Метод факторизации функции распределения двунаправленного отражения в трехмерных сценах

Метод факторизации функции распределения двунаправленного отражения в трехмерных сценах = The method of factorizing the function of the distribution of bidirectional reflection in three-dimensional scenes / А. Н. Романюк, С. И. Вяткин, В. В. Войтко, О. В. Романюк // Зб. наук. пр. НУК. – Миколаїв : НУК, 2020. – № 1 (479). – С. 91–96.Анотація. Функція розподілу двонаправленого відображення описує відображення світла від поверхні. Важливим є використання довільних двонаправлених відображень під час рендерингу в режимі реального часу. Метою роботи є підвищення реалістичності формування гладких поверхонь з використанням факторизації функції розподілу двонаправленого відображення в тривимірних сценах, що дає змогу адаптувати процес для використання сучасними графічними апаратними процесорами. Метод стиснення уявлення двонаправленого відображення має застосовуватися з використанням доступного зіставлення текстур і обчислювальних можливостей графічних процесорів. Наукова новизна роботи полягає в запропонованому чисельному методі гомоморфної факторизації, за допомогою якого можна розкласти довільні двонаправлені відображення на частини двох або більше факторів менших розмірностей, кожна з яких залежить від інтерпольованих геометричних параметрів. Порівняно з відомим методом факторизації на основі розкладання сингулярних значень запропонований метод генерує факторизацію тільки з позитивними факторами. Ця відмінність має велике практичне значення, оскільки робить його більш відповідним для сучасних графічних апаратних процесорів, забезпечуючи контроль над гладкістю результуючої поверхні, мінімізуючи відносну, а не абсолютну помилку, і може мати справу з розсіяними, розрідженими даними без окремого алгоритму вибірки та інтерполяції. Фізичний коефіцієнт відбиття поверхні може бути змодельований локально за допомогою двонаправленого методу функції розподілу відбивної здатності. Для однорідної поверхні вихідне випромінювання від точки в певному напрямку може бути розраховане з використанням інтеграла вхідного випромінювання над усіма вхідними напрямками. Чисельний підхід, заснований на сингулярному розкладанні, будує апроксимацію ряду, що складається з суми кількох добутків функцій. На відміну від чисельного підходу, в запропонованому методі використовується чистий добуток функцій у разі факторизації. Проєкції функцій визначають параметризацію множників відносно оригінальної параметризації двонаправленого відображення. Проєкції функцій можуть бути також нелінійними. Запропоноване роздільне уявлення функції уникає негативних чисел, що дає змогу використовувати прості і зручні в обчисленнях параметризації. Це забезпечує гнучкість запропонованого методу і зумовлює легкість його застосування на практиці.Abstract. The bidirectional reflection distribution function describes the reflection of light from a surface. It is important to use arbitrary bidirectional reflections when rendering in real-time. The aim of the work is to increase the realism of smooth surfaces using the factorization of the distribution function of bidirectional reflection in three-dimensional scenes, which allows us to adapt the process for use by modern graphic hardware processors. The bidirectional reflection representation compression method should be applied using available texture mapping and GPU computing capabilities. The scientific novelty of the work lies in the proposed numerical method of homomorphic factorization, with which it is possible to decompose arbitrary bidirectional reflections into products of two or more factors of smaller dimensions, each of which depends on the interpolated geometric parameters. Compared to the well-known factorization method based on the decomposition of singular values, the proposed method generates factorization only with positive factors. This difference is of great practical importance because it makes it more suitable for modern graphic hardware processors, providing control over the smoothness of the resulting surface, minimizing relative rather than absolute error, and can deal with scattered, sparse data without a separate sampling and interpolation algorithm. The physical reflection coefficient of a surface can be modeled locally using the bidirectional reflectance distribution function method. For a uniform surface, the outgoing radiation from a point in a certain direction can be calculated using the integral of the incoming radiation over all incoming directions. A numerical approach based on a singular expansion constructs an approximation of a series consisting of the sum of several products of functions. In contrast to the numerical approach, the proposed method uses a pure product of functions during factorization. The projections of the functions determine the parameterization of the factors with respect to the original parameterization of the bidirectional reflection. Projections of functions can also be non-linear. The proposed shared representation of the function avoids negative numbers, which allows the use of simple and easily computed parameterizations. This ensures the flexibility of the proposed method and determines the ease of its application in practice.Аннотация. Функция распределения двунаправленного отражения описывает отражение света от поверхности. Важным является использование произвольных двунаправленных отражений при рендеринге в режиме реального времени. Целью работы является повышение реалистичности формирования гладких поверхностей с использованием факторизации функции распределения двунаправленного отражения в трехмерных сценах, что позволяет адаптировать процесс для использования современными графическими аппаратными процессорами. Метод сжатия представления двунаправленного отражения должен применяться с использованием доступного сопоставления текстур и вычислительных возможностей графических процессоров. Научная новизна работы заключается в разработке метода гомоморфной факторизации, с помощью которого можно разложить произвольные двунаправленные отражения на произведения двух или более факторов меньших размерностей, каждый из которых зависит от интерполированных геометрических параметров. По сравнению с известным методом факторизации на основе разложения сингулярных значений предлагаемый метод генерирует факторизацию только с положительными факторами. Это отличие имеет важное практическое значение, поскольку делает его более подходящим для современных графических аппаратных процессоров, обеспечивая контроль над гладкостью результирующей поверхности, минимизируя относительную, а не абсолютную ошибку, и может иметь дело с рассеянными, разреженными данными без отдельного алгоритма выборки и интерполяции. Физический коэффициент отражения поверхности может быть смоделирован локально с помощью двунаправленного метода функции распределения отражательной способности. Для однородной поверхности исходящее излучение от точки в определенном направлении может быть вычислено с использованием интеграла входящего излучения над всеми входящими направлениями. Численный подход, основанный на сингулярном разложении, строит аппроксимацию ряда, состоящую из суммы нескольких произведений функций. В отличие от численного подхода, в предлагаемом методе используется чистое произведение функций при факторизации. Проекции функций определяют параметризацию множителей по отношению к оригинальной параметризации двунаправленного отражения. Проекции функций могут быть также нелинейными. Предложенное разделяемое представление функции избегает отрицательных чисел, что разрешает использовать простые и легко вычисляемые параметризации. Это обеспечивает гибкость предложенного метода и обуславливает легкость его применения на практике

Bioreplicated Light-Harvesting Layers for Photovoltaics

Die hierarchischen Mikro-/Nanostrukturen, welche die Blütenblattoberflächen einer Vielzahl von Blütenpflanzen zieren, weisen oftmals hervorragende Lichtsammlungs- sowie Selbstreinigungseigenschaften auf. Diese Qualitäten können mit Hilfe von direkten Replikationsverfahren technisch nutzbar gemacht werden, beispielsweise für die photovoltaische Stromerzeugung. Replikationsverfahren zielen darauf ab die multi-skalige Oberflächenstruktur von Blütenblättern in ein transparentes Polymer zu übertragen und auf der Vorderseite von Solarmodulen aufzubringen. Im Laufe der letzten Jahren haben sich hauptsächlich Polymerabgüsse und die sog. Soft-Imprint Nanolithographie als gängige Verfahren zur direkten Kopie von (sowohl künstlich hergestellten, als auch) natürlichen Mikro-, Nano-, und multi-skaligen Strukturen in adäquate technische Materialien, wie z.B. Polymere zur Ausnutzung ihrer hochoptimierten optischen und/oder Benetzungseigenschaften für optoelektronische Bauteile, etabliert. Eine großflächige Anwendung dieser Verfahren wurde jedoch bislang aufgrund der naturgegebenen Maximalgröße von Blütenblättern nicht etabliert. Des Weiteren kann auf Basis eines einzigen Polymerstempel nur eine limitierte Anzahl an Replikaten mit hoher Strukturqualität mittels Soft-Imprint hergestellt werden. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Überwindung dieser Hürden durch Weiterentwicklung der Replikationstechniken für pflanzliche Oberflächenstrukturen. Eine solche, in der Fläche hochskalierte Bioreplikationsmethode mit gleichzeitig erheblich gesteigertem Durchsatz wird in dieser Arbeit am Beispiel der hierarchischen Oberflächenstruktur von Rosenblütenblättern als natürliche Strukturvorlage aufgezeigt. Das vorgestellte Verfahren basiert auf der Entwicklung metallischer Prägewerkzeuge, welche in einem statischen Heißprägeprozess eingesetzt werden. Diese Entwicklung ermöglicht die Herstellung von Replikaten pflanzlicher Oberflächenstrukturen mit hoher Strukturqualität, in nie dagewesener Stückzahl, und erstmals auch in einer für eine Integration in kommerzielle Solarmodule relevanten Größe. Die hochskalierten, temperaturstabilen und mechanisch robusten Prägewerkzeuge werden dabei per galvanischer Nickelabscheidung hergestellt. Die primäre Strukturvorlage für diesen Prozess wird dabei durch vorsichtige Aneinanderreihung mehrerer natürlicher Rosenblütenblätter zu einer möglichst lücken- und nahtlos strukturierten Einheit erzeugt. Der Heißprägeprozess zur Herstellung hochskalierter Polymerreplikate der Rosenblütenblattstruktur wird anhand von drei verschiedenen, transparenten Folienmaterialien diskutiert. Sowohl für Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), und Fluorethylen-Propylen (FEP) wird mit Hilfe des entwickelten Replikationsverfahrens eine hervorragende Strukturtreue über mehrere Längenskalen hinweg, vom sub-Mikrometer Bereich bis hin zu makroskopischen Merkmalen, mit gleichzeitig nahezu durchgängiger Strukturierung bei einer gesamten Strukturfläche von bis zu 12.5 cm×10.0 cm pro Replikat erzielt. Als vorderseitige Beschichtung für Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) Solarzellen erweisen sich heißgeprägten Rosenreplikate als effektive Antireflex- und Light-Trapping-Maßnahme für einen breiten Spektralbereich und besonders für Lichteinfallswinkel >50°. Mit heißgeprägten Rosenreplikaten aus PMMA lässt sich sogar bei senkrechtem Lichteinfall eine gegenüber einer optimierten Magnesiumfluorid (MgF2) Antireflexbeschichtung verbesserte Antireflexwirkung feststellen. Optoelektronische Messungen bestätigen, dass sich diese Reflexionsverminderung auch entsprechend auf die Nennleistung der Solarzellen auswirkt, mit einer um im Mittel um 5.7%±0.6% gesteigerten Umwandlungseffizienz (verglichen mit den jeweiligen Solarzellen vor Aufbringung der Antireflexschichten) im Falle von PMMA Rosenreplikaten und 4.5%±1.6% für MgF2 Dünnschicht-Antireflexbeschichtungen. Weiter wird gezeigt, dass heißgeprägte Rosenreplikate auch mit wasserabweisenden Eigenschaften (mit einem statischer Kontaktwinkel von 134.4°±4.3°) erzeugt werden können, sogar ohne dabei auf zusätzliche Schritte zur Oberflächenmodifikation zurückgreifen zu müssen. Dazu wird als Ausgangsmaterial für den Heißprägeprozess ein Polymermaterial mit geringer freier Oberflächenenergie benötigt, was beispielsweise bei FEP gegeben ist. Wassertropfen, die auf geneigte FEP Rosenreplikate fallen, perlen von diesen sofort und restlos ab, was auf eine potentielle Eignung von FEP Rosenreplikaten zur Produktion selbstreinigender Solarmodule hindeutet. Der Leistungszuwachs, der durch die Anwendung der hochskalierten PMMA Rosenreplikate bewirkt wird, wird des Weiteren auch unter realistischen Betriebsbedingungen über neun Monaten Betrieb unter Außenbedingungen in Karlsruhe (Deutschland) untersucht, und zwar für 10 cm×10 cm CIGS und siliziumbasierte Solarmodule unter verschiedenen Modulneigungswinkeln und Modulorientierungen. Besonders hohe Steigerungen der täglichen Energieausbeute verglichen mit einem Referenzmodul ohne strukturierte Polymerfolie von bis zu deutlich über 10% werden dabei vor allem unter Aufstellbedingungen gemessen, die mit viel direkter Sonneneinstrahlung unter schrägem Lichteinfall einhergehen. Mit Hilfe beschleunigter Alterungs- und Abnutzungstests, welche standardisierten Testprotokollen aus der PV Industrie nachempfunden sind, wird außerdem auf die potentielle Langzeiteignung solch strukturierter Folien auf Solarmoduloberflächen hingewiesen. Außerdem werden die optischen Eigenschaften typischer Blütenblattstrukturen auf Solarzellen mit Hilfe einer speziell entwickelten 3D Mikrostruktur-Modellierungs- und Simulationsroutine, basierend auf Monte-Carlo-Raytracing und der Transfer-Matrix-Methode, hinsichtlich des Einflusses ungeordneter Strukturbausteine auf die Lichteinkopplungseigenschaften im Detail diskutiert. Durch Variation der Stärke der strukturellen Unordnung sowohl in der Höhe, der Anordnung, als auch der Neigung der Strukturbausteine der betrachteten, Blütenblattepidermis-inspirierten Mikrostrukturen lässt sich zeigen, dass ihre winkelabhängigen Reflexionseigenschaften nur schwach von Unordnung abhängen und in erster Linie vom mittleren Aspektverhältnis und der mittleren Packungsdichte der Strukturbausteine bestimmt werden. Schließlich werden die Polarisationseigenschaften von an Solarmodulen reflektiertem Licht hinsichtlich der möglichen schädlichen Auswirkungen auf polarotaktische Insektenarten diskutiert. Die vorderseitige Glasabdeckung herkömmlicher Solarmodule reflektiert aufgrund ihrer glatten Oberfläche linear polarisiertes Licht, wobei der Polarisationsgrad vom Einfallswinkel/ Betrachtungswinkel abhängt (vollständige lineare Polarisation bei Betrachtung unter dem Brewster-Winkel). Unbeabsichtigt wird dadurch der Insektenfauna geschadet, da polarotaktische Insekten Solarmodule als solche nicht erkennen und diese fälschlicherweise oft als Gewässer identifizieren, was dann beispielsweise eine Eierablage an einem ungeeigneten Ort und damit den Verlust der Nachkommen zur Folge haben kann. Experimente im Freifeld zeigen jedoch erstmals, dass keinerlei derartige schädliche Anziehungswirkung auf polarotaktische Eintagsfliegen (Ephemeroptera: Ephemera danica) und Bremsen (Diptera: Tabanidae) im Falle von PMMA Rosenreplikaten auf Solarmodulen zu befürchten ist. Basierend auf bildgebender Polarimetrie und Monte-Carlo-Raytracing-Simulationen werden diese Resultate auf die optischen Eigenschaften mikrostrukturierter Oberflächen zurückgeführt

Shining Light on The Phase Transitions of Vanadium Dioxide

The salient feature of the familiar structural transition accompanying the thermally-driven metal-insulator transition in bulk vanadium dioxide (VO2) is a pairing of all the vanadium ions in the monoclinic M¬1 insulating phase. Whether this pairing (unit cell doubling) alone is sufficient to open the energy gap has been the central question of a classic debate which has continued for almost sixty years. Interestingly, there are two less familiar insulating states, monoclinic M2 and triclinic, which are accessible via strain or chemical doping. These phases are noteworthy in that they exhibit distinctly different V-V pairing. With infrared and optical photon spectroscopy, we investigate how the changes in crystal structure affect the electronic structure. We find that the energy gap and optical inter-band transitions are insensitive to changes in the vanadium-vanadium pairing. This result is confirmed by DFT+U and HSE calculations. Hence, our work conclusively establishes that intra-atomic Coulomb repulsion between electrons provides the dominant contribution to the energy gap in all insulating phases of VO2. VO2 is a candidate material for novel technologies, including ultrafast data storage, memristors, photonic switches, smart windows, and transistors which move beyond the limitations of silicon. The attractiveness of correlated materials for technological application is due to their novel properties that can be tuned by external factors such as strain, chemical doping, and applied fields. For advances in fundamental physics and applications, it is imperative that these properties be measured over a wide range of regimes. Towards this end, we study a single domain VO2 crystal with polarized light to characterize the anisotropy of the optical properties. In addition, we study the effects of compressive strain in a VO2 thin film in which we observe remarkable changes in electronic structure and transition temperature. Furthermore, we find evidence that electronic correlations are active in the metallic rutile phase as well. VO2 films exhibit phase coexistence in the vicinity of the metal-insulator transition. Using scanning near-field infrared microscopy, we have studied the patterns of phase coexistence in the same area on repeated heating and cooling cycles. We find that the pattern formation is reproducible each time. This is an unexpected result from the viewpoint of classical nucleation theory that anticipates some degree of randomness. The completely deterministic nature of nucleation and growth of domains in a VO2 film with imperfections is a fundamental finding. This result also holds promise for producing reliable nanoscale VO2 devices

Caracterización estructural y funcional de películas delgadas nanoporosas mediante microscopías electrónicas de transmisiónbarrido y espectroscopías ópticas

Nano-structuration of materials at the mesoscale to give rise to porosity-controlled coatings represents an important breakthrough in the area of Materials Science and Engineering, offering new and enhanced functionalities of interest in fields such as optics, optronics and optoelectronics. In order to optimize their performances, in-depth analyses are required: local information about the morphology, composition and atomic structure, the compactness distribution, but also layer homogeneity, interface and interpenetration between stacked layers or oxidation are extremely important factors that can ruin their way of operation. In this particular context, the objective of the present PhD Thesis is to make significant contributions to the study and development of multifunctional porous nanostructured systems, from their design and elaboration, to the maximum knowledge of their structure and properties, through advanced (S)TEM methods, including 3D reconstructions, elemental analyses at the nanoscale and atomic-scale imaging, combined with optical spectroscopy techniques. In the first instance, given the great potential of the slanted nanostructures generated by means of oblique angle depositions, in which the refractive index gradient can be tuned by the columns tilt and density imposed via the growth angles and parameters, OAD broadband antireflective coatings based on Si, Ge or SiO2 OAD films have been designed, manufactured, and extensively characterized with the aim of maximizing the performance of the optical elements in the vis-IR wavelength range. This same approach has also been implemented to enhance the antireflective capabilities of transparent conductive ITO thin films in the near-IR window without compromising too much their electrical response. On the other hand, the advanced structural and functional characterization of porosity-controlled GaN NW arrays grown by plasma-assisted MBE through (S)TEM methods and vis-IR SE elliposmetry, has helped not only to improve growth processes but also to optimize their resulting optical and electrical properties. Finally, the knowledge and methodologies acquired during the study and optimization of the previous porous systems have been transferred to the development of a two-step procedure, based on the deposition and the subsequent fast oxidation of vanadium-based OAD films in open air atmosphere, for the synthesis of thermochromic VO2 coatings of tunable metal-to-insulator response and controlled grain sizes and crystallinities

Rapid wide-field imaging of soft-tissue microstructure

Tissue microstructure is pivotal in determining the function, behavior, and disease state of biological tissues. Histology and advanced optical techniques are commonly used to examine the cellular, extracellular, and subcellular constituents that define tissue microstructure. However, these techniques frequently require tedious and destructive tissue preparations and lengthy imaging times, or have limited fields of view. Therefore, it is challenging to study soft-tissue microstructure within the macroscopic spatial and temporal context of tissue- and organ-level function. Wide-field imaging techniques provide a non-destructive alternative to rapidly assess tissue microstructure across macroscopic fields of view. Rather than resolving microstructure directly, these techniques are sensitive to light-scattering characteristics of tissue that indicate the underlying microstructure. This dissertation develops light-scattering models to interpret tissue microstructure from light-scattering across macroscopic fields of view rapidly and non-destructively. The first half of the dissertation uses spatial frequency domain imaging (SFDI) to quantify the sub-diffuse light-scattering characteristics of tissues that are intrinsically linked to microstructure. It then introduces a novel empirical model which allows rapid fitting of SFDI data and is sensitive to changes in microparticle size. This technique is then demonstrated as a potential surgical guidance tool for Mohs Micrographic Surgery by rapidly and non-destructively demarcating tumor boundaries in skin biopsies. The imaging and processing speeds achieved with this technique can improve clinical workflows, particularly tissue-conserving surgical procedures, which are currently hindered by the time necessary to determine tumor boundaries using histopathology. Improvements to this technique by use of higher spatial frequencies are also considered. The second section investigates polarization-dependent scattering in tissues that is a result of collagen fiber microstructure. An experimentally-validated computational model is developed to allow direct conversion of polarized-light measurements into absolute measures of collagen fiber alignment in tissues. Furthermore, a combined polarized light SFDI system (pSFDI) is demonstrated to measure distinct fiber alignments in multi-layered tissue samples. The increased speed and versatility of this system is employed to map wide-field microfiber kinematics during mechanical tissue deformation. This technique enables direct examination of the contributions of local fiber kinematics to tissue- and organ-level scales of growth and remodeling.Biomedical Engineerin

SCANNING ACOUSTIC MICROSCOPY MODELING FOR MICROMECHANICAL MEASUREMENTS OF COMPLEX SUBSTRATES

The Scanning Acoustic Microscope (SAM) is a powerful tool for understanding the mechanical characteristics of substrates with micro-scale near-surface graded layers. To interpret the SAM results from such substrates, a theoretical model was developed that incorporated the interaction of focused ultrasonic field, with a substrate having a near-surface graded layer. The focused ultrasonic field model was formulated in terms of spherical wave expansions. The substrate wave propagation was computed with a multilayered stiffness method. The bridging between the two models was accomplished by utilizing the angular spectrum. A commercial SAM was used to characterize a dentin substrate subjected to acid-etching. Calibration and a homotopic measurement protocol were developed for data accuracy and meaningful data comparison from pre and post etching states. The reflection coefficients from the SAM measurement for the etched dentin exhibited frequency dependent attenuation. The developed theoretical model was successfully applied to explain the observed frequency dependent phenomenon

FWP executive summaries, Basic Energy Sciences Materials Sciences Programs (SNL/NM)

The BES Materials Sciences Program has the central theme of Scientifically Tailored Materials. The major objective of this program is to combine Sandia`s expertise and capabilities in the areas of solid state sciences, advanced atomic-level diagnostics and materials synthesis and processing science to produce new classes of tailored materials as well as to enhance the properties of existing materials for US energy applications and for critical defense needs. Current core research in this program includes the physics and chemistry of ceramics synthesis and processing, the use of energetic particles for the synthesis and study of materials, tailored surfaces and interfaces for materials applications, chemical vapor deposition sciences, artificially-structured semiconductor materials science, advanced growth techniques for improved semiconductor structures, transport in unconventional solids, atomic-level science of interfacial adhesion, high-temperature superconductors, and the synthesis and processing of nano-size clusters for energy applications. In addition, the program includes the following three smaller efforts initiated in the past two years: (1) Wetting and Flow of Liquid Metals and Amorphous Ceramics at Solid Interfaces, (2) Field-Structured Anisotropic Composites, and (3) Composition-Modulated Semiconductor Structures for Photovoltaic and Optical Technologies. The latter is a joint effort with the National Renewable Energy Laboratory. Separate summaries are given of individual research areas

Protective and Functional Coatings for Metallic and Ceramic Substrates

This selection of ten papers, published in 2019 by researchers and institutions based in various countries around the world, allows an appreciation of the variety and significance of ongoing research in the wide field of protective and functional coatings. The most noteworthy investigations conducted in the area of surface protection are currently proceeding at a similar rapid pace in a twofold direction toward deeper and increasingly reliable knowledge of degradation and protection mechanisms as well as technological optimization of the selection and design of new materials, coating deposition processes, and characterization methods. This summarized collection serves as a representative essay of the collective worldwide efforts toward the development of more durable surfaces. Both organic and inorganic coatings are included among the protection strategies from a large variety of deposition processes, with interesting examples of organic–inorganic composites being proposed. Major attention is devoted to protection from both electrochemical and chemical corrosion of different metallic alloys and to advanced SiC-SiC composites exposed to the aggressive environments of gas turbines. Examples of modelling of wear corrosion examples are also reported. A dedicated space was intentionally devoted to the selection of papers detailing examples of the applicability of advanced characterization techniques. As an example of the wide field of research on innovative functional coatings, one study presents Mo alloys as an electrocatalytic material for the hydrogen evolution reaction. A comprehensive review of directed energy deposition additive manufacturing of metallic components completes this collection