Изображение характеристик поверхностей. Текстуры.

Рассмотрим проблемы освещенности поверхностей изображаемых предметов.

Если поверхность обладает свойством зеркального отражения световых лучей, то применяется метод трассировки лучей, который основан на геометрических построениях и определении освещенности и цвета от соответствующих источников.

Основная задача метода обратной трассировки лучей - это определение освещенности произвольной точки объекта и той части световой энергии, которая уходит в заданном направлении. Эта энергия складывается из двух частей:

- непосредственной (первичной) освещенности от источников света;

- вторичной освещенности энергией, отраженной от других объектов.

Существуют различные случаи отражения луча света от поверхности:

1) зеркальное отражение – луч света отражается полностью. Учитываются 2 свойства: вектора падающего и отраженного лучей лежат в одной плоскости, угол падения равен углу отражения;

2) диффузное отражение – описывается законом Ламберта, согласно которому падающий свет рассеивается во все стороны с одинаковой интенсивностью. Освещенность точки пропорциональна доле площади, видимой от источника света.

3) идеальное преломление – луч, падающий на поверхность, преломляется полностью внутрь второй среды. Преломление подчиняется закону Снеллиуса, по которому: вектора падающего и преломленного лучей лежат в одной плоскости, угол падения определяется оптическими свойствами сред;

4) диффузное преломление – аналогично диффузному отражению, но при этом преломленный свет рассеивается во все стороны с одинаковой интенсивностью.

На практике обычно считается, что поверхность состоит из множества случайно ориентированных плоских микрограней с заданным законом распределения; для этого случая математически описывается энергия лучей в определенных направлениях. Число направлений при этом оптимизируется.

Основные положения модели трассировки лучей:

• Рассматриваем только точечные источники света;

• При трассировке преломленного луча не учитываем зависимость его направления от длины волны;

• Считаем освещенность объекта состоящей из диффузной и зеркальной частей с заранее заданными весами.

Алгоритм определения освещенности произвольной точки:

1) определяем освещенность непосредственно от источников света, т.е. строим лучи от источников света од точки;

2) определяем вторичную освещенность, т.е. строим один луч для отраженного направления и один луч – для преломленного. При этом не идеально зеркальное отражение лучей, идущих от других объектов, игнорируется;

3) для компенсации не учитываемых величин вводится так называемое фоновое освещение – равномерное освещение со всех сторон, которое не затеняется и не зависит от положения точки в сцене.

Общий алгоритм обратной трассировки лучей:

1) через каждый пиксель экрана луч трассируется до ближайшего пересечения с объектами сцены;

2) из точки пересечения выпускаются лучи ко всем источникам света для проверки их видимости и определения непосредственной освещенности точки пересечения;

3) выпускаются также отраженный и преломленный лучи, которые трассируются до ближайшего пересечения с объектами сцены

и т.д.

Получается рекурсивный алгоритм, в качестве критерия остановки используется отсечение по глубине ( не более заданного количества уровней рекурсии) и по весу ( чем дальше, тем меньше вклад каждого луча в итоговый цвет пикселя – вводится определенный порог чувствительности к свету).

Для упрощения описания вводятся параметры

- Материал описывается двумя коэффициентами

nRefr - коэффициент преломления,

Betta - коэффициент преломления.

- Свойства поверхности описываются коэффициентами

k_a, k_d, k_s, k_r, k_t - веса фоновой, диффузной, зеркальной, отраженной и преломленной освещенности

и цветом Color.

Все это вместе с уточненными характеристиками микрограней составляет понятие текстуры.

Текстура - это растровое изображение, которое определенным образом накладывается на поверхность и заполняет ее.

Существуют разные способы моделирования текстуры, но практически все они делятся на 2 класса.

1. Проективные текстуры образуются путем построения изображения реальной поверхности и проецирования его на поверхность объекта, т.е. требуется перевести трехмерные координаты точек поверхности в двумерные и ввести их в изображение.

Используются3 варианта проецирования текстур:

- плоское проецирование, например, поворачивающиеся вокруг какой-то оси фотографии;

- цилиндрическое проецирование – изображение «сворачивается в трубку»;

- сферическое проецирование – изображение поверхности планеты с материками.

Проективные текстуры рационально использовать, если мы преобразуем «картинку» (фото, пейзаж и т.п.)

2. Процедурные (Solid) текстуры – используются для описания таких материалов, как металл, мрамор, пластик, в этом случае применяют математическое описание поверхности в виде некоторой функции, C(x,y,z), определяющей цвет каждой точки объекта.

Это удобно для однородных материалов. Для материалов типа мрамора и других природных минералов можно использовать растровый фрагмент поверхности и его тиражировать, введя определенную закономерность изменения структуры поверхности.

Построение реалистических изображений.

Основы анимации.

Рассмотрим общие принципы построения и основные этапы создания реалистичных динамических изображений на основе использования графических библиотек или графических редакторов.

Создание анимации состоит из двух этапов, соответствующих двум классам изображений:

- статические (неподвижные) изображения,

- динамические изображения, состоящие из сменяющих друг друга статических.

1. Статические изображения состоят из графических объектов, которым соответствуют подразделы библиотек:

1) геометрические примитивы (точки, линии, многоугольники);

2) растровые примитивы (битовые массивы и прямоугольники пикселей);

3) создание цвета;

4) удаление невидимых линий и поверхностей;

5) прозрачность;

6) использование сплайнов для рисования линий и поверхностей;

7) наложение текстур;

8) применение освещения;

9) использование плавного сопряжения цветов, устранение ступенчатости, «тумана» и других эффектов;

10) составление списка изображений.

Из изображений отдельных предметов формируется сцена. Основные задачи построения сцены:

1) построение окна, в котором будет отображаться трехмерный макет;

2) построение сцены начинается с задания источников света (точечные источники света характеризуются координатами, цветом и направленностью, если она есть) и фоновой освещенности, если она есть;

3) задание положения камеры или точки зрения;

4) построение трехмерных объектов, размещаемых в пространстве сцены.

Для каждого объекта в создаваемом макете существует связанный с ним фрейм.

Фрейм представляет собой описание математического преобразования (положения, размера или характера объекта), которое должно быть применено ко всем объектам и фреймам, присоединенным к данному фрейму.

Например, за макетом в окне закрепляется отдельный фрейм, каждая фигура и источник света также имеют собственный фрейм. Можно взять произвольный набор объектов и присоединить их друг к другу или к общему фрейму.

Фрейм можно вращать, перемещать, масштабировать.

При размещении объектов в пространстве сцены или в макете также решаются задачи видимости предметов, затенения и построения ракурса.

Ракурс определяет, каким образом объект представляется в конкретной сцене.

2. Динамические изображения

Есть 3 варианта перемещения в сцене:

- перемещение объекта внутри неподвижного макета «относительное движение частей изображения»;

- перемещение камеры, т.е. самого объекта с эффектом перемещения точки зрения в изображаемом пространстве сцены «движение зрителя»;

- комбинированное перемещение «движение зри теля в подвижной среде».