Pseudochromatic colourisation of crystals in predictive image synthesis

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation erläutern wir die Ursache von Farbeffekten in Kristallen sowie deren physikalisch korrekte Umsetzung in der Computergrafik. Von Kristallen hervorgerufene optische Effekte wurden bislang nicht oft in computergrafische Anwendungen inkludiert, weil ihre Herleitung oft kompliziert und ihre Berechnung zeitaufwändig ist. Im Rahmen dieser Arbeit werden wir hauptsächlich auf pseudochromatische Farbeffekte eingehen. Diese Effekte entstehen nicht durch Interaktion des Lichts mit den Elektronen des Kristalls, sondern haben ihren Ursprung darin, daß Licht mit Strukturen interagiert, deren ungefähre Größe die der Wellenlänge des Lichts entspricht. Die darauf resultierenden optischen Phänomene werden Dispersion, Asterismus und Chatoyance, Aventureszenz, Opaleszenz und Labradoreszenz genannt. Die Formeln, die wir hergeleitet haben, können direkt in einen Ray Tracer eingebaut werden. Ihre Verwendbarkeit wird anhand von Testszenen demonstriert.

In this thesis we present the theoretical background and the realisation of colour effects in crystals which allows one to generate physically plausible images of crystals for predictive image synthesis.<br />Some of the optical effects which are typical for such objects have not been included in computer graphics applications very often so far, mainly because they are complicated to derive and costly to calculate. In this work we will concentrate our attention primarily on pseudochromatic colourisation of crystals; these effects do not have their origin in electron interactions, but in the interaction of light with structures similar in size to the wavelength of light. The optical phenomena are known as dispersion, asterism and chatoyance, aventurescence, opalescence and labradorescence. The formulas we derive can be directly used in a ray tracer, and we demonstrate these capabilities in several test scenes.