6. Методы создания реалистичных трехмерных изображений
Цель – сформировать с помощью компьютера такие реалистичные изображения, чтобы наблюдатель принимал изображение за реальный объект. Конструкторам всегда хочется знать заранее, как будет выглядеть разрабатываемое изделие. Кроме того, реалистичное изображение гораздо дешевле, чем физическая модель-прототип или опытный образец.
Основные трудности при создании реалистичного изображения – сложность имитации реальных визуальных образов:
Свойства объекта – фактура и текстура поверхности, плавный переход цвета, тени, отражения, …
Геометрическая неоднозначность образов в пространственном соотношении
Главная трудность при передаче пространственных соотношений состоит в том, что практически все существующие устройства вывода являются плоскими. Следовательно, пространственные объекты приходится проецировать на плоскость, что приводит к существенным потерям информации, а иногда и к неопределенности изображения.
Примеры неопределенности изображения:
Методы представления отношений по глубине
Как показать трехмерные глубинные отношения на плоской поверхности (плоскости)?
Параллельные проекции
Простейший случай – параллельная прямоугольная проекция. В ней вообще не содержится сведений о глубине, поэтому совместно изображаются виды спереди, сверху, сбоку.
Перспективные проекции
В отличие от параллельных проекций, информация о глубине полностью не теряется. Размеры объектов обратно пропорциональны их расстоянию от наблюдателя.
Однако и в этом случае возможна неопределенность: данная проекция может быть параллельной проекцией усеченной пирамиды.
Интерпретация таких проекций часто основывается на том, что меньший объект расположен дальше.
Однако, какой из домиков расположен дальше, не очевидно:
Перспективные проекции выгодно использовать для объектов, имеющих подавляющее большинство параллельных ребер.
Передача глубины яркостью
Основная идея – объекты, которые находятся ближе к наблюдателю, должны выводиться с увеличенной яркостью. При этом необходимо иметь информацию о глубине: можно использовать начальные и конечные координаты для интерполяции яркости.
Этот метод эффективен для передачи больших различий, так как небольшие различия, показанные разными уровнями яркости, хужа воспринимаются глазом.
Отсечение по глубине
Выводимый
объект пересекается Z-плоскостью,
отсекающей его удаленную часть.
Z-плоскость
Динамические проекции
Если серию проекций одного объекта быстро выводить каждый раз с новых точек зрения, расположенных недалеко друг от друга вокруг объекта, то создается впечатление вращения объекта. Это очень эффективный метод, но требующий значительных ресурсов.
Удаление скрытых ребер и поверхностей
При удалении скрытых поверхностей решается задача формирования реалистичных изображений (т.е. делается отход от показа отношений по глубине). При этом возможна имитация прозрачности поверхностей для показа объектов, которые находятся внутри.
Стереоизображения
Стереоизображение – картина, использующая два отдельных изображения, позволяющих достичь стереоэффекта. Два раздельных изображения называются стереопарой. В основе стереоизображения лежит бинакулярный эффект.
Для просмотра стереоизображения используются специальные устройства и методы:
Метод перекрестного взгляда позволяет просмотреть стереокартинку без наличия какого либо оборудования, стерео эффект достигается за счет фокусировки глаз мимо (дальше или ближе) изображения. Способ пригоден только для просмотра относительно небольших стерео-изображений размером 60-70 мм каждое, что обусловленно межзрачковым расстоянием человека.
Анаглиф-очки – разноцветные очки, то есть с полупрозрачными линзами разных цветов. Дешевый метод, который не обеспечивает правильную передачу цветов.
Затворные стереоочки – позволяют достичь хорошего стереоэффекта за доступную цену.
Поляризованные стереоочки. Сами очки дороги, и требуют спецоборудования, которое ещё дороже. Однако (кроме понижения яркости и дороговизны) недостатков не имеют. Обычно применяются в стереокинотеатрах.
Стереоскоп – оптический прибор с двумя окулярами; обычно используется для просмотра стереослайдов.
Стереомонитор – оптический инструмент, с помощью которого два плоскостных изображения комбинируются таким образом, что наблюдатель получает впечатление рельефного предмета.
Виртуальный шлем (VR HMD) – шлем, который показывает для каждого глаза отдельные изображения. В результате чего получается стереоэффект.