокустық қашықтық, көру нүктесі, камераның центрі. Альбедо және сындыру коэффициенті сияқты қосымша элементтер де болуы мүмкін.
Жалпы дифференциалданған жүйе
U аралық айнымалы ретінде енгізілсін, ол 2D проекцияланған төбе нүктесінің координаттарын көрсетеді. Бұл қасиеттердің градиенті тізбекті ереже арқылы жанама түрде есептелуі мүмкін. Стохастикалық градиенттік төмендеуді қолданғаннан кейін , және шамалары оңтайлы мәндерге жетеді. Содан кейін, бұл шамалар мақсатты үлгіні жасау үшін материалды кесу немесе жону үшін пайдаланылады.
Іске асыру
Бір әдеттегі тәсіл – Tensorflow, PyTorch, Theano сияқты терең оқытудың автоматты дифференциалдау фреймворктары/кітапханаларында дифференциалдық операцияларды орындау мүмкіндігін пайдалану болып табылады. Тағы бір тәсіл – OpenDR фреймворкін қолданып, алға бағытталған графикалық модель құру және оптимизация үшін модель параметрлеріне қатысты туындыларды автоматты түрде алу. Оптимизация қасиеттері қол жеткен кезде, кез келген қажетті сурет жасалуы мүмкін. OpenDR ықтималдық бағдарламалау фреймворктарына енгізілетін жергілікті оптимизация әдісін ұсынады. Бұл каустикалық эффектіні шешу үшін қолданылуы мүмкін.