Existem materiais comuns que não são bem representados pelo RGB?


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Nos gráficos, usamos RGB e outros espaços de cores como uma aproximação ao espectro completo de comprimentos de onda da luz. Obviamente, isso funciona muito bem em geral, mas existem objetos / materiais / fenômenos razoavelmente comuns, coisas que você pode encontrar em sua vida cotidiana, cuja aparência não é bem representada pela renderização RGB devido a um espectro de emissão / reflexão / absorção complexo ?

Embora as respostas atuais estejam focadas principalmente em cores fora de uma determinada gama RGB, também estou interessado em saber se existem exemplos em que, por exemplo, a cor de um objeto parece "errada" quando renderizada em RGB devido a uma interação entre o espectro da fonte de luz e espectro de reflexão do objeto. Em outras palavras, um caso em que um renderizador espectral forneceria resultados mais corretos.


Crédito: gostei dessa pergunta na versão beta privada anterior, por isso estou reproduzindo aqui. Foi originalmente solicitado por Nathan Reed


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Lembrei-me deste artigo que li há algum tempo. Os autores comparam resultados espectrais e renderizados com RGB com diferentes iluminantes. Infelizmente, a comparação é feita em uma cartela de cores, então não tenho certeza de quanto as diferenças afetam as cenas da vida real. cg.cs.uni-bonn.de/en/publications/paper-details/…
yuriks

A lei de Beer (absorção de cor através de um objeto transparente a distância) é difícil de modelar com rgb.
121315 Alan Wolfe

@trichoplax Desculpe pelo barulho!
Luser droog

@luserdroog obrigado pelo interesse :) Mesmo que esta questão é apenas sobre os materiais, que poderia fazer com novas questões relacionadas com espaços de cor ...
Trichoplax

Respostas:


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Existem vários tipos diferentes de limitações a serem consideradas.

Efeitos para os quais o caminho de um raio depende do seu comprimento de onda

Essa é uma classe de efeitos para a qual a renderização espectral é necessária, e vários exemplos interessantes já foram dados na resposta de Benedikt Bitterli . Um exemplo simples é um prisma que divide a luz branca em um espectro, fornecendo cores do arco-íris. Raios de diferentes comprimentos de onda são refratados por diferentes ângulos à medida que passam pelo prisma, resultando na luz que atinge a parede atrás do prisma sendo dividida em suas cores constituintes.

Isso significa que na vida real, o brilho da luz amarela monocromática através de um prisma resultará na saída da luz amarela, mas o brilho de uma mistura de luz vermelha e verde que se aproxima do amarelo resultará em luz vermelha e verde separada. Ao renderizar usando apenas três cores primárias, a luz branca será dividida em apenas essas três cores, dando efeitos de arco-íris que parecem descontínuos e a luz monocromática que não deve ser dividida será dividida em seus componentes de cores primárias aproximados. A divisão da luz branca pode ser melhorada usando um número maior de cores primárias, mas isso ainda dará descontinuidades de perto, e os resultados da luz monocromática ainda serão divididos, embora de maneira mais restrita. Para resultados precisos, um espectro contínuo deve ser amostrado,

Efeitos de superfície que não podem ser capturados em uma única imagem estática

A iridescência , por exemplo, mostra uma cor diferente para cada olho, para que uma imagem estática não pareça a mesma do objeto original. Existem muitos exemplos do cotidiano que você pode não perceber a princípio. Muitos pássaros comuns têm penas iridescentes, embora pareçam pretos ou cinza à distância. De perto, eles são surpreendentemente coloridos.

Um renderizador que usa apenas três cores primárias não poderá produzir a difusão da luz com base no comprimento de onda necessário para esse efeito. Um renderizador espectral pode simular a propagação corretamente, mas o efeito total ainda não pode ser capturado em uma única imagem. Mesmo uma fotografia em 2d não pode capturar isso corretamente, enquanto uma fotografia em 3D de um objeto iridescente dará esse efeito cintilante, pois as fotografias correspondentes aos olhos esquerdo e direito terão cores diferentes. Essa é uma limitação das imagens 2D, em vez do próprio espaço de cores RGB. No entanto, mesmo em uma imagem 3d, haverá cores no objeto iridescente que não são exibidas corretamente, devido à incapacidade do RGB de exibir cores monocromáticas, conforme descrito abaixo.

Cores que o olho humano pode detectar e não podem ser exibidas em RGB

O RGB era historicamente dependente do dispositivo e, portanto, não confiável entre plataformas. Existem melhorias perceptualmente uniformes independentes do dispositivo, como o Lab do espaço de cores , mas ainda são tricromáticas (com 3 componentes). Não é imediatamente óbvio por que três componentes são insuficientes para exibir todas as cores que podem ser percebidas por um olho tricromático, mas este artigo explica bem e de forma acessível. Na página 7:

Por exemplo, usando um sistema moderno de exibição a laser com primárias monocromáticas a 635 nm (vermelho), 532 nm (verde) e 447 nm (azul), vamos ver se podemos simular a percepção de uma luz monocromática a 580 nm (uma cor laranja). Como o estímulo monocromático laranja excita os cones esverdeados e avermelhados, uma contribuição é requerida pelas primárias verde e vermelha, enquanto nenhuma contribuição é requerida do primário azul. O problema é que o primário verde também excita os cones azulados, tornando impossível replicar exatamente o estímulo laranja

O diagrama das sensibilidades dos cones do olho humano (também na página 7) mostra a amplitude da sobreposição e ajuda a visualizar essa explica��ão. Eu incluí um gráfico semelhante da Wikipedia aqui: (clique no gráfico para a localização da Wikipedia)

Gráfico das sensibilidades dos 3 cones diferentes no olho humano

Em resumo, a sobreposição entre a gama de cores que pode ser captada por cada um dos três cones diferentes (sensores de cores) do olho humano significa que uma cor monocromática pode ser distinguida de uma mistura aproximada de cores primárias e, portanto, misturando cores primárias. as cores nunca podem exibir com precisão todas as cores monocromáticas.

Essa diferença geralmente não é perceptível na vida cotidiana, pois a maioria de nossos arredores emite ou reflete luz através de uma ampla gama de frequências, em vez de cores monocromáticas únicas. No entanto, uma exceção notável são as lâmpadas de sódio. Se você mora em uma parte do mundo que usa essas luzes da rua amarelo-laranja, a luz emitida é monocromática e parecerá sutilmente diferente de uma fotografia impressa ou uma imagem na tela. O comprimento de onda da luz de sódio passa a ser os 580 nm do exemplo citado acima. Se você não mora em algum lugar com iluminação pública de sódio, pode ver a mesma luz de comprimento de onda borrifando sal de mesa finamente triturado (cloreto de sódio) sobre uma chama. Os pontos de luz amarelos cintilantes não podem ser capturados com precisão no filme ou exibidos na tela. Quaisquer que sejam as três cores primárias que você escolher,

Observe que essa limitação se aplica igualmente à mistura de 3 cores primárias de tinta, ao uso de 3 produtos químicos fotorreativos em um filme de câmera ou a uma fotografia com uma câmera digital com 3 sensores de cores diferentes ou um sensor único com 3 filtros de cores primárias diferentes. Não é apenas um problema digital e não se restringe apenas ao espaço de cores RGB. Mesmo as melhorias introduzidas pelo espaço de cores do Lab e suas variantes não podem recuperar as cores ausentes.

Efeitos diversos

Várias reflexões difusas (sangramento de cor)

Se uma superfície mate colorida estiver perto de uma superfície branca mate, a superfície branca mostrará um pouco da cor da outra superfície. Isso pode ser modelado razoavelmente bem usando componentes puramente vermelhos, verdes e azuis. A mesma combinação de vermelho, verde e azul que deu a cor da superfície colorida pode refletir a superfície branca e mostrar um pouco dessa cor novamente. No entanto, isso só funciona se a segunda superfície for branca. Se a segunda superfície também for colorida, o sangramento da cor será impreciso, em alguns casos drasticamente.

Imagine duas superfícies com uma cor semelhante. Um reflete uma faixa estreita de comprimentos de onda em torno do amarelo. O outro reflete uma ampla gama de comprimentos de onda entre vermelho e verde e, como resultado, também parece amarelo. Na vida real, a luz que aparece em uma superfície devido à outra não será simétrica. A maior parte da luz que atinge a superfície do amplo intervalo de comprimento da outra será refletida novamente, pois o intervalo estreito de comprimentos de onda recebidos está dentro do intervalo mais amplo. No entanto, a maior parte da luz que atinge a superfície da faixa estreita de comprimentos de onda estará fora da faixa estreita e não será refletida. Em um renderizador RGB, ambas as superfícies serão modeladas como uma mistura de vermelho monocromático e verde monocromático, não dando diferença na luz refletida.

Este é um exemplo extremo em que a diferença será notada instantaneamente aos olhos, mas haverá pelo menos uma diferença sutil na maioria das imagens que incluem sangramento de cor.

Materiais que absorvem um comprimento de onda e emitem outro

A resposta de joojaa descreve a absorção da luz ultravioleta pela neve, a ser reemitida como luz visível. Eu nunca tinha ouvido isso acontecer com a neve antes (e, frustrantemente, não consegui encontrar nenhuma evidência para apoiá-la - embora isso explique por que a neve é ​​"mais branca que a branca"). No entanto, existem muitas evidências de que isso acontece com uma ampla variedade de outros materiais, alguns dos quais são adicionados a roupas para lavar detergentes e papel, para dar uma cor branca extra brilhante. Isso permite que a luz visível total que sai de uma superfície seja maior que a luz visível total recebida por essa superfície, que novamente não é modelada bem usando apenas RGB. Se você quiser ler mais sobre isso, o termo a ser pesquisado é Fluorescência .

Olhos com mais de 3 cores primárias

Existem animais com mais de 3 tipos de cones nos olhos, permitindo perceber mais de 3 cores primárias. Por exemplo, muitos pássaros, insetos e peixes são tetracromatos , percebendo quatro cores primárias. Alguns são até pentacromatos , percebendo cinco. O intervalo de cores que essas criaturas podem ver diminui o alcance exibido usando apenas RGB. Muito além deles, está o camarão mantis , que é um dodecachromat, vendo cores baseadas em 12 cones diferentes. Nenhum desses animais seria satisfeito com uma tela RGB.

Mas, mais seriamente, mesmo para imagens destinadas aos olhos humanos, acredita-se que existem tetracromatos humanos que veem em quatro cores primárias e possivelmente alguns que veem até 5 ou 6. Atualmente, essas pessoas parecem não estar presentes. em número suficiente para tornar as exibições com mais de três cores primárias comercialmente viáveis, mas se no futuro se tornar mais fácil identificar quantas cores primárias uma pessoa pode ver, isso poderá se tornar uma característica atraente, levando a que ela se espalhe por toda a população nas gerações futuras. Portanto, se você deseja que seus bisnetos apreciem seu trabalho, talvez seja necessário torná-lo compatível com um monitor hexacromático ...


Não é realmente relevante para esta pergunta, mas relacionado: se você deseja ver cores que não estão disponíveis no mundo real ou em imagens RGB, dê uma olhada em Cores quiméricas ...


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Acredito que o efeito espectral mais proeminente que não pode ser fielmente reproduzido com RGB é a dispersão , causada por dielétricos com índice de refração espectralmente variável (geralmente modelado com a equação de Sellmeier ).

Outros fenômenos espectrais são geralmente causados ​​por efeitos de ondas. Um exemplo que é encontrado na vida real de vez em quando é a interferência de película fina , causada por uma ou mais superfícies reflexivas em camadas próximas umas das outras (por exemplo, manchas de óleo, bolhas de sabão). Outro efeito de onda que às vezes pode ser observado é a difração , causada, por exemplo, por grades de difração , que é o que causa a aparência descolada dos CDs.


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O RGB funciona porque é assim que o nosso aparelho sensorial funciona. Além da dispersão, alguns materiais artificiais e corpos de insetos às vezes têm superfícies com faixas de cores muito apertadas. Eles podem se beneficiar de uma renderização de amplo espectro.

No entanto, como muitos desses efeitos são bem localizados, você pode fazer com que o shader funcione de maneira estranha. Isso não funciona direito em reflexões e refrações, mas é provável que ninguém perceba. A menos que você esteja fazendo alguma simulação de física, isso não é realmente um grande problema. Mas se você projetar óptica, isso pode ser um grande problema.

Alguns materiais, como a neve, também convertem o ultravioleta recebido em luz visível. Novamente, esse tipo de efeito geralmente pode ser tratado por shaders / grupos de luz especiais.

Asas de borboleta também são uma curiosidade, pois manipulam as fases das ondas e as formas da luz que chega. Então, se você quer fazer uma simulação de física, é importante.

A polarização da luz também é um grande fator nos efeitos dos insetos e da água.


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Apenas para acrescentar às excelentes sugestões acima, ocorreu-me que, sem um canal ultravioleta, seria difícil modelar materiais fluorescentes.


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Isso parece ser mais um comentário do que uma resposta. Talvez você possa explicar por que os materiais fluorescentes dependem de um canal ultravioleta e fornecer algumas referências?
Martin Ender

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Eu mencionei isso no meu post, apenas não usando a palavra fluorescente. De qualquer forma, isso pode ser realizado no nível do sombreador.
Joojaa 13/08/2015

@joojaa: Desculpe .. perdi isso. Eu excluiria minha postagem se houvesse um botão óbvio para fazer isso. No entanto, tendo dito isso, eu diria que você ainda precisará de canais extras em outros lugares (e não apenas shaders) para lidar com isso, por exemplo, geração instantânea de mapas do ambiente.
Simon F

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Exclua ou não exclua, o mesmo para mim. Prefiro vê-lo expandi-lo., Não há nada de errado em apoiar evidências e dizer coisas de forma diferente, desde que você contribua com melhor clareza ou novas informações.
Joojaa
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