State of the art on atmospheric scattering

Abstract

The colour of the sky has always fascinated people throughout the ages. The blue sky, the colour of the sun, the orange of the sunsets, the clouds, etc...

For centuries, physicists and mathematicians tried to explain with formulae what artists like Leonardo da Vinci reproduced in their paintings, like the colour of the sky, the bluish colour of distant mountains, fog, and several other nature effects.

In the area of computer graphics there is a great interest in recreating these natural effects, observable everyday, as real as possible. The reproduction of these effects is essential for certain applications such as flight simulators, video-games and other scientific applications, hence, the relevance of rendering these effects in real time.

This project aims to present a state of the art on atmospheric scattering and so consolidate knowledge on the subject.

Much work has been done with the purpose of recreating these effects digitally. In result many algorithms, implemented using different techniques, are now available.

When evaluating atmospheric scattering there are several aspects that are considered such as the light source, the density and size of particles in the atmosphere, among others.

In this thesis, only daylight models will be considered and in these models, the sun is considered the only light source. The particles on the atmosphere can be divided in 2 main entities: air molecules and aerosol particles.

The phenomenon can be explained as the result of the interaction between the rays that come from the sun and the particles in the atmosphere. The most relevant interaction, regarding colour, is scattering.

The atmospheric scattering models present methods and techniques to evaluate and recreate this phenomenon. These models are very diverse but they base their techniques with the physics behind the phenomenon.

Their evolution showed a path that went from quality to efficiency. Part of this evolutionary trait came with the evolution on both hardware and software.

The early AS models had a greater concern in recreating with the most possible accuracy the atmospheric scattering phenomenon. That concern passed, over the years, to recreate this phenomenon the fastest way possible.

When talking about rendering the colours of the sky, is natural to want to render the other natural effects such as clouds and light shafts. Therefore it is also valuable to present information of some algorithms that can recreate these effects.

A cor do céu sempre fascinou as pessoas ao longo dos tempos. O azul do céu, a cor do sol, os pores-do-sol alaranjados, as nuvens, etc... Durante séculos, físicos e matemáticos tentaram explicar com fórmulas o que artistas como Leonardo da Vinci reproduziram nas suas pinturas, como a cor do céu, a cor azulada de montanhas distantes, névoa, entre outros. Na área de computação gráfica há um grande interesse em reproduzir com o maior realismo possivel estes efeitos naturais observados no quotidiano. A reprodução destes efeitos é fundamental para certas aplicações como simuladores de vôo, jogos e outro tipo de aplicações mais científicas, daí, a importância em reproduzir estes efeitos em tempo real. Este projeto tem como objetivo apresentar um estado da arte em dispersão atmosférica e assim consolidar o conhecimento sobre o assunto. Muito trabalho já foi feito com o propósito de recriar estes efeitos digitalmente. Para isso muitos algoritmos, implementados usando diferentes técnicas, foram apresentados. Ao avaliar o fenómeno de dispersão atmosférica existem vários aspectos que são considerados, tais como a fonte de luz, a densidade e tamanho de partículas na atmosfera, entre outros. Nesta tese, apenas os modelos diurnos serão considerados e nestes modelos, o sol é considerada a única fonte de luz. As particulas existentes na atmosfera podem ser divididas em dois tipos principais: moléculas de ar e aerosóis. O fenómeno pode ser visto como o resultado da interacção entre a luz que vem do sol e as partículas na atmosfera. A interação mais relevante, em relação a cor, é a dispersão. Os modelos de dispersão atmosférica apresentaram métodos e técnicas que conseguem avaliar e recriar este fenómeno. Estes modelos são diferentes entre eles, mas todos têm como base a física por de trás do fenómeno. A evolução destes modelos mostra um caminho que passou de maior qualidade para uma maior efi- ciência. Parte desta característica evolutiva veio com a evolução tanto do hardware como do software. Os primeiros modelos, tinham como preocupação principla recriar o fenómeno de dispersão atmosférica com a maior precisão possível. Essa preocupação passou, ao longo dos anos, para recriar este fenómeno da maneira mais rápida possível. Ao falar sobre como renderizar as cores do céu, é natural falar também sobre outros efeitos naturais tais como nuvens e feixes de luz. Por isso, também é importante apresentar alguns algoritmos que conseguem recriar estes efeitos.