48755 (Реализация алгоритма обратной трассировки лучей для моделей с большим числом полигонов), страница 5

Для поворота камеры влево или вправо необходимо ввести угол поворота во второе поле и нажать "+" для поворота вправо или "-" для поворота влево.

Для поворота камеры по часовой стрелке или против часовой действуем аналогично, для поворота по часовой надо нажать "+", против часовой "-".

Перемещению камеры соответствует опущенный флажок.

Все аналогично операциям со сценой. Первая строчка позволяет двигаться вверх-вниз, вторая - вправо-влево, а третья - взад-вперед.

Источники света.

Управлять источниками света позволяет третья часть формы. На форме есть две кнопки со стрелками. Эти кнопки предназначены для того, чтобы листать источники света. По мере просмотра источников можно видеть все их характеристики (на форме расположены поля, в которых высвечиваются координаты, тип, интенсивность по трем составляющим и другие характеристики источника). Все параметры источника можно менять. Чтобы это сделать необходимо:

Найти с помощью стрелок нужный источник.

В поля характеристик источника ввести нужные значения.

Нажать кнопку изменить.

Обязательными параметрами для всех источников являются координаты и интенсивность по 3 составляющим. Если источник является обычным (т.е. светящим во все стороны), то этих параметров достаточно. Если же источник светит в конусе, то необходимо ввести направление и угол, в каком светит источник. Если источник второго типа, то можно поставить галочку в пункте затухание. В этом случае интенсивность источника будет максимальна на образующей конуса и постепенно снижается ближе к краям. На краях интенсивность равна нулю.

Можно добавлять источники света. Для этого необходимо листать вправо все источники до тех пор, пока не станет активной кнопка "Добавить". Далее необходимо нажать на эту кнопку. В сцену добавится источник, расположенный в центре глобальной системы координат, с единичными интенсивностями по всем компонентам. Далее нужно задать нужные характеристики у этого источника, как было показано раньше.

Ф орма опций

С помощью формы опций можно просмотреть все настройки, с которыми будет производиться рендеринг. В форме приведены следующие настройки:

Включено, сглаживание или нет.

Включены тени или нет.

Включено ли качественное моделирование эффекта преломления

Глубина трассировки

Разрешение получаемого изображения

Расстояние от камеры до экранной плоскости.

Все эти настройки можно менять. Для этого нужно ввести в поля новые значения и нажать "OK".

4. Экспериментально-исследовательская часть

Поскольку одной из главных задач курсовой было сделать алгоритм трассировки быстрым, то проанализируем скорость рендеринга в зависимости от количества треугольников и способа их расположения в пространстве.

Тест № 1

Рассмотрим сцену, состоящую из треугольников, равномерно расположенных в пространстве так, чтобы расстояние между треугольниками, было значительно больше их линейных размеров. Поставим условие, что изображение сцены должно занимать весь экран. Проанализируем зависимость времени от числа треугольников в такой сцене.

Сразу видно, что при пустой сцене рендеринг занимает 1.43 секунды. Это время, затраченное на перебор всех пикселов и вызов функций обработки пикселов. Оно не включает время на поиск пересечения луча с треугольником. График же похож на график логарифма. Вид графика подтверждается теорией. Алгоритм не перебирает все треугольники, а делает всего несколько сравнений со сферическими оболочками, число которых равно примерно логарифму по основанию 8 от числа треугольников.

Тест № 2

Рассмотрим теперь сцену, в которой полученное изображение занимает не весь экран. Для этого я буду удалять камеру от сцены. При очень сильном удалении сцена будет занимать всего 1 пиксел. Сцена будет использоваться одна и та же и будет состоять из 40000 треугольников. Проведем зависимость времени рендеринга от площади, занимаемой изображением на экране. Картинка будет иметь размеры 800х600.

График представляет собой линейную зависимость. Если луч не пересекает сцену, то после сравнения с самой большой оболочкой для многих лучей сразу же будет установлено, что они ничего не пересекают. Поэтому время рендеринга будет определяться временем на обработку лучей, пересекающих сцену. А поскольку время (t) обработки каждого из лучей в среднем одинаковое. То время будет носить зависимость n*t, где n - число пикселей. А это линейная функция от n.

Тест № 3

Теперь рассмотрим сцену, в которой размеры треугольников намного больше расстояний между ними. Я задал эти треугольники случайным образом в ограниченном объеме. Таким образом, треугольники, могут принимать любые размеры. Построим, как и в первом тесте, график зависимости времени от числа треугольников.

Видно, что при хаотичном разбросе треугольников, алгоритм работает куда медленнее. Улучшение есть, но оно очень мало. При хаотичном разбросе количество оболочек очень большое и поиск по ним становится, сравним по скорости с перебором объектов. По сравнению с первым тестом получилось замедление примерно в 100 раз. Алгоритм хорошо справляется с реальными объектами, так как они чаще всего хорошо сгруппированы.

Заключение

Программа предназначена для рендеринга трехмерных сцен, для получения фотореалистических изображений. Она включает все элементы, описанные в техническом задании:

Реализован алгоритм обратной трассировки лучей, позволяющий строить тени, сглаживать и текстурировать поверхности.

Для ускорения используется метод иерархических оболочек, делающий алгоритм трассировки очень быстрым.

Помимо этого в программе:

Очень мощная схема моделирования эффекта преломления, учитывающая зависимость интенсивностей преломленного и отраженного луча от коэффициента преломления среды.

Поддерживается освещение со специальными эффектами. Источник может светить во все стороны, а может светить в определенном телесном угле. Существует возможность сделать так, чтобы интенсивность источника уменьшалась при приближении к краям телесного угла.

Существует возможность сглаживания изображения. Поскольку сглаживание занимает очень много времени, то я сделал так, чтобы пользователь мог включать или выключать эту функцию по своему усмотрению.

Существует множество вариантов модернизации программы.

Модернизация алгоритма трассировки:

Включение в него фильтрации текстур, например, пирамидальной фильтрации, позволяющей корректно отображать текстурированные объекты находящиеся вдали.

Добавление новых оптических эффектов. Можно, например, сделать все оптические свойства поверхности, зависящими от длины волны падающего света.

Написание трехмерного редактора, который будет позволять:

редактировать геометрию объектов на сцене

редактировать свойства материалов

добавлять и удалять объекты сцены.

управлять источниками света.

загружать и сохранять сцены. Для этого понадобится введение специального формата.

Модуль Engine может быть подключен к любой программе Delphi и использован, для практического моделирования трехмерных сцен и их прорисовки.

Список литературы

1. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики: пер. с англ. - М.: Мир, 1989.

2. Порев В.Н. Компьютерная графика 2004.

3. Тихомиров Ю. Программирование трехмерной графики. - СПб.: ИРМ - Санкт-Петербург, 1998.

4. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. - М.: Наука, 1967.