6.1 Методи створення реалістичних зображень тривимірних объектів.

У системах тривимірної графіки орієнтуються на три класи геометричних моделей об'єктів, що склалися історично (мал.6.1):

а) дротова чи каркасна модель ГО (мал.6.1.a);

б) модель твердого тіла (мал. 6.1.6);

в) модель поверхні (порожня усередині) (мал. 6.1.в).

Малюнок 6.1 - Класи моделей геометричних об'єктів

Із середини 60-х років йдуть пошуки способів і засобів створення реалістичних зображень, обладаючих усіма відповідними атрибутами - кольором, тінню, відчуттям глибини і «триви-мірності» об'єкта на двовимірній видовій поверхні.

Першою.появияась каркасна «прозора» модель деякого синтетичного об'єкта, що існує тіль-ки в пам'яті ЕОМ. Ця модель дає дуже віддалене.і,найчастіше, неоднозначне[13] представлення объекта.

Друга модель - модель твердого тіла чи модель поверхні набагато ближче до реального об'єкта.

Для того, щоб перейти від моделі а) до моделі б) чи в) необхідно вирішити-задачу какие ребра і грані будуть невидимі при заданому напрямку проектування. Невидімі (сховані) лінії і поверхні підлягають видаленню і не виводяться на екран. Цей прийом до деякому ступені створює ефект третього виміру - глибини об'єкта. Крім цього, у багатьох сучасних додатках комп'ютерної графіки (тренажери, мультиплікація й ін.) для створення ефекту реаліс-тичності використовується моделювання кольору й освітленості поверхонь об'єкта, що підлягають виводу па екран. Алгоритми, що реалізують ці прийоми, забезпечують гарну наочність і «узнаваємость» об'єкта, однак найчастіше працюють дуже повільно.[!3,17].

Таким чином, для створення реалістичних зображень використовуються два досить ефективних способи:

1) видалення.скритих ліній і поверхнь;

2) розфарбування видимих поверхонь - моделювання кольору й освітленості повер- хонь з урахуванням фіксованого розташування джерела світла.

6.2.Тіні.

Алгоритми затінення у випадку крапкових джерел світла ідентичні алгоритмам видалення схованих поверхонь. В алгоритмі видалення схованих поверхонь визначаються поверхні, які можна побачити з точки зору, а в алгоритмі затінення виділяються поверхні, які можна «поба-чити» із джерела світла. Поверхні, видимі як з точки зору, так і з джерела світла, не лежать у тіні. Ті ж поверхні, що видимі з точки зору, але невидимі з джерела світла, знаходяться в тіні. Ці міркування можна легко поширити на випадок декількох джерел світла. Відзначимо, однак, що, використовуючи такий простий підхід, не можна змоделювати тіні від розподілених джерел світла. При наявності таких джерел буде потрібно обчислювати як тіні, так і півтіні.

Оскільки алгоритми затінення і видалення схованих поверхонь однакові, представляєть-ся можливим обробляти опис об'єкта, використовуючи лише один з цих алгоритмів, послідов-' но застосовуючи його до точки зору і до кожного з крапкових джерел світла. Сукупність отри-маних результатів дозволяє визначити, які частини об'єкта видимі спостерігачу і які видні з одно-го чи декількох джерел світла. На підставі цієї інформації здійснюється зафарбування сцени. Якщо правильно організувати обчислювальний процес, визначення тіней можна проводити лише один раз для серії сцен, що складаються з тих самих об'єктів, розглянутих з різних точок зору. Джерела світла передбачаються нерухомими щодо об'єктів. Усе це виявляється можливим тому, що тіні не залежать від положення точки зору.

У роботі [109] розглянуто кілька способів побудови тіней і насамперед для полігональних об'єктів. В одному зі способів [16] до об'єкта додається другий, компланарний йому багатокут-ник, що збігається з видимої (із джерела світла) частиною багатокутника, що належить об'єкту, якщо який-небудь із приналежних об'єкту багатокутників чи цілком частково бачимо з джерела світла. Виділення другого багатокутника виробляється за допомогою методу відсікання багато-кутників (гл. 11). Ці багато-

Мал.6.2. Додавання багатокутників до куба з метою виділення частин, освітлених витоком світла. кутники деталізації поверхні не приймаються в увагу при видаленні схованих поверхонь, однак використовуються при зафарбуванні. Якщо зафарбовується частина багатокутника, що видима з точки зору і покрита одним з таких багатокутників, варто враховувати як дифузійне, так і дзеркальне відображення, а також розсіяне світло. Та частина багатокутника, що видима з точки зору, але не покрита багатоктником деталізації поверхні, знаходиться в тіні і на її зафарбування впливає тільки розсіяний світло. На мал. 6.2 показані багатокутники деталізації ( утворені на поверхні куба ) при частковому затіненні трикутником. Багатокутники деталізації покривають ті частини куба, що видимі з джерела світла.

При іншому способі побудови тіней, називаному трасуванням променів, розглядаються поверхні, що як пропускають, так і відбивають світло. Цей метод описаний нижче. 6.3. ПОВЕРХНІ, ЩО ПРОПУСКАЮТЬ СВІТЛО

Поверхні можуть володіти не тільки властивостями дзеркального і дифузійного відобра-ження, але і властивостями спрямованого і дифузійного пропущення. Спрямоване пропущення світла відбувається крізь прозорі речовини (наприклад, скло чи відшліфований люциіт). Через них звичайно добре видні предмети, навіть незважаючи на те що промені світла, як правило, переломлю-ються, тобто відхиляються від первісного напрямку. Дифузійне пропущення світла відбувається крізь просвітчасті матеріали (наприклад, скло,що змерзло ), у яких поверхневі чи внутрішні неоднорідності приводять до безладного перемішування світлових променів. Тому коли предмет розглядається через просвітчасте речовину, його обриси розмиті.