Магістрант групи пзмн 08 icon

Магістрант групи пзмн 08




Скачати 98.34 Kb.
НазваМагістрант групи пзмн 08
Дата28.07.2012
Розмір98.34 Kb.
ТипДокументи

Магістрант групи ПЗмн – 08

Шоботенко Андрій Миколайович


Галузі використання реалістичної комп’ютерної графіки. Принципи реалістичної комп’ютерної графіки. Методи формування 3D зображень.


Комп'ютерна гра́фіка — це графіка, яка створюється, перетворюється, оцифровується, обробляється і відображається засобами обчислювальної техніки, включаючи апаратні і програмні засоби.

Реалістичність графіки визначається степінню відповідності комп’ютерного моделювання об’єктам та сценам реального світу. Реалістична комп’ютерна графіка використовується в наступних галузях науки та техніки:

  • спец ефекти, візуальні ефекти, цифрова кінематографія;

  • цифрові фотографії та їх обробка;

  • комп’ютерні ігри та системи віртуальної реальності;

  • комп’ютерна графіка для кінематографу та телебачення.

Для реалістичності зображень використовується різні методи. Особливою галуззю використання реалістичної комп’ютерної графіки є комп’ютерні ігри, що використовують 3D комп’ютерну графіку. Для більшості з них створені спеціальні ігрові двигуни на основі яких базується оптимальне використання апаратних ресурсів для забезпечення максимальної реалістичності графіки.

^ Методи формування 3D-зображень

Сьогодні для формування 3D-зображень у комп'ютерній графіці використовуються в основному прямий і зворотний методи трасування променів. Метод прямого трасування добре досліджений, однак єдиним типом графічних примітивів, що можуть відображатися з його використанням, є трикутники. Це призводить до низької реалістичності зображення. Застосування методу зворотного трасування променів дозволяє використовувати при апроксимації природних і штучних об'єктів сцени поверхні, що задаються аналітично. Алгоритми візуалізації таких об'єктів у систем візуалізації реального часу вимагають значної продуктивності. Найчастіше це досягається за рахунок використання кластерних систем, що істотно збільшує вартість системи візуалізації. Створення спеціалізованих графічних обчислювальних пристроїв дозволяє знизити вартість техніки при підвищенні якості і насиченості деталями відображуваної в реальному часі тривимірної сцени.

^ Метод прямого трасування променів

Розглянемо, як формується зображення якої-небудь сцени, яка містить у собі декілька просторових об’єктів. Будемо вважати, що з точок поверхні (об’єму) випромінюючих об’єктів виходять промені світла. Такі промені можна назвати первісними – вони освітлюють все інше. Важливим моментом є припущення, що промінь світла у вільному просторі розповсюджується вздовж прямої лінії. Але в геометричній оптиці вважають, що промінь світла поширюється прямолінійно доти, поки не зустрінеться поверхня, що відбиває, чи границя середовища переломлення..

Від джерел випромінювання виходить по різних напрямках незліченна безліч первинних променів (навіть промінь лазера неможливо ідеально сфокусувати - усе рівно світло буде поширюватися не однією ідеально тонкою лінією, а конусом, пучком променів). Деякі промені ідуть у вільний простір, а деякі попадають на інші об'єкти. Якщо промінь попадає в прозорий об'єкт, то, переломлюючись, він йде далі, при цьому деяка частина світлової енергії поглинається. Подібно цьому, якщо на шляху променя зустрічається дзеркально відбиває поверхня, то він змінює напрямок, а частина світлової енергії поглинається. Якщо об'єкт дзеркальний і одночасно прозорий (наприклад, звичайне скло), то буде вже два промені - у цьому випадку говорять, що промінь розщеплюється.

Можна сказати, що в результаті дії на об’єкти первинних променів виникають вторинні промені. Незліченна безліч вторинних променів іде у вільний простір, але деякі з них попадають на інші об'єкти. Так, багаторазово відбиваючись і переломлюючись, окремі світлові промені приходять у точку спостереження – око людини чи оптичну систему камери. Очевидно, що в точку спостереження може потрапити і частина первинних променів безпосередньо від джерел випромінювання. Таким чином, зображення сцени формується деякою безліччю світлових променів.

Колір окремих точок зображення визначається спектром і інтенсивністю первинних променів джерел випромінювання, а також поглинанням світлової енергії в об'єктах, що зустрілися на шляху відповідних променів.

Безпосередня реалізація даної променевої моделі формування зображення представляється скрутною. Можна спробувати побудувати алгоритм побудови зображення зазначеним способом. У такому алгоритмі необхідно передбачити перебір усіх первинних променів і визначити ті з них, що попадають в об'єкти й у камеру. Потім виконати перебір усіх вторинних променів, і також врахувати тільки ті, котрі попадають в об'єкти й в камеру і далі. Можна назвати такий метод прямим трасуванням променів. Практична цінність такого методу викликає сумнів. Справді, якщо буде нескінченна безліч променів, що йдуть в усі сторони? Очевидно, що повний перебір нескінченного числа променів у принципі неможливий. Навіть якщо якимось образом звести це до кінцевого числа операцій (наприклад, поділити всю сферу напрямків на кутові сектори й оперувати вже не звичайно тонкими лініями, а секторами), усе рівно залишається головний недолік методу- багато зайвих операцій, зв'язаних з розрахунком променів, які потім не використовуються. Так, у всякому разі, це представляється у дійсний час.

^ Метод зворотнього трасування

Дозволяє значно зменшити перегляд світлових променів. Згідно з цим методом, трасування променів виконується не від джерел світла, я в зворотньому напрямку – від точки спостерігача. Так ми враховуємо тільки ті промені, які впливають на формування зображення.

Розглянемо, як можна отримати растрове зображення якої-небудь тривимірної сцени методом зворотнього трасування. Припустимо, що площина проекції розбита на велику кількість квадратиків – пікселів. Оберемо центральну проекцію з центром на деякій відстані від від площини проекції. Проведемо пряму лінію з центра через піксел на площині проекції. Це буде первісний промінь зворотнього трасування. Якщо пряма лінія цього променя потрапляє в один чи декілька об’єктів сцени, обираємо найближчу точку пересічення. Для отримання кольору пікселя зображення потрібно враховувати якості об’єкта, а також те, яке світлове випромінювання буде у відповідній точці об’єкту.

Якщо об'єкт дзеркальний (хоча б частково), тоді будуємо вторинний промінь - промінь падіння, вважаючи променем відбиття попередній, первинний промінь. Вище ми розглядали дзеркальне відбиття й одержали формули для вектора відбитого променя по заданих векторах нормалі і променя падіння. Але тут нам відомий вектор відбитого променя, а як знайти вектор падаючого променя? Для цього можна використовувати ту ж саму формулу дзеркального відбиття, але визначаючи необхідний вектор променя падіння як відбитий промінь. Тобто відбиття навпаки.

Для ідеального дзеркала досить потім простежити лише чергову точку перетинання вторинного променя з деяким об'єктом. Що означає термін "ідеальне дзеркало"? Будемо думати, що в такого дзеркала ідеально рівна відполірована поверхня, тому одному відбитому променю відповідає тільки один падаючий промінь. Дзеркало може бути затемненим, тобто поглинати частина світлової енергії, але все рівно залишається правило: один промінь падає, один відбивається. Можна розглядати також "неідеальне дзеркало". Це буде означати, що поверхня нерівна. Напрямку відбитого променя буде відповідати кілька падаючих променів (чи навпаки, один падаючий промінь породжує кілька відбитих променів), що утворять деякий конус, можливо, несиметричний, з віссю уздовж лінії падаючого променя ідеального дзеркала. Конус відповідає деякому закону розподілу інтенсивностей, найпростіший з який описується моделлю Фонга - косинус кута, зведений у деякий ступінь. Неідеальне дзеркало різко ускладнює трасування - потрібно простежити не один, а безліч падаючих променів, враховувати внесок випромінювання від інших видимих з даної точки об'єктів.

Якщо об'єкт прозорий, те необхідно побудувати новий промінь, такий, котрий при переломленні давав би попередній трасувальний промінь. Тут також можна скористатися оборотністю, що справедлива і для переломлення. Для розрахунку вектора шуканого променя можна застосувати розглянуті вище формули для вектора променя переломлення, вважаючи, що переломлення відбувається в зворотному напрямку.

Якщо об'єкт має властивості дифузійного відбиття і переломлення, то, у загальному випадку, як і для неідеального дзеркала, необхідно трасувати промені, що приходять від усіх наявних об'єктів. Для дифузійного відбиття інтенсивність відбитого світла, як відомо, пропорційна косинусу кута між вектором променя від джерела світла і нормаллю. Тут джерелом світла може виступати будь-який видимий з даної точки об'єкт, здатний передавати світлову енергію.

Коли з'ясовується, що поточний промінь зворотного трасування не перетинає будь-який об'єкт, а йде у вільний простір, то на цьому трасування цього променя закінчується.

Зворотне трасування променів у тім виді, у якому його тут розглянуто хоч і скорочує перебір, але не дозволяє позбутися від нескінченного числа аналізованих променів. Справді, даний метод дозволяє відразу одержати для кожної точки зображення єдиний первинний промінь зворотного трасування. Однак вторинних променів відбиття вже може бути нескінченна кількість.

При практичній реалізації методу зворотного трасування вводять обмеження. Деякі з них необхідні, щоб можна було в принципі вирішити задачу синтезу зображення, а деякі обмеження дозволяють значно підвищити швидкодію трасування. Розглянемо приклади таких обмежень.

1. Серед усіх типів об'єктів виділимо деякі, котрі назвемо джерелами світла. Джерела світла можуть тільки випромінювати світло, але не можуть, його відбивати чи переломлювати. Будемо розглядати тільки точкові джерела світла.

2. Властивості поверхонь, що відбивають, описуються сумою двох компонент - дифузійної і дзеркальної.

3. У свою чергу, дзеркальність також описується двома складовими. Перша (reflection - відбиття) враховує відбиття від інших об'єктів, що не є джерелами світла. Будується тільки один дзеркально відбитий промінь r для подальшого трасування. Другий компонент (specular - відблиск) означає світлові відблиски від джерел світла. Для цього направляються промені на всі джерела світла і визначаються кути, утворені цими променями з дзеркально відбитим променем зворотного трасування (r). При дзеркальному відбитті колір точки поверхні визначається кольором того, що відбивається. У найпростішому випадку дзеркало не має власного кольору поверхні

4. При дифузійному відбитті враховуються тільки промені від джерел світла. Промені від дзеркально відбивають поверхонь ігноруються. Якщо промінь, спрямований на дане джерело світла, закривається іншим об'єктом, виходить, дана точка об'єкта знаходиться в тіні. При дифузійному відбитті колір освітленої точки поверхні визначається власним кольором поверхні і кольором джерел світла.

5 Для прозорих (transparent) об'єктів звичайно не враховується залежність коефіцієнта переломлення від довжини хвилі. Іноді прозорість узагалі моделюють без переломлення, тобто напрямок переломленого променя t збігається з напрямком падаючого променя.

6. Для обліку освітленості об'єктів світлом, що розсіюється іншими об'єктами, уводиться фонова складова (ambient).

7. Для завершення трасування вводять деяке граничне значення освітленості, що уже не повинне вносити вклад у результуючий колір, або обмежують кількість ітерацій.

Відповідно до моделі Уіттеда колір деякої точки об'єкта визначається сумарною інтенсивністю:

,

де - довжина хвилі, С() - заданий вхідний колір точки об'єкта, Kа, Kd, Ks, Kr і Kt,- коефіцієнти, що враховують властивості конкретного об'єкта параметрами фонового підсвічування, дифузійного розсіювання, зеркаль-яости, відбиття і прозорості,

Iа - інтенсивність фонового підсвічування,

Id - інтенсивність, що враховується для дифузійного розсіювання,

Is - інтенсивність, що враховується для дзеркальності,

Ir - інтенсивність випромінювання, що приходить по відбитому променю,

It - інтенсивність випромінювання, що приходить по переломленому променю.

Інтенсивність фонової підсвітки (Iа) для об’єкта за звичай є постійною. Запишемо формули для інших інтенсивностей. Для дифузійного відбиття:

,

де - інтенсивність i-го джерела світла, - кут між нормаллю до поверхні об’єкту і напрямком на це джерело світла.

Для дзеркальності:



де p – покажчик ступеня від одиниці до кількох сотень (згідно моделі Фонга), - кут між відбитим променем і напрямком на i-те джерело світла.

Інтенсивності випромінювань, які проходять по відбитому променю (Ir), а також по переломленому променю (It), помножують на коефіціент, який враховує послаблення інтенсивності від відстані, яку пройшов промінь. Такий коефіціент має вид , де d – відстань, що пройдена, а - параметр ослаблення, який враховує якості середовища, у якому розповсюджується промінь.

Якщо об'єктів досить багато, то об'єкти (чи оболонки) можна поєднувати в групи - для декількох об'єктів одна оболонка. Таким чином, вибудовується вже ієрархія оболонок: на нижньому рівні оболонки для одиночних об'єктів, на наступному рівні - оболонки оболонок і так далі Така деревоподібна структура може мати кілька рівнів. Це дозволяє істотно прискорити процес перебору, зробити час роботи пропорційним (теоретично) логарифму числа об'єктів.

А тепер зробимо загальні висновки по методу зворотного трасування променів.

Позитивні риси:

1. Універсальність методу, його застосовність для синтезу зображень досить складних просторових схем. Втілює багато законів геометричної оптики. Просто реалізуються різноманітні проекції.

2. Навіть усічені варіанти даного методу дозволяють одержати досить реалістичні зображення. Наприклад, якщо обмежитися тільки первинними променями (із точки проектування), те це дає видалення невидимих точок. Трасування вже двох-одного-двох вторинних променів дає тіні, дзеркальність, прозорість.

3. Усі перетворення координат (якщо такі є) лінійні, тому просто працювати з текстурами.

4. Для одного пікселя растрового зображення можна трасувати трохи близько розташованих променів, а потім усреднять їхній колір для усунення ефекту ступінчастості (антиаліасінг).

5. Оскільки розрахунок окремої точки зображення виконується незалежно від інших точок, те це може бути ефективно використане при реалізації даного методу в рівнобіжних обчислювальних системах, у яких промені можуть трасуватися одночасно.

Недоліки:

1. Проблеми з моделюванням дифузійного відбиття і переломлення.

2. Для кожної точки зображення необхідно виконувати багато обчислювальних операцій. Трасування променів відноситься до числа самих повільних алгоритмів синтезу зображень.


Література

  1. http://uk.wikipedia.org/wiki/Комп'ютерна_графіка

  2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютерная_графика

  3. Романюк О.Н. Комп'ютерна графіка. Вінниця, ВДТУ, 2001.

  4. Порєв В.М. Комп'ютерна графіка. Юниор,2004. 456с.

Схожі:

Магістрант групи пзмн 08 iconTorch-інфекція І вагітність бойчунь В. О., магістрант
Для позначення інфекцій цієї групи була запропонована абревіатура torch-комплекс, що складається з початкових латинських букв захворювань....
Магістрант групи пзмн 08 iconПоложення про старосту студентської групи Загальна частина Староста призначається наказом декана факультету з числа кандидатів, запропонованих групою. Кандидатура старости має бути узгоджена з головою студентської ради
Старостою академічної групи може бути один з кращих за успішністю студент, який відзначається високими моральними якостями, користується...
Магістрант групи пзмн 08 iconЗавдання для самостійної роботи студентів
Варіант Вашої роботи визначається номером у списку групи (за журналом). Номер варіанта – це остача від ділення на 15 Вашого номеру...
Магістрант групи пзмн 08 iconЗавдання для самостійної роботи студентів
Варіант Вашої роботи визначається номером у списку групи (за журналом). Номер варіанта – це остача від ділення на 15 Вашого номеру...
Магістрант групи пзмн 08 iconПотьомкіна Н. П. ф-т економіки та управління, магістрант
Особливості формування та використання Інтернет-ресурсів в контексті інноваційної діяльності підприємств
Магістрант групи пзмн 08 iconТема 17. Комплектування малих груп поняття групи
Поняття групи. Під групою розуміється сукупність людей, що відчувають свою цілісність І прагнуть до досягнення певної мети
Магістрант групи пзмн 08 iconДодаток 1 Заявка на участь у ІV міжнародній конференції „Наука, освіта, суспільство очима молодих”
Посада (студент, магістрант, аспірант, здобувач, вчитель, психолог, викладач, доцент, професор)
Магістрант групи пзмн 08 iconДодаток 1 Заявка на участь у V міжнародній конференції „Наука, освіта, суспільство очима молодих”
Посада (студент, магістрант, аспірант, здобувач, вчитель, психолог, викладач, доцент, професор)
Магістрант групи пзмн 08 iconДодаток 1 Заявка на участь у VI міжнародній конференції „Наука, освіта, суспільство очима молодих”
Посада (студент, магістрант, аспірант, здобувач, вчитель, психолог, викладач, доцент, професор)
Магістрант групи пзмн 08 iconЛитвинова Н. А. Соціально-психологічний портрет підлітків групи ризику. У статті сформульовано поняття «підлітки групи ризику»
У статті сформульовано поняття «підлітки групи ризику», проаналізовано причини поширення вживання наркотичних речовин підлітками,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи