صندوق كورنيل

تم وصف صندوق كورنيل الأصلي بواسطة سيندي إم. جورال، وكينيث إي. تورانس، ودونالد بي. جرينبيرج في ورقتهم البحثية لعام 1984 بعنوان " نمذجة تفاعل الضوء بين الأسطح المنتشرة" ، والتي تم تقديمها في مؤتمر SIGGRAPH '84. ^{[ 3 ]}

في هذه النسخة الأولية، طُلي الجزء الداخلي باللون الأحمر والأزرق والرمادي، ولم تُوضع أي أجسام تحجب الضوء داخل الصندوق. وبدلاً من وضع مصدر ضوء في الداخل، أُضيء الصندوق بشكل غير مباشر باستخدام مجموعة من المصابيح وسطح أبيض مُشتت للضوء.

• 
  الصورة المُعالجة تظهر على اليسار، والصورة المرجعية على اليمين. كُتب برنامج تتبع الأشعة بلغة C على حاسوب VAX-11/780 فائق الصغر .
• 
  رسم تخطيطي لتكوين المشهد من نفس الورقة مع مربع كورنيل المشار إليه باسم " مكعب الاختبار " .

تم عرض الصورة باستخدام حاسوب VAX-11/780 فائق الصغر واستغرقت عملية الحساب حوالي 6 ساعات. ^{[ 6 ]}

تم إجراء هذه المحاكاة لصندوق كورنيل بواسطة مايكل إف. كوهين ودونالد بي. جرينبيرج لورقتهم البحثية لعام 1985 بعنوان " المكعب النصفي: حل الإشعاع للبيئات المعقدة" والتي تم تقديمها في مؤتمر SIGGRAPH '85. ^{[ 6 ]} سمحت تقنية المكعب النصفي بحساب عوامل الشكل باستخدام خوارزميات تحويل المسح الضوئي، والتي كانت مدعومة بالأجهزة في ذلك الوقت، وجعلت من الممكن حساب الظلال من الأجسام الحاجبة داخل المشهد.

كان هذا الإصدار من صندوق كورنيل أول إصدار يضم عناصر موضوعة بداخله - مكعب قصير على الجانب الأيسر، ومكعب طويل على الجانب الأيمن، ومصدر ضوء في منتصف "السقف". يتطابق هذا التكوين مع بيانات المشهد ^{[ 4 ]} التي شاركتها جامعة كورنيل والمذكورة في قسم بيانات المشهد . أصبح هذا التصميم مرجعًا قياسيًا وتمت إعادة إنتاجه على نطاق واسع، ولكن في العديد من الإصدارات المُعالجة لهذا المشهد، غالبًا ما يكون ترتيب المكعبات معكوسًا.

مرجع الصورة الفوتوغرافية ^{[ 7 ]}

صورة مُولّدة اصطناعياً ^{[ 7 ]}

قدم فرانسوا إكس. سيليون، وجيمس أرفو، وستيفن ويستين، ودونالد ب. جرينبيرج مساهمات كبيرة في الإضاءة العالمية في رسومات الحاسوب، لا سيما من خلال استخدام التوافقيات الكروية .

في ورقتهم البحثية التي قُدّمت عام ١٩٩١ في مؤتمر SIGGRAPH '91، بعنوان "حل إضاءة شامل لتوزيعات الانعكاس العامة" ^[ ٨ ^{] ،} عرضوا طريقةً تُوسّع نطاق محاكاة انتقال الضوء لتشمل خصائص الانعكاس المعقدة التي تتجاوز الأسطح المثالية المنتشرة أو اللامعة. استخدم هذا النهج تحليل التوافقيات الكروية لترميز دوال توزيع الانعكاس ثنائية الاتجاه (BRDFs) وتوزيعات شدة الإضاءة الاتجاهية، مما يسمح بعرض أكثر دقة وكفاءة للمواد ذات خصائص الانعكاس المعقدة. في هذا الإصدار من صندوق كورنيل، رُتّبت الكتل بتكوين معكوس، وتتميز الكتلة الطويلة بسطح عاكس (ألومنيوم) بدلاً من السطح المنتشر. ^{[ ٨ ]} لا يتوافق هذا التعديل مع بيانات المشهد ^{[ ٤ ]} التي شاركتها جامعة كورنيل، وقد يُسهم في سوء الفهم المذكور في قسم بيانات المشهد .

إن الصور المرجعية الفوتوغرافية والتركيبية الموجودة في ورقة SIGGRAPH '91 ^{[ 8 ]} ، وفي صفحة فرعية محددة على موقع جامعة كورنيل بعنوان "مقارنة مربعات كورنيل" ^{[ 7 ]} ، وفي البيانات القابلة للتكرار المقدمة رسميًا ^{[ 4 ]،} جميعها فريدة من نوعها، على الرغم من تشابهها الظاهري. تُناقش المفاهيم الخاطئة الشائعة في القسم التالي، ولكن تجدر الإشارة إلى أنه بينما تختلف الصورة التركيبية الموجودة في هذا القسم تمامًا عن المرجع التركيبي المقدم "رسميًا" ^{[ 4 ]} ، فإن المرجع الفوتوغرافي يُشبه إلى حد كبير الصورة الفوتوغرافية "الرسمية" المذكورة في قسم "الصور الفوتوغرافية" . للوهلة الأولى، يسهل ملاحظة تغيير موضع الكاميرا، بالإضافة إلى إضافة جسم مربع يحجب الضوء ويمتصه - ما يُسمى " الراية "، والتي تُستخدم غالبًا في التصوير الفوتوغرافي لتحقيق تأثير معاكس لتأثير " البطاقات العاكسة ". من المرجح أنها استُخدمت لحجب التأثيرات المشتتة الناتجة عن رؤية مصدر الضوء القوي مباشرةً من الكاميرا. هذا الجسم المثير للاهتمام غير موجود في الصورة الفوتوغرافية المقدمة رسمياً (القسم).

قام برنامج رسومات الحاسوب بجامعة كورنيل بتحميل صورة مرجعية مُعالجة . يتطابق موضع الكاميرا وتكوين مربع كورنيل مع بيانات المشهد المُقدمة ^{[ 4 ]} ، ولكن الكتل القصيرة والطويلة معكوسة أفقيًا. تحتوي الصورة المُصنّعة على تشوه في التظليل بالقرب من الزاوية اليسرى للكتلة القصيرة، مما يجعلها سهلة التمييز. لا يُقدم الموقع الإلكتروني أي تفاصيل حول طرق تتبع الأشعة أو العرض المستخدمة. لا توجد صورة فوتوغرافية متاحة للعامة للمرجع الأصلي، باستثناء الصور الفوتوغرافية التي نوقشت في القسم أدناه. ونتيجة لذلك، لا تزال الصورة المُعالجة التي تحتوي على تشوهات، والتي يزيد عمرها عن 30 عامًا، تُستخدم غالبًا كمرجع لإعادة إنشاء المشهد، على الرغم من التطورات الكبيرة في برامج وأجهزة تتبع الأشعة. بعض الأمثلة التي يمكن العثور عليها في هذه الصفحة تم تتبع مسارها باستخدام نظام العرض غير المتحيز Octane Render ، ولكن كان لا بد من إدخال عدم دقة متحيزة عمدًا لمحاكاة قيود البرامج القديمة. بدون هذه التعديلات، ستكون النتائج الحديثة دقيقة للغاية وستنحرف بشكل كبير عن المرجع المُصنّع المتاح.

يبدو الأمر متناقضاً بعض الشيء الآن: هذه الصورة المرجعية، وصندوق كورنيل نفسه، ودوره في الأبحاث التي مهدت الطريق للتطورات التي شهدتها برامج تتبع الأشعة الحديثة. يجب الآن تقييد هذه البرامج الحديثة نفسها عمداً عند إعادة إنشاء هذه الصورة، لأنها قادرة على إنتاج نتائج أكثر دقة وواقعية بكثير مما كان ممكناً في البداية.

تم إنشاء صورة كورنيل المرجعية الاصطناعية في وقت كانت فيه تقنية العرض لا تزال قيد التطوير. وتُعدّ محدودية البيانات المصدرية وغياب الصورة الفوتوغرافية الأصلية غير الاصطناعية من الأسباب الرئيسية التي تجعل صورة كورنيل، بشكلها الحالي، غير مناسبة للتطبيقات الحديثة. ورغم أن الأمر لا يبدو متناقضًا، فمن الطبيعي أن تصبح بعض أدوات الاختبار أو الأصول أو المراجع قديمة بمرور الوقت لأنها أدت وظيفتها أو ظهرت حلول أحدث. ومع ذلك، فإن إعادة إنشاء صورة قديمة مُعالجة مسبقًا لأصل ما - أُنشئت في الأصل لاختبار وتحسين الأمور - بسبب عدم توفر المرجع الأصلي، يبدو متناقضًا بعض الشيء. بالطبع، كانت هذه مبادرة من جامعة كورنيل لمشاركة البيانات المستخدمة في البحث، وعادةً ما يستخدمها أشخاص يجدونها مثيرة للاهتمام (على ما يبدو).

على مر السنين، أدت التطورات في البرمجيات والأجهزة إلى تحسينات كبيرة سمحت بجمع وقياس المراجع بدقة أكبر. اليوم، حتى صورة الملف الشخصي العادية على وسائل التواصل الاجتماعي تتمتع بدقة أعلى من المرجع الاصطناعي المُقدّم. مع ذلك، لا يزال صندوق كورنيل قطعة أثرية تاريخية مهمة ورمزًا خالدًا. فهو، من نواحٍ عديدة، بمثابة "مرحباً بالعالم!" في عالم تتبع الأشعة.

شاركت جامعة كورنيل بيانات تتطلب معالجة يدوية قبل تجميعها في صورة (مثلًا، من خلال التصوير متعدد الأطياف ). لم تُذكر تفاصيل كثيرة، باستثناء الكاميرا المستخدمة، وتطبيق سبعة مرشحات ضيقة النطاق (لالتقاط أطوال موجية متعددة من الطيف المرئي)، والمعالجة اللاحقة (تقليل التشويش وتصحيح العدسة). ذُكرت الأطوال الموجية الملتقطة بإيجاز في أسماء الملفات ، وتتوفر سبع مجموعات أحادية اللون مختلفة . لم يُذكر التكوين المحدد ووقت التقاط البيانات، باستثناء الإشارة إلى التقاطها "في تكوينها الحالي" - وهو ما يشير إلى تكوين الجهاز وقت الالتقاط، وهو أمر واضح بذاته. البيانات متاحة على الموقع الإلكتروني منذ عام ١٩٩٨ على الأقل.

الصورة النهائية المُعالجة غير متاحة للتنزيل، ولم تُنشر أي نسخ رسمية أو غير رسمية منها. لعرضها، يجب أولاً تفسير البيانات الأصلية وتجميعها. ولعدم توفر أي أمثلة على الإنترنت، تم تصميم صورة خصيصًا لهذه المقالة ونُشرت على ويكيميديا ​​كومنز ، مع بعض المعلومات الإضافية.

تمت إعادة إنشاء الصور الموضحة أدناه بعناية باستخدام البيانات المتاحة، وهي لأغراض توضيحية فقط. يمكن استخدام طرق وتقنيات مختلفة، مما يؤدي إلى نتائج متنوعة. من السهل ملاحظة أن الصورة المُجمّعة (نتيجة معالجة البيانات رقميًا) لا تتطابق مع الصورة المرجعية المُصنّعة ^{[ 𝓲 4 ]} (على سبيل المثال، يتميز السطح اللامع للكتلة الطويلة) أو بيانات المشهد ^{[ 𝓲 5 ]} (على سبيل المثال، تم تعديل موضع الكاميرا لتقليل الانعكاس المشتت على الكتلة الطويلة).

تم التقاط سبع مجموعات بيانات أحادية اللون بأطوال موجية مختلفة من الطيف المرئي. وباستخدام المعلومات المستقاة من أسماء الملفات، يمكن تحديد الأطوال الموجية الملتقطة: 700  نانومتر، 650  نانومتر، 600  نانومتر، 550  نانومتر، 500  نانومتر، 450  نانومتر، و400  نانومتر. يمكن دمج هذه المجموعات لإنشاء قنوات الأحمر والأخضر والأزرق ، والتي تُستخدم بدورها لإنتاج صورة متعددة الألوان. إحدى طرق إنشاء هذه القنوات هي تعيين أقرب الألوان المقابلة لها في الطيف المرئي. وقد تم تعيين القنوات على النحو التالي:

• القناة الحمراء: 700  نانومتر، 650  نانومتر، 600  نانومتر
• القناة الخضراء: 550  نانومتر، 500  نانومتر
• القناة الزرقاء: 450  نانومتر، 400  نانومتر

لم تُجرَ أي تعديلات أساسية، لذا لم تُجرَ أي تعديلات على التباين أو التشبع أو توازن اللون الأبيض ، وما إلى ذلك. كما لم تُجرَ أي تعديلات متقدمة (مثل تصحيحات العدسة للانحراف اللوني ). تم تطبيق الحد الأدنى من معالجة الدرجات اللونية ، ولم يتم قص أي بكسلات. تم تنقيح البكسلات المعيبة وأخطاء الالتقاط، ولكن النسخة الأصلية غير المعدلة متاحة أيضًا. تنطبق المبادئ نفسها على الصور المُولَّدة، والتي تم إنشاؤها بكاميرا ذات إزاحة طفيفة، نظرًا لعدم توفر البيانات الدقيقة لهذه اللقطة تحديدًا. لم تتم معايرة الكاميرا بشكل صحيح، وهي مُحاذية بشكل غير دقيق مع الكتلة القصيرة.

مرجع الصورة الفوتوغرافية

نسخة غير معدلة مع وجود خطأ في الالتقاط بالقرب من حواف الصورة.

نسخة محسنة مع رؤية أفضل لعناصر البناء، والغبار على السطح العاكس، والتأثيرات الكاوية الناتجة عن عدم انتظام السطح والحواف الحادة للكتلة العاكسة الطويلة.

نسخة محسّنة مع عيوب أكثر وضوحًا مثل التوهج، وانعكاس العدسة، والانحراف اللوني، وعدم المحاذاة بين لقطات الأطوال الموجية المختلفة، إلخ.

مثال تم عرضه باستخدام Octane Render

مثال يوضح انعكاسًا مشتتًا للانتباه عند استخدام إحداثيات الكاميرا الأصلية.

مثال يوضح تباينًا أضعف عند استخدام الإحداثيات الأصلية للكتل والكاميرا.

تُحدد بيانات الهندسة الأصلية المُقدمة من جامعة كورنيل بوضوح مواقع الأجسام، حيث يقع المكعب الطويل على اليمين والمكعب القصير على اليسار، كما هو موضح في قسم عوامل شكل نصف المكعب . ورغم أن تطبيقات وخوارزميات التصميم ثلاثي الأبعاد قد تُفسر المحاور بشكل مختلف، مما قد يُسبب بعض الالتباس، إلا أن هذا لا يُؤثر على سوء الفهم المُحدد في هذه الحالة. يتوفر الوصول المباشر إلى البيانات الأصلية، وعلى الرغم من فهم التكوين الصحيح، إلا أنه من غير الواضح سبب استخدام نسخة معكوسة (مقلوبة حول محور واحد) بشكل أكثر بروزًا.

لوحظ هذا التغيير لأول مرة في نسخة " التوافقيات الكروية " للصندوق. ورغم أن المؤلفين لم يعلقوا صراحةً على هذا التغيير، إلا أن تفسيراً محتملاً قد يكون أنه لولا عكس التصميم وإعادة وضع الكاميرا، لكان الانعكاس غير المتساوي على الكتلة الطويلة مشتتاً للغاية. إضافةً إلى ذلك، لو كان الجدار الأخضر ظاهراً في الانعكاس، لما كان تباينه قوياً كما هو الحال مع الجدار الأحمر على الخلفية البيضاء. ^{[ 𝓲 6 ]} قد يكون تغيير موضع العناصر والكاميرا حلاً أكثر فعالية من إعادة إنشاء الصندوق بالكامل وإعادة طلائه.

تتمثل الطريقة الدقيقة لإعداد الكاميرا وفقًا للمواصفات الأصلية في ضبط البعد البؤري على 35 مم وحجم المستشعر (بوابة الفيلم) على 25 مم. وتُقدم طرق إعداد بديلة، تشمل موضع الكاميرا ودورانها وتفاصيل أخرى ذات صلة، في وصف نموذج صندوق كورنيل ثلاثي الأبعاد المذكور في هذا القسم. ولم تُنشر الإحداثيات البديلة التي يمكن استخدامها لإعادة إنتاج الكاميرا بعد تغيير موضعها.