Белоногов И.Б., Коротаев А.И., Ревунков Г.И. - Технологии мультимедиа (1063013), страница 4
Текст из файла (страница 4)
· каждый такой луч рекурсивно отслеживается, чтобы определить пересекаемые поверхности;
Удаление скрытых линий и поверхностей.
Классификация методов удаления невидимых частей
Методы удаления невидимых частей сцены можно классифицировать:
- По выбору удаляемых частей: удаление невидимых линий, ребер, поверхностей, объемов.
- По порядку обработки элементов сцены: удаление в произвольном порядке и в порядке, определяемом процессом визуализации.
По системе координат:
- алгоритмы работающие в пространстве объектов, когда каждая из N граней объекта сравнивается с остальными N-1 гранями (объем вычислений растет как N2),
- алгоритмы работающие в пространстве изображения, когда для каждого пикселя изображения определяется какая из N граней объекта видна (при разрешении экрана M×M объем вычислений растет как M2 ×N).
Алгоритмы удаления линий.
Применение - представление каркасных моделей. При этом не используется основное ценное качество растрового дисплея - возможность закраски поверхностей. В этой связи основная область применения - векторные устройства, но могут применяться и в растровых для ускорения процесса визуализации.
Наиболее известный ранний алгоритм - алгоритм Робертса (1963 г.). Работает с только выпуклыми телами в пространстве объектов. Каждый объект сцены представляется многогранным телом, полученным в результате пересечения плоскостей. Т.е. тело описывается списком граней, состоящих из ребер, которые в свою очередь образованы вершинами.
Вначале из описания каждого тела удаляются нелицевые плоскости, экранированные самим телом. Затем каждое из ребер сравнивается с каждым телом для определения видимости или невидимости. Т.е. объем вычислений растет как квадрат числа объектов в сцене. Наконец вычисляются новые ребра, полученные при протыкании телами друг друга.
Алгоритм удаления поверхностей с Z - буфером
Обычный буфер кадра хранит коды цвета для каждого пикселя в пространстве изображения. Идея алгоритма состоит в том, чтобы для каждого пикселя дополнительно хранить еще и координату Z или глубину. При занесении очередного пикселя в буфер кадра значение его Z-координаты сравнивается с Z - координатой пикселя, который уже находится в буфере. Если Z-координата нового пикселя больше, чем координата старого, т.е. он ближе к наблюдателю, то атрибуты нового пикселя и его Z - координата заносятся в буфер, если нет, то ни чего не делается.
Этот алгоритм наиболее простой из всех алгоритмов удаления невидимых поверхностей, но требует большого объема памяти. Время работы алгоритма не зависит от сложности сцены. Многоугольники, составляющие сцену, могут обрабатываться в произвольном порядке. Для сокращения затрат времени нелицевые многоугольники могут быть удалены. Основной недостаток алгоритма с Z - буфером - дополнительные затраты памяти. Для их уменьшения можно разбивать изображение на несколько прямоугольников или полос. В пределе можно использовать Z - буфер в виде одной строки. Понятно, что это приведет к увеличению времени, так как каждый прямоугольник будет обрабатываться столько раз, на сколько областей разбито пространство изображения. Уменьшение затрат времени в этом случае может быть обеспечено предварительной сортировкой многоугольников на плоскости.
Другие недостатки алгоритма с Z - буфером заключаются в том, что пиксели в буфер заносятся в произвольном порядке и возникают трудности с реализацией эффектов прозрачности или просвечивания и устранением лестничного эффекта с использованием предфильтрации. Здесь каждый пиксель экрана трактуется как точка конечного размера и его атрибуты устанавливаются в зависимости от того какая часть пикселя изображения попадает в пиксель экрана. Но другой подход к устранению лестничного эффекта, основанный на постфильтрации - усреднении значений пикселя с использованием изображения с большим разрешением реализуется сравнительно просто за счет увеличения расхода памяти (и времени). В этом случае используются два метода. Первый состоит в том, что увеличивается разрешение только кадрового буфера, хранящего атрибуты пикселей, а разрешение Z - буфера делается совпадающим с размерами пространства изображения. Глубина изображения вычисляется только для центра группы усредняемых пикселей. Это метод неприменим, когда расстояние до наблюдателя имитируется изменением интенсивности пикселей. Во втором методе и кадровый и Z буфера имеют увеличенное разрешение и усредняются атрибуты пикселя, так и его глубина.
Растровая графика.
Основные понятия.
Статические растровые изображения, представляющие собой двумерный массив чисел - пикселей. Все изображения можно подразделить на две группы: с палитрой и без нее. У изображений с палитрой в пикселе хранится число - индекс в некотором одномерном векторе цветов, называемом палитрой. Чаще всего встречаются палитры из 16 и 256 цветов.
Изображения без палитры бывают в какой - либо системе цветопредставления и в градациях серого. Для последних значение каждого пикселя интерпретируется как яркость соответствующей точки. Встречаются изображения с 2, 16 и 256 уровнями серого.
Большинство программ по созданию или обработке растровых изображений предлагают следующие типы изображений, которые отличающиеся количеством выделяемых бит на один пиксель.
Монохромная графика.
Этот режим иногда называют черно - белой графикой, или графикой с однобитовым разрешением. Это означает, что каждый пиксель может быть окрашен только в белый или черный цвет. Такие изображения можно получить с помощью графических пакетов или с помощью сканирования картинок в режиме "Монохромная графика". В этом режиме можно создавать изображения, которые по стилю относятся к художественной черно-белой графике.
Оттенки серого. Изображения этого типа содержат 8 бит на пиксельь и позволяют в каждой точке получить 256 оттенков серого цвета. Этот тип изображения можно получить, например, при сканировании черно-белых фотографий в режиме "Оттенки серого". Разумеется, любая цветная фотография также может быть отсканирована в этом режиме, но качество изображения может быть не вполне удовлетворительным, поскольку некоторые цвета из-за недостаточной контрастности могут сливаться.
Индексированный 16-цветный.
Каждый пиксель здесь представлен 4 битами, в которых записывается номер цвета в палитре из 16-ти цветов. Палитра строится таким образом, что каждый цвет для всех трех составляющих цветов (красного, зеленого и синего) имеет конкретное значение в диапазоне от 0 до 256. Индексированные изображения небольшие по объему и содержат палитру внутри себя или в виде отдельного файла.
Индексированный 256-цветный.
Аналогично предыдущему типу здесь каждый пиксель представлен номером цвета в палитре, состоящей из 256 цветов. Для хранения информации о пикселе требуется 8 бит.
Истинный цвет RGB.
Этот тип изображений содержит 24 бита на пиксель, и эти 24 бита представляют информацию о трех цветах (красном, зеленом и синем) по 8 бит на каждый цветной компонент. Этот тип изображения передает 16,7 млн. цветов.
Цвет и модели цвета.
Человеческий глаз — тонкий инструмент, но, к сожалению, восприятие цвета субъективно. Очень трудно пересказать другому человеку свое ощущение цвета. Цвет надо видеть.
Вместе с тем для многих отраслей производства, в том числе для полиграфии и компьютерных технологий, необходимы более объективные способы описания и обработки цвета.
Цвет является не физической величиной, а физиологической. Световые лучи, строго говоря, цвета не имеют.
Человек является трихроматом - сетчатка глаза имеет 3 вида рецепторов света, ответственных за цветное зрение. Каждый вид колбочек реагирует на определенный диапазон видимого спектра. Отклик, вызываемый в колбочках светом определенного спектра, называется цветовым стимулом, при этом свет с разными спектрами может иметь один и тот же цветовой стимул, и таким образом восприниматься одинаково человеком. Это явление называется метамерией - два излучения с разными спектрами, но одинаковыми цветовыми стимулами будут неразличимы человеком.
Рис. 15 . Трехмерное представление цветового пространства человека
Можно определить цветовое пространство стимулов как евклидово пространство, если задать координаты x, y, z в качестве значений стимулов, соответствующих отклику колбочек длинно - волнового (L), средне - волнового (M) и коротко - волнового (S) диапазона оптического спектра. Начало координат (S, M, L) = (0, 0, 0) будет представлять черный цвет. Белый цвет не будет иметь четкой позиции в данном определении диаграммы всевозможных цветов, а будет определяться, например, через цветовую температуру, или через определенный баланс белого, или каким либо иным способом. Полное цветовое пространство человека имеет вид конуса в форме подковы (как показано на рисунке). Принципиально данное представление позволяет задавать цвета любой интенсивности - начиная с нуля (черного цвета) до бесконечности. Однако на практике человеческие рецепторы могут перенасытиться или даже быть поврежденными излучением с экстремальной интенсивностью. Поэтому данная модель не применима для описания цвета в условиях чрезвычайно высоких интенсивностей излучений, и так же не рассматривает вопросы цветовоспроизведения в условиях очень низких интенсивностей (поскольку у человека задействуется иной механизм восприятия через палочки).
Цветовое пространство стимулов имеет свойство аддитивного смешивания - сумма двух цветовых векторов будет соответствовать цвету, равному получаемому смешением этих двух цветов. Таким образом можно описывать любые цвета (вектора цветового пространства), через комбинацию красного, зеленого и синего излучателей основных цветов. На этом принципе основана работа экранов телевизоров и компьютеров. Но важно понимать, что эти устройства не воспроизводят оригинальное излучение (полный спектр), а лишь имитируют изображение, в идеале неотличимое человеком от оригинального.
Рис. 16 . Функции цветового соответствия Стандартного Колориметрического Наблюдателя.
Функции цветового соответствия Стандартного Колориметрического Наблюдателя, определенные комитетом CIE в 1931 году на диапазоне длин волн от 380 нм до 780 нм (с 5 нм интервалом). Цветовое пространство XYZ - это эталонная цветовая модель, заданная в строгом математическом смысле организацией CIE (International Commission on Illumination — Международная комиссия по освещению) в 1931 году. Модель XYZ является мастер - моделью практически всех остальных цветовых моделей, используемых в технических областях.
Эксперименты, проведенные в конце 20-х и начале 30-х годов, послужили основой для определения функций цветового соответствия (color matching functions). Изначально функции цветового соответствия были выяснены для 2o - го поля зрения (использовался соответствующий колориметр). В 1964 году комитет CIE опубликовал дополнительные данные для 10o - го поля зрения.
Упрощенная схема испытаний выглядит так. Три монохроматических источника света направляются на белый экран таким образом, что их цвет перемешивается. Испытуемый с пультом располагается перед экраном. В его распоряжении три ручки, управляющие яркостью этих источников. На другой стороне экрана воспроизводится точка некоторого эталонного цвета. Задача испытуемого состоит в том, чтобы меняя яркости управляемых источников света, сделать цвет контрольной точки совпадающим с эталонным. Интенсивность источников света меняется от -1 до 1. Лампа при интенсивности 1 работает на полную мощность, при 0 – лампа выключена, при -1 – свет источника вычитается из результирующего. Это достигается путём увеличения соответствующего компонента яркости эталонной точки.
По результатам проведённых испытаний были синтезированы три искусственные функции реакции глаза, зависящие от длины волны света. Они построены таким образом, чтобы упростить расчёты. На основе этих функций строится трёхмерная поверхность, включающая в себя все видимые человеко цвета.
Заметим, что в определении кривых модели XYZ заложен фактор своевольности - форма каждой кривой может быть измерена с достаточной точностью, однако кривая суммарной интенсивности (или сумма всех трех кривых) заключает в своем определении субъективный момент. Реципиента просят определить, имеют ли два источника света одинаковую яркость, даже если эти источники абсолютно разного цвета. Также стоит заметить, что относительная нормировка кривых X, Y и Z основана на произвольном выборе, поскольку можно предложить альтернативную работающую модель, в которой кривая чувствительности X имеет двукратно усиленную амплитуду. При этом цветовое пространство будет иметь иную форму. Кривые X, Y, Z в модели CIE XYZ 1931 и 1964 выбраны таким образом, чтобы площади поверхности под каждой кривой были равны между собой.
Работать с трёхмерным изображением неудобно, поэтому поверхность проецируют на плоскость xy.
Рис. 17 . Хроматическая диаграмма с длинами волн цветов.
На рисунке справа представлена классическая хроматическая диаграмма модели XYZ с длинами волн цветов. Значения x и y в ней соответствуют X, Y и Z согласно следующим формулам:
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
