4 Использование методов порталов и иерархических подсцен при создании виртуальной реальности. Метод порталов

Метод порталов позволяет осуществлять построение виртуальной реальности «на лету».

Исходная сцена по методу порталов разбивается на множество выпуклых областей. Места соединения между собой, через которые можно видеть области друг из друга, называются порталами. При построении PVS (списка потенциально видимых граней) в первую очередь в него заносятся все грани текущей области. На следующем шаге рассматриваются порталы (окна, двери), соединяющие текущую область с соседними. Например, для области А таким порталом является портал 2-31.

Далее рассматриваются соседние области и имеющиеся у них порталы. В этих областях выделяются те грани, которые видны из первой области (области А). Эти грани помещаются в PVS. Далее процедура продолжается рекурсивно. Рекурсивный алгоритм выполняется до тех пор, пока области перекрытия порталов не будут пустыми.

Так как в данном случае все области являются выпуклыми, то можно пользоваться простейшими алгоритмами отсечения.

Метод иерархических подсцен

Метод порталов можно усовершенствовать, сняв ограничения на выпуклость областей. В этом случае вся сцена разбивается на ряд подсцен при помощи алгоритма порталов. Каждая подсцена рассматривается как отдельный объект, наделенный внутренней структурой, с которым может быть связан алгоритм визуализации. Каждый такой объект–подсцена описывается структурой данных, включающей:

1) описание самой подсцены;

2) описание и характеристики метода визуализации.

Внутренняя организация и метод визуализации для каждой подсцены может быть уникальным, наиболее полно учитывающим ее особенности, Для подсцен, моделирующих внутренние помещения, целесообразно использовать алгоритмы, базирующиеся на BSP-деревьях, или в простейших случаях, алгоритмы с Z-буфером.

Для подсцен, моделирующих открытые участки (ландшафты), можно использовать алгоритмы, основанные на явной сортировке граней. При указанном подходе, каждая подсцена может состоять из более мелких подсцен. Таким образом, в результате разбиения моделируемой сцены мы приходим к иерархической модели подсцен, соединяющихся между собой посредством порталов.

При помощи данного метода можно эффективно реализовать алгоритмы визуализации универсального характера, ориентированные на применение в различных областях и использующие достаточно разнородные объекты.

5 Классификация цветовых моделей и форматов компьютерной графики

Цветовой формат – это способ представления цветов, используемый при обработке, хранении, передаче и отображении графической информации. Различают три вида цветовых форматов: табличный; библиотечный; пространственный.

Табличный формат

Его основа - введение ограничения на кол-во цветов, используемых в изображении. При описании графич информации в данном формате, вместе с графическим образом растровых данных указывается таблица цветов или палитра (Color Map, Color Index или Palette). Каждый элемент данной таблицы определяет цвет в формате RGB. Данные растра - ссылки на элементы таблицы. Использование табличных, или индексированных цветов, позволяет существенно уменьшить объем потока растровых графических данных.

Палитры отличаются количеством цветов: монохромная - 1 бит/пиксель, или 1 bpp; четырехцветная - 2 bpp; 16-цветная - 4 bpp; ахроматическая, или палитра в градациях серого цвета (grayscale) - 8 bpp (256 цветов); цветная - 8 bpp (256 цветов).

Библиотечные форматы

Данная группа форматов построена на основе принципа соответствия цветов, базирующегося на использовании методов каталогизации и нумерации цветов.

Библиотечные форматы предполагают наличие специализированных каталогов цветов. Эти каталоги должны поддерживаться производителями красящих расходных материалов.

Среди библиотечных цветов различают стандартные, или плашечные, цвета, которым соответствуют краски, а также составные, или полиграфические, цвета, которые образуются путем смешивания стандартных цветов в определенных пропорциях. В библиотечных форматах цвет идентифицируется номером в одном из каталогов цветов.

Пространственные цветовые модели

Цветовые форматы данного класса базируются на геометрических моделях систем цветов, поэтому называются цветовыми моделями. В качестве геом модели используется 3хмерное пространство (согласно первому закону Грассмана). При этом каждая ось системы координат такого пространства определяет цветность (яркость) по одному из базовых для данной системы цветовых показателей. В современных более сложных профессиональных системах, моделирующих высокоточные (полиграфические) цвета, используется от 4 до 8 базовых цветов, что соответствует пространствам более высокой размерности (до 8-мерного цветового пространства).

Существует множество цветовых моделей, которые можно разделить на три группы:

- аппаратно-ориентированные модели;

- художественные модели, или модели, ориентированные на человека;

- абстрактные модели.

Аппаратно-ориентированные модели

Среди аппаратно-ориентированных моделей наибольшее распространение получили:

- базовые модели: RGB, CMY/CMYK;

- телевизионные модели: YIQ, YUV;

- модели цифровой фотографии: Kodak PhotoCD, YCC;

- составные (многомерные, полиграфические) модели: Pantone Hexachrome, Eder MCS.

Базовые модели

Аддитивная, или RGB–модель. RGB-модель представляет собой подпространство трехмерного Евклидова пространства, ограниченное кубом, расположенным в начале системы координат. (рис. 1)

Начало системы координат соответствует черному цвету (Black). Точка, имеющая все максимальные значения координат (единицы – при использовании нормированных координат) – белому (White). На диагонали Black-White располагаются ахроматические цвета - оттенки серого.

Данная цветовая модель используется в устройствах отображения излучающего типа: в телевизионных приемниках, мониторах компьютеров.

Субстрактивная, или CMY– модель. Эта модель полностью аналогична RGB-модели, за исключением того, что в качестве базовых цветов выбраны голубой, малиновый и желтый. Кроме того, при соединении CMY-цветов происходит их вычитание.

На практике смешение CMY-цветов не позволяет получить насыщенный черный цвет, поэтому в систему CMY приходится вводить поправку в виде коэффициентов: k = min(C, M, Y) .

Получившаяся четырехмерная система координат носит название CMYK.

Цветовые модели CMY и CMYK ориентированны на устройства, использующие отраженный свет: различные типы принтеров и плоттеров.

Телевизионные модели (YIQ и YUV)

В первом стандарте на цветное телевидение использовалась цветовая модель YIQ, призванная совместить в одном телевизионном сигнале передачу цветных и черно-белых изображений.

При построении модели пространства YIQ учитывалась особенность человеческого зрения. На основании этого была предложена схема пересчета из RGB в YIQ и обратное преобразование из YIQ в RGB. Телевизионные стандарты PAL и SECAM используют иной принцип кодирования и несколько иную цветовую модель – YUV.

Художественные цветовые модели, или модели, ориентированные на человека

Предназначены для специалистов, занимающихся художественным творчеством. Наиболее распространенными моделями такого типа являются: HSV, HLS, HSL, TLS

В основе цветовых пространств данных моделей лежит художественная оценка цветовых характеристик – цветовой тон, насыщенность цвета и его яркость. С математической точки зрения эти модели отличаются формой цветового пространства (конус, двойной конус, сфера, цилиндр).

Абстрактные цветовые модели

С реди абстрактных моделей, разработанных МКО, в наст время использ модели CIE XYZ, CIE L*a*b*, CIE L*u*v*, CIE L*с*h*.

Абстрактные цветовой модели позволяют объективно оценить цветовые характеристики источников света и отражающих объектов. Определение цвета в этой системе не связано с цветами, воспринимаемыми человеком, или с цветами, воспроизводимыми аппаратными средствами. При этом координата Y задается таким образом, чтобы ее распределение энергии совпадало с кривой чувствительности глаза человека.

Широко известен цветовой график МКО (рис.2), который представляет собой проекцию пространства (x, y, Y) при Y = const. На границе области располагаются спектрально чистые (хроматичекие) цвета, а внутри – все видимые цвета. При этом все цвета, имеющие одинаковую цветность (x, y), но различную яркость, отображаются в одну точку графика МКО.

Не все цвета представимы в RGB - пространстве.

Внутри области МКО лежит кривая, соответствующая цветам абсолютно черного тела, на которой находятся стандартные точки МКО (точки A, B, C, D, E на рис. 2), которые соответствуют определенным величинам (например, точка В - солнечный свет в полдень).

Используя график МКО можно определять цвет дополнительный к заданному и доминирующий цвет светового потока.

Недостаток модели CIE XYZ: цветовое пространство этой модели является неоднородным, что затрудняет операции с цветами (величина разности двух цветов зависит от положения точек в пространстве).

Для устранения этого и некоторых других недостатков старой системы был разработан новый стандарт CIE L*a*b*. Координатами в данном цветовом пространстве являются:

L* – светлота; а* – цвета от зеленого до красного; b* – цвета от синего до желтого.

Пространство CIE L*a*b* ограничено сферой. Параметры пространства рассчитаны на среднего стандартного наблюдателя. В стандарте CIE L*a*b* определена градация ΔE, определяющее качество изображения. Данная система цветовых координат широко используется в допечатной подготовке цветных оттисков, т. к. позволяет выполнять коррекцию цвета, не изменяя соотношения цветов.