- •Часть I
- •Оглавление
- •Общее введение в компьютерную графику Предмет и область применения компьютерной графики
- •1. Отображение информации
- •2. Проектирование
- •3. Моделирование
- •4. Графический пользовательский интерфейс
- •Краткая история
- •Технические средства поддержки компьютерной графики
- •Вопросы и упражнения
- •Цвет в компьютерной графике о природе света и цвета
- •Цветовой график мко
- •Цветовые модели rgb и cmy
- •Цветовые модели hsv и hls
- •Пространство cie Luv
- •Вопросы и упражнения
- •Геометрические преобразования Системы координат и векторы
- •Уравнения прямой и плоскости
- •Аналитическое представление кривых и поверхностей
- •Пересечение луча с плоскостью и сферой
- •Интерполяция функций одной и двух переменных
- •Матрицы
- •Геометрические преобразования (перенос, масштабирование, вращение)
- •Переход в другую систему координат
- •Задача вращения относительно произвольной оси
- •Вопросы и упражнения
- •Представление геометрической информации Геометрические примитивы
- •Системы координат: мировая, объектная, наблюдателя и экранная
- •Однородные координаты. Задание геометрических преобразований в однородных координатах с помощью матриц
- •Вопросы и упражнения
- •Отсечение (клиппирование) геометрических примитивов
- •Алгоритм Сазерленда — Коэна отсечения прямоугольной областью
- •Отсечение выпуклым многоугольником
- •Клиппирование многоугольников
- •Вопросы и упражнения
- •Удаление невидимых поверхностей и линий
- •Удаление нелицевых граней многогранника Алгоритм Робертса
- •Алгоритм Варнока
- •Алгоритм Вейлера — Азертона
- •Метод z-буфера
- •Методы приоритетов (художника, плавающего горизонта)
- •Алгоритмы построчного сканирования для криволинейных поверхностей
- •Метод двоичного разбиения пространства
- •Метод трассировки лучей
- •Вопросы и упражнения
- •Проецирование пространственных сцен Основные типы проекций
- •Параллельные проекции
- •Центральные проекции
- •Математический аппарат
- •Ортогональные проекции
- •Косоугольные проекции
- •Центральные проекции
- •Специальные картографические проекции. Экзотические проекции земной сферы
- •Стереографическая проекция
- •Гномоническая проекция
- •Ортографическая проекция
- •Проекции на цилиндр
- •Проекция Меркатора
- •Проекции на многогранник
- •Необычные проекции
- •Вопросы и упражнения
- •Растровое преобразование графических примитивов
- •Алгоритм Брезенхема растровой дискретизации отрезка
- •Алгоритмы Брезенхема растровой дискретизации окружности и эллипса
- •Алгоритмы заполнения областей
- •Вопросы и упражнения
- •Закрашивание. Рендеринг полигональных моделей
- •Простая модель освещения
- •Закраска граней Плоское закрашивание
- •Закраска методом Гуро
- •Закраска методом Фонга
- •Более сложные модели освещения
- •Устранение ступенчатости (антиэлайзинг)
- •Вопросы и упражнения
- •Визуализация пространственных реалистических сцен Свето-теневой анализ
- •Метод излучательности
- •Глобальная модель освещения с трассировкой лучей
- •Текстуры
- •Вопросы и упражнения
- •Список литературы
Глобальная модель освещения с трассировкой лучей
Мы уже касались ранее понятия трассировки лучей при описании алгоритмов удаления невидимых граней. Теперь рассмотрим аналогичную процедуру в применении к моделям освещения. В предыдущей главе были описаны модели освещенности от некоторого источника света без учета того, что сами объекты сцены освещают друг друга посредством отраженных лучей. Метод излучательности, разработанный для диффузной модели освещенности уже учитывает этот фактор.
Глобальная модель освещенности способна воспроизводить эффекты зеркального отражения и преломления лучей (прозрачность и полупрозрачность), а также затенение. Она является составной частью алгоритма удаления невидимых поверхностей методом трассировки.
Рис. 10.3. Сцена, содержащая зеркальные и полупрозрачные поверхности
Если рассмотреть сцену, содержащую в числе прочих зеркальные и полупрозрачные поверхности (рис. 10.3), то изображение будет включать, во-первых, проекции самих объектов, освещенных одним или несколькими источниками света. В некоторых своих частях эти объекты будут искаженны за счет преломления лучей в прозрачных и полупрозрачных телах. Во-вторых, часть объектов будет отражаться зеркальными поверхностями, и эти отражения появятся на проекциях зеркальных объектов. В изображенной на рис. 10.3 сцене точки на поверхности призмы , видны на картинной плоскости дважды: один раз — сквозь полупрозрачный параллелепипед в виде точек , а второй раз — как дважды отраженные невидимой поверхностью параллелепипеда и зеркалом . Параллелепипед в данном случае частично обладает зеркальными свойствами.
Глобальная модель освещения для каждого пикселя изображения определяет его интенсивность. Будем для простоты считать, что все источники света точечные. Сначала определяется непосредственная освещенность источниками без учета отражений от других поверхностей (вторичная освещенность): отслеживаются лучи, направленные ко всем источникам. Тогда наблюдаемая интенсивность (или отраженная точкой энергия) выражается следующим соотношением:
,
где
— коэффициент фонового (рассеянного) освещения;
— коэффициент диффузного отражения;
— коэффициент зеркального отражения;
— коэффициент пропускания;
— единичный вектор нормали к поверхности в точке;
— единичный вектор, направленный к j-му источнику света;
— единичный локальный вектор, направленный в точку наблюдения;
— отраженный вектор ;
— интенсивность фонового освещения;
— интенсивность j-го источника света;
— интенсивность, приходящая по зеркально отраженному лучу;
— интенсивность, приходящая по преломленному лучу.
В алгоритме удаления невидимых линий трассировка луча продолжалась до первого пересечения с поверхностью. В глобальной модели освещения этим дело не ограничивается: осуществляется дальнейшая трассировка отраженного и преломленного лучей. Таким образом, происходит разветвление алгоритма в виде двоичного дерева. Процесс продолжается до тех пор, пока очередные лучи не останутся без пересечений. Отражение и преломление рассчитываются по законам геометрической оптики, которые уже рассматривались в предыдущей главе.
Пусть , , — направления падающего, отраженного и преломленного лучей (рис. 10.4), , — единичная внешняя нормаль, — коэффициенты преломления сред, разделенных поверхностью. Тогда можно показать, что
, ,
.
Соответствующие единичные векторы получить нетрудно.
Д
Рис. 10.4. Зеркальное отражение и преломление
Теоретически дерево может оказаться бесконечным, поэтому при его построении желательно задать максимальную глубину, чтобы избежать переполнения памяти компьютера.
Поскольку значительная часть лучей, исходящая от источников света и других поверхностей, не попадает в поле зрения наблюдателя, то отслеживать их всех не имеет смысла. Поэтому для формирования изображения используется обратная трассировка, т. е. лучи отслеживаются в обратном порядке: от положения наблюдателя через все точки картинной плоскости к объектам и далее — по отраженным и преломленным лучам.