9. Создание реалистических изображений

Видимый свет в действительности представляет со-бой высокочастотные электромагнитные колебания (частота имеет порядок 10¹⁴ сек^–1). Длина волн при этом имеет по-рядок 10^–4 мм. Глаз в обычных условиях не ощущает вол-новую природу света. Поэтому в машинной графике для моделирования распространения света применяют законы геометрической оптики, в основу которой положены следу-ющие допущения:

1) длина оптических волн пренебрежимо мала и в пределе её можно принять равной нулю, т.е. пренебречь волновой природой света,

2) световая энергия распространяется от источников вдоль некоторых кривых - лучей.

Данные допущения позволяют значительно упростить общие законы оптики и полностью изложить их в геомет-рических терминах.

Также в упрощенной форме в машинной графике пред-ставляют изображаемые объекты, поскольку полный показ всех видимых глазом деталей у сложных поверхностей практически невозможен из-за большого объёма требуемой памяти и вычислений.

9.1. Пространственные модели

Полная поверхность модели объекта сложной формы представляет собой набор отдельных плоских либо криво-линейных поверхностей - граней, соединяющихся между собой отрезками прямых - рёбрами. Точки пересечения рёбер называются вершинами. В зависимости от назначения используют следующие виды пространственных моделей.

182

1. Каркасные. Содержат только вершины, соединяемые между собой рёбрами. Являются как бы остовом про-странственных объектов. Наиболее простой тип моделей.

2. Поверхностные. Помимо вершин и рёбер включают грани объекта.

3. Твердотельные. Наряду с поверхностью описывают и объёмные свойства объектов. Наиболее полно отражают их геометрию.

Если в качестве граней поверхностных или твердотель-ных моделей используются плоские многоугольники, то они называются полигональными. Обычно применяют тре-угольники, поскольку они наиболее просто описываются и обрабатываются при создании изображений.

Полигональные модели разрабатываются с 60-х годов. Вначале они использовались только в САПР, затем нашли широкое применение в создании искусственных изображений в кино и телевидении. В настоящее время созданы большие библиотеки моделей самых различных объектов - машин, сооружений, животных и т.д. Причём для одного и того же объекта создано, как правило, несколько моделей различной степени сложности. Самые простые (с низким разрешением) обычно содержат до нескольких сотен деталей. Их описание занимает мало памяти, а обработка требует минимального числа операций. Используют их обычно в приложениях, работающих в реальном времени (например, в играх), а также для показа в кино и телевидении на дальних планах.

Модели с высоким разрешением содержат десятки и даже сотни тысяч граней. Они занимают много места в памяти и их обработка требует большого числа операций. Поэтому они используются в основном в кино и телевидении для показа с близкого расстояния.

Преимущества полигональных моделей - простота их представления в памяти ЭВМ и относительно простые ал-горитмы обработки. Однако при моделировании объектов с

183

гладкой поверхностью стыки многогранников в полиго-нальных моделях имеют рёбра, которые при рассмотрении с близкого расстояния уменьшают реалистичность изобра-жения. Для улучшения качества изображения наряду с из-мельчением сетки используют специальные алгоритмы нанесения теней и моделирования освещённости граней.

В последнее время наряду с полигональными моделями стали широко применять NURBS-модели (Non-Uniform Ratio-nal B-Splines) – неоднородные рациональные В-сплайны. Такие модели имеют гладкие поверхности, не содержащие рёбер. По сравнению с полигональными моделями высокого разрешения NURBS-модели занимают значительно меньше памяти ЭВМ.

Текстура поверхности - это описание её цвета, прозрач-ности, отражающей способности, а также других свойств. Для одной и той же каркасной модели обычно создают несколько вариантов текстур поверхности. Влияние текстуры на по-строение изображения рассмотрено в последующих разделах.