Лекция 9

Методы создания реалистических трехмерных изображений

Целью создания реалистических изображений трехмерных объектов является формирование с помощью ЭВМ столь реалистических изображений, чтобы наблюдатель принимал изображение за реальный объект, а не за синтетический объект, существующий только в памяти ЭВМ.

Механизмы восприятия глубины, присущие человеку, могут ликвидировать некоторые неясности. На рис. 14.2, а приведена двумерная проекция куба. Неопределенность состоит в том, что не известно, какому кубу соответствует куб, показанный на рис. 14.2, а: либо кубу на рис. 14.2, б, либо кубу на рис. 14.2, в. Как заметил еще в 1832 г. Неккер, человек может считать правильной интерпретацией как случай б, так и случай в. Очень легко можно переходить от одного из этих решений к другому лишь потому, что нет достаточной информации для однозначной интерпретации изображения.

Чем больше зрители знают о представляемом объекте, тем скорее они сформируют для себя то, что Грегори назвал гипотезой объекта. На рис. 14.3 показана лестница. Однако как мы ее видим: глядя сверху или же разглядывая снизу? Более вероятно, что мы выберем первую интерпретацию, возможно, потому, что чаще мы увидим лестницу у себя под ногами, а не над головой, поэтому мы знаем больше о лестницах, видимых сверху. Слегка напрягая свое воображение, мы можем перейти к другой визуальной интерпретации рисунка. Однако достаточно моргнуть и большинство зрителей вернется к первой интерпретации (вид лестницы сверху).

Методы представления отношений по глубине.

Перспективные проекции

Наша интерпретация перспективных проекций часто основывается на предположении о том, что меньший объект расположен выше. Можно предполагать, что больший дом находится ближе к зрителю. Однако дом большего размера (например, особняк) на самом деле может располагаться дальше чем тот, который на рисунке имеет меньшие размеры (например, коттедж), по крайней мере если нет других элементов для определения глубины деревьев, окон и т. д.).

Когда зрителю известно, что в проецируемом объекте много параллельных линий, перспектива обеспечивает передачу глубины, поскольку параллельные линии направлены в точки схода. Фактически это схождение линий лучше передает глубину, чем уменьшение размеров.

Передача глубины яркостью.

Глубину объекта (расстояние до него) можно представить путем изменения уровня яркости: объекты, которые, как предполагается, находятся ближе к зрителю, должны выводиться с увеличенной яркостью. Человеческий глаз различает яркости гораздо хуже, чем положение по глубине, поэтому с помощью яркости невозможно передавать небольшие различия в расстояниях от пользователя.

Отсечение по глубине

Дополнительную информацию о глубине можно получить путем отсечения по глубине (в некоторых аппаратных реализациях оно называется отсечением по оси Z). Выводимый объект пересекается плоскостью, отсекающей его удаленную часть. Следовательно, наблюдателю известно, что частично отсеченные линии были удалены секущей плоскостью. Если динамически изменять положение задней отсекающей плоскости, то наблюдатель получит больше информации о глубине.

Динамические проекции

Если серию проекций одного и того же объекта выводить быстро каждый раз с новых точек зрения, расположенных недалеко друг от друга и вокруг объекта, то создастся впечатление вращения объекта. Объединяя информацию от всех видов, зритель формирует гипотезу объекта. Так, например, проекция вращающегося куба позволяет получить два вида информации. Во-первых, получается серия различных проекций. Во-вторых, возникает эффект движения, при котором максимальная угловая скорость точек вблизи от центра вращения меньше, чем у точек, которые дальше отстоят от этого центра.

Удаление скрытых ребер и поверхностей

Удаление скрытых ребер используется в тех случаях, когда объекты представлены в каркасной форме. Удаление скрытых поверхностей применяется, когда объекты представляются сплошными поверхностями. В первом случае удаляются и не выводятся ребра, закрытые видимыми поверхностями, аналогично и для поверхностей.

При удалении скрытых поверхностей мы переходим от показа отношений по глубине к формированию реалистических изображений.

Стереоскопия

Если посмотреть на поверхность стола поочередно одним и другим глазом, получим два вида, которые будут слегка различаться, поскольку наши глаза отстоят один от другого на несколько сантиметров. Возникающий в связи с этим бинокулярный эффект служит мощным средством для восприятия глубины, называемым стереоскопией Два раздельных изображения называются стереопарой.. Наш мозг сливает два раздельных образа в один, интерпретируемый как трехмерный.

Пути создания реалистических трехмерных изображений

Первым шагом на этом пути является удаление скрытых поверхностей. Объекты, скрытые поверхности которых необходимо удалять, должны быть представлены либо как тела, либо как совокупности поверхностей. При взгляде из конкретной точки одни из поверхностей закрываются другими полностью, некоторые закрываются частично, а некоторые остаются полностью видимыми. Алгоритмы удаления скрытых поверхностей рассмотрим далее.

Вторым шагом является закраска видимых поверхностей. Внешний вид поверхности зависит от вида источника света, которым освещается объект, от свойств поверхности (цвет, фактура, отражательная способность), а также от положения и ориентации поверхности относительно источника света и других поверхностей. Источник света может представлять собой точечный источник, (подобный Солнцу или лампе накаливания), или же распределенный источник, аналогичный группе ламп дневного света. На практике во многих ситуациях присутствует также естественный свет, падающий с самых различных направлений.

Наиболее простым для моделирования источником является рассеянный естественный свет, так как он обеспечивает постоянное освещение всех поверхностей независимо от их ориентации. К сожалению, такой свет дает весьма нечеткие изображения, поскольку нередки ситуации, когда освещение обеспечивается только естественным светом. При естественном освещении две смежные стороны куба должны быть закрашены одинаково, а их общее ребро должно быть неразличимо.

Более сложным (с точки зрения моделирования), но зато более реальным источником света является точечный источник, при использовании которого освещенность поверхности зависит от ее ориентации: если лучи направлены перпендикулярно к поверхности, она освещена ярко. Чем меньше угол падения лучей, тем меньше освещенность. Такое изменение освещенности позволяет эффективно распознавать трехмерную структуру объекта.

Повышение реальности изображения может быть достигнуто путем воспроизведения теней, которые отбрасывает объект, освещенный точечным источником. Тени повышают реалистичность и являются дополнительным средством для распознавания глубины: если объект А отбрасывает тень на объект В, то А находится между В и источником света.

Другим способом повышения реальности изображения является воспроизведение свойств поверхности. Одни поверхности являются матовыми и рассеивают отраженный свет по разным направлениям; другие — обладают блеском и отражают свет только в некоторых направлениях. Поверхности могут быть также полупрозрачными, т. е. пропускать (и преломлять) часть света и одновременно отражать другую часть. Другим свойством поверхностей является их фактура: очень редко поверхности бывают совершенно гладкими, однако именно такими их моделируют с помощью многоугольников и бикубических параметрических поверхностей. Аналогично поверхность очень редко окрашена равномерно: чаще на поверхностях бывает какой-либо узор. Реалистичность изображения можно повысить также путем нанесения узора на поверхности при их закраске.

Алгоритмы удаления скрытых линий и поверхностей