Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Закраска методом Фонга



Аналогично методу Гуро используется интерполяция. Но интерполируется не освещенность по известным значениям опорных точек, а вектор внешней нормали, который используется для расчета интенсивноcти пиксела. Поэтому метод требует большего объема вычислений. Но изображение получается более естественным.

Для каждой точки строится вектор, играющий роль внешней нормали. Далее применяется формула. Схема интерполяции аналогична методу Гуро. Для определения псевдонормали в некоторой точке (точке V через эту точку проводится горизонтальная прямая. Она пересекается с ребрами в точках Р и Q. Пусть вектор псевдонормалей в этих точках соответственно Np и Nq . Тогда

Nw= ((1-t)*Np+t*Nq)/ |((1-t)*Np+t*Nq) t= |PW|/|PQ|

Нормирование вектора Nw необходимо, т.к. в формулы входит единичный вектор нормали.

Векторы внешних нормалей (псеводнормалей) в точках Р и Q находятся также линейной интерполяцией, но по векторам нормалей концов соответствующих ребер.

 

 

Np= (1-u)*Nv4+u*Nv1 Nq=(1-v)*Nv1+u*Nv2 u= |V4P|/|V4V1| v= |V1Q|/|V1V2|

На многогранной модели строится условно непрерывное (с учетом шага дискретизации) поле единичных векторов, которое используется как поле внешних нормалей. Это обеспечивает гладкость изображения. Качество определяется компромиссом между величиной дискретизации и вычислительными ресурсами.

Методы Гуро и Фонга сравнительно просты. Но они не всегда обеспечивают приемлемое качество.

34. Основы метода трассировки лучей.

Это наиболее распространенный метод. Он позволяет строить фотореалистические изображения слож­ных сцен с учетом отражения и преломления.

Свет распространяется от источника по прямолинейным траекториям, образуя конус с вершиной в ис­точнике. Для простоты считаем источник точечным. Попав на некоторый объект, луч преломляется (уходит внутрь объекта) или отражается (рассеивается диффузно - равномерно или зеркально - концентрированным пучком). Рассеянный луч также распространяется прямолинейно до попадания на следующий объект. Часть лу­чей попадает в глаз наблюдателя, формируя на сетчатке глаза изображение

В случае компьютера перед глазом помещается картинная плоскость (экран), где формируется изобра­жение. Каждый луч, попадающий в глаз, проходит через некоторую точку экрана. Следовательно, для каждой точки надо проследить путь распространения света от его источника (трассу). Отсюда - название метода.

Процесс отслеживания всех лучей, выпущенных из каждого источника, с учетом отражения и прелом­ления -ПРЯМАЯ ТРАССИРОВКА ЛУЧЕЙ. Она неэффективна, т.к. изображение формируется лишь не­большой частью лучей, возникают лишние вычисления. Чтобы использовать только существенные лучи. приме­няетсяОБРАТНАЯ ТРАССИРОВКА, где прослеживаются лучи от гл;п;1 наблюдателя до пересечения с объ­ектами сцены и далее в направлении к источнику. В компьютерной графике применяется обратная трассировка.

Цвет точки экрана определяется долей световой энергии, попадающей в эту точку и покидающей ее в направлении глаза. Таким образом, необходимо найти освещенность точки. Для этого из нее выпускаются лучи в направлении источников света. Эти линии пересекаются с другими объектами сцены и т.д.

Основная задача метода трассировки лучей - определение освещенности произвольной точки и той час­ти световой энергии, которая уходит в заданном направлении (в направлении наблюдателя или другого объек­та). Эта энергия складывается из непосредственной (первичной) освещенности от источника света и вторичной освещенности от других объектов. Очевидно, что доля первичной освещенности существенно выше всех других. Поэтому обычно первичная и вторичная освещенность рассматриваются по-разному.

Расчет освещенности и распространения света основан на законах физики Свет имеет волновую приро­ду и рассматривается как поток частиц или электромагнитная волна. Интенсивность определяется амплитудой волны, цвет — частотой или длиной волны. Распространение света описывается уравнениями Максвелла.

Произвольный луч света практически не бывает монохромным.. Он состоит, из волн различной длинны. Интенсивность различных волн показывает спектральный анализ. Но поскольку основная цветовая палитра состоит из трех базовых цветов, при исследовании обычно берут только длины волн красного, зеленого и синего цветов. Остальные цвета - их комбинация.

При анализе распространения света учитывается его затухание для однородных сред, а также отражение и преломление на границе раздела двух сред. Из физики известны модели (формулы) для различных условий распространения света. В большинстве случаев они идеализированы (модели всегда идеализированы, этом их смысл). Границей раздела двух сред в моделях является плоскость.

Для вторичных источников учитывается зеркальное отражение, диффузное отражение и преломление. При зеркальном отражении луч строго направлен. При диффузном отражении падающий свет рассеивается е все стороны с одинаковой интенсивностью. Поэтому однозначно определить направление нельзя, все направления равноправны. Идеальное диффузное отражение описывается законом Ламберта (п.6.6.1, формула (1)). При идеальном преломлении луч уходит внутрь тела в виде сосредоточенного пучка. При диффузном преломлении луч распространяется в теле одинаково по всем направлениям. Для всех этих случаев существуют формулы.

Формулы весьма сложны. Поэтому делают различные упрощения. Рассматривают только точечные источники света. При трассировке преломленного луча не учитывают зависимость его направления от длины волны. Для диффузной и зеркальной освещенности вводят веса (в зависимости от материала объектов).

Сначала подсчитывают первичную освещенность, выпуская лучи из точки ко всем источникам света. Для определения вторичной освещенности выпускают из точки один луч для отраженного света и один - для преломленного (диффузное преломление не учитывается). Таким образом сокращается количество отслеживаемых лучей. Неидеальное зеркальное отражение лучей от других объектов не учитывается. Для компенсации неучтенных воздействий вводят так называемое фоновое освещение – равномерное освещение со всех сторон, которое ни от чего не зависит и не затеняется. В итоге в сложной формуле, учитывается

• освещенность от каждого из источников света;

• интенсивность (освещенность) фонового освещения;

• освещенность от каждого из отраженных лучей;

• освещенность, приносимая преломленным лучом.

Для освещенности от каждого из источников имеются коэффициенты, отражающие "вклад" источника:

• коэффициент фонового освещения;

• коэффициент диффузного освещения;

• коэффициент зеркального освещения;

• вклад преломленного луча.

Учитываются также для источников и фонового освещения цвет (длина волны), направление первичных источников света, угол отражения для отраженного луча, угол преломления, расстояние, пройденное отраженным лучом, коэффициенты ослабления для отраженного и преломленного луча. В зависимости от требований к реалистичности применяют упрощения при вычислении коэффициентов.

Алгоритм трассировки лучей ведет к древовидному разрастанию числа рассматриваемых лучей. Он является рекурсивным. В качестве критерия остановки используется отсечение по глубине и по весу. В первом случае вводят ограничение по количеству уровней рекурсии. Во втором случае учитывают уменьшение вклада каждого луча в итоговый цвет пиксела с увеличением расстояния, вводят порог прекращения трассировки.

Для учета материала, в котором распространяется луч, вводят коэффициент преломления и коэффициент поглощения среды. Свойства поверхности учитывают весами фоновой, диффузной, зеркальной, отраженной и преломленной освещенности. Объект также описывается своим цветом и материалом. В программе это структуры. Программно задается и положение наблюдателя. Переход от подсчитанной освещенности к цвету выполняется путем выделения квантов освещенности для каждого цвета. Величина кванта определяется цветностью (палитрой в 16, 256 или более цветов). Освещенность за границами предельных квантов - белое или черное.

35. Понятие текстуры и способы моделирования текстур.

 

Повышение реалистичности изображения требует учета различных видов поверхностей, т.е. моделирования текстур. Например, для изображения мрамора с прожилками требуется менять цвет поверхности в зависимости от положения точки на ней. Возможны два основных варианта; проективные и процедурные (сплошные - solid) текстуры. В первом случае изображение реальной раскрашенной (мраморной) поверхности проецируется на поверхность объекта, т.е. учитывается искажение рисунка для изогнутых или стоящих под углом к наблюдателю поверхностей. В итоге трехмерные координаты точки сводятся к двумерным, которые затем используются для индексации цвета. Этот вариант прост понятийно, т.к. методы получения проекции известны, но не экономичен по памяти, так как хранятся дополнительные индексы цвета. К тому же проецирование объектов сложной формы – не простая задача. Во втором случае строится функция, определяющая цвет каждой точки в соответствии с исходным рисунком. Здесь затраты памяти невелики, сложность формы объекта на работу не влияет. Но создать такую функцию сложно, поэтому продают библиотеки текстур аналогично библиотекам шрифтов.

Простейшие текстуры моделируют клетчатую поверхность (шахматная доска) и кирпичную кладку. Кроме цветовых текстур моделируют текстуры с меняющимися коэффициентами вторичной освещенности (например, коэффициентом преломления), меняющимся вектором нормали к точке (меняющийся рельеф местности - рябь, волны на воде). Для внесения неправильностей используют шумовые текстуры. Пример - моделирование текстуры дерева с учетом того, что годовые кольца не носят строго правильный характер. Обычно на шумо­вую функцию накладываются требования непрерывности, выдачи значений из диапазона [0,1], распределение значений близко к равномерному. Способы построения таких функций известны. Шумовая функция применяет­ся и при моделировании текстуры мрамора. Шум можно наложить не только на цвет, но и на вектор нормали.

36. Распределенная трассировка лучей, оптимизация трассировки лучей.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.