25. Вычисление освещённости. Модель Гуро. Идея метода. Достоинства и недостатки.

Метод Гуро, изобретенный еще в 1971 г. и названный так по имени автора, был предназначен для устранения «угловатости», характерной для плоского затенения, и создания иллюзии кривизны плоского объекта.

Закраска по методу Гуро выполняется на основе результатов, полученных при плоской закраске. Расчет освещенности по методу Гуро выполняется в два этапа. Сначала вычисляются значения освещенности на ребрах грани (как среднее арифметическое освещенности для смежных граней). На втором этапе выполняется линейная интерполяция освещенности вдоль параллельных линий от одного ребра к другому внутри грани.

Линейный характер изменения освещенности вдоль линии позволяет составить простые и эффективные алгоритмы затенения по методу Гуро, не требующие значительных вычислительных затрат.

Интерполяции может подвергаться не только освещенность, но и цвет. В игровых ЗD-акселераторах затенение Гуро является наиболее распространенным приемом, позволяющим быстро и легко устранить дефекты, полученные в результате тесселяции (разбиения на полигоны) поверхности объекта.

Метод Гуро применим только для небольших граней, расположенных на значительном расстоянии от источника света. Если же размер грани достаточно велик, то расстояние от источника света до ее центра будет значительно меньше, чем до ее вершин, и, согласно закону освещенности, центр грани должен быть освещен сильнее ребер. Однако модель изменения освещенности, принятая в методе Гуро, предполагает линейное изменение яркости в пределах грани и не позволяет сделать середину грани ярче, чем ее края. В итоге на изображении появляются участки с неестественной освещенностью.

26. Вычисление освещённости. Модель Фонга. Идея метода. Достоинства и недостатки.

От недостатка, присущего методу Гуро, свободна закраска Фонга. Данный метод, как и два предыдущих, предполагает постоянство расстояния от источника света до каждой из вершин грани, но учитывает изменение угла падения света для различных точек грани (в идеале — для всех точек, как минимум — для вершин грани). Это позволяет более корректно рассчитать освещенность грани, особенно в том случае, когда источник света расположен на небольшом расстоянии от нее.

Другой важной особенностью закраски по методу Фонга является то, что для каждой точки грани используется своя «нормаль», направление которой может отличаться от направления истинной нормали к грани. Строго говоря, эти «нормали» не являются таковыми в полном смысле. Всем известно, что векторы, перпендикулярные одной плоскости (в данном случае — грани), должны быть параллельны друг другу. Однако «нормалью» эти векторы названы не случайно: согласно методу Фонга, они ориентируются таким образом, что являются нормалями некоторой воображаемой выпуклой или вогнутой поверхности, которой принадлежат вершины грани. В дальнейшем, при расчете освещенности каждой точки грани, в соотношении для закона освещенности используются именно эти «нормали», т. е. фактически рассчитывается освещенность не плоской грани, а искривленной поверхности, что позволяет эффективно сгладить «граненую» структуру объекта.

Сказанное выше поясняется рис. . Для каждой грани, помимо основной, истинной нормали п, рассчитываются три «нормали» п1, п2 n3. Каждая из них определяется как геометрическая сумма нормалей к граням, которым принадлежит данная вершина

Б лагодаря такому способу определения п1, п2 n3 каждая дополнительная «нормаль» является истинной нормалью к некоторой воображаемой выпуклой или вогнутой поверхности, проходящей через вершины граней (рис. 5.9, б). Далее, для каждой точки грани рассчитывается собственная «нормаль» как результат интерполяции «нормалей» по поверхности грани. Этот этап закраски по методу Фонга напоминает линейную интерполяцию освещенности по методу Гуро, однако в данном случае интерполируется не скалярная величина (освещенность), а вектор «нормали», задаваемый тремя координатами. По этой причине реализация затенения по методу Фонга требует значительных вычислительных затрат и редко используется в реальном масштабе времени.

Объем необходимых вычислений можно значительно сократить, если затенение Фонга выполнять с помощью так называемых карт затенения, подготовленных заранее (этот алгоритм предложил Майкл Абраш).

Карта затенения представляет собой изображение плоской поверхности, освещаемой точечным источником света, расположенным над ее центром. Освещенность каждой точки этой карты рассчитывается на основе закона освещенности. Заметим, что точки карты, лежащие на концентрических окружностях, имеют одинаковую освещенность, посколькудля них угол между нормалью к поверхности и направлением на источник света одинаков. Карта затенения используется в качестве шаблона, задающего распределение освещенности в пределах грани.