Навигация
Построение реалистичного изображения методом обратной трассировки лучей
45684
знака
0
таблиц
16
изображений
Оглавление
Введение
1. Конструкторская часть
Трассировка лучей
Построение теней
- Сплошные тени
- Реалистичные тени
Математические и физические предпосылки алгоритма обратной трассировки
- Освещение
- Схема расчета интенсивности. Параметры, задающие свойства тел.
Вычисление нормалей
Вычисление отраженного луча
Вычисление преломленного луча
Вычисление точки пересечения с примитивом
Описание типов данных. Структура программы
Краткое описание структур и классов
2. Технологическая часть
Выбор языка программирования
Описание интерфейса программы
3. Исследовательская часть
Зависимость времени построения от глубины рекурсии
Зависимость времени построения от количества источников
Выводы по результатам исследований
Заключение
Список литературы
Введение
Эта программа посвящена генерации реалистичных изображений, в частности – реалистичному изображению стекла.
Существует несколько методов генерации реалистичных изображений, таких как прямая трассировка лучей (трассировка фотонов), обратная трассировка лучей, radiosity.
Методы трассировки лучей на сегодняшний день считаются наиболее мощными и универсальными методами создания реалистичных изображений. Известно много примеров реализации алгоритмов трассировки для качественного отображения самых сложных трехмерных сцен. Можно отметить, что универсальность методов трассировки в значительной степени обусловлена тем, что в их основе лежат простые и ясные понятия, отражающие наш опыт восприятия окружающего мира.
Окружающие нас объекты обладают по отношению к свету такими свойствами:
- излучают;
- отражают и поглощают;
- пропускают сквозь себя.
Каждое из этих свойств можно описать некоторым набором характеристик.
Излучение можно охарактеризовать интенсивностью и спектром.
Свойство отражения (поглощения) можно описать характеристиками диффузного рассеивания и зеркального отражения. Прозрачность можно описать ослаблением интенсивности и преломлением.
Из точек поверхности (объема) излучающих объектов исходят лучи света. Можно назвать такие лучи первичными – они освещают все остальное. От источников излучения исходит по различным направлениям бесчисленное множество первичных лучей. Некоторые лучи уходят в свободное пространство, а некоторые попадают на другие объекты. Если луч попадает в прозрачный объект, то, преломляясь, он идет дальше, при этом некоторая часть световой энергии поглощается.
В результате действия на объекты первичных лучей возникают вторичные лучи. Некоторые из них попадают на другие объекты. Так, многократно отражаясь и преломляясь, отдельные световые лучи приходят в точку наблюдения. Таким образом, изображение сцены формируется некоторым множеством световых лучей.
Цвет отдельных точек изображения определяется спектром и интенсивностью первичных лучей источников излучения, а также поглощением световой энергии в объектах, встретившихся на пути соответствующих лучей.
Непосредственная реализация данной лучевой модели формирования изображения представляется затруднительной. Можно попробовать построить алгоритм построения изображения указанным способом. В таком алгоритме необходимо предусмотреть перебор всех первичных лучей и определить те из них, которые попадают в объекты и в камеру. Затем выполнить перебор всех вторичных лучей, и также учесть только те, которые попадают в объекты и в камеру. И так далее. Такой алгоритм называется прямой трассировкой лучей. Главный недостаток этого метода – много лишних операций, связанных с расчетом лучей, которые затем не используются.
Обратная трассировка лучей.
Именно этому методу генерации реалистичных изображений посвящена эта работа.
Метод обратной трассировки лучей позволяет значительно сократить перебор световых лучей. Метод разработан в 80-х годах, основополагающими считаются работы Уиттеда и Кэя. Согласно этому методу отслеживание лучей производится не от источников света, а в обратном направлении – от точки наблюдения. Так учитываются только те лучи, которые вносят вклад в формирование изображения.
Плоскость проецирования разбита на множество пикселов. Выберем центральную проекцию с центром схода на некотором расстоянии от плоскости проецирования. Проведем прямую линию из центра схода через середину пиксела плоскости проецирования. Это будет первичный луч обратной трассировки. Если этот луч попадет в один или несколько объектов сцены, то выбираем ближайшую точку пересечения. Для определения цвета пиксела изображения нужно учитывать свойства объекта, а также то, какое световое излучение приходится на соответствующую точку объекта.
Если объект зеркальный (хотя бы частично), то строим вторичный луч – луч падения, считая лучом отражения предыдущий, первичный трассируемый луч. Для идеального зеркала достаточно затем проследить лишь очередную точку пересечения вторичного луча с некоторым объектом. У идеального зеркала идеально ровная отполированная поверхность, поэтому одному отраженному лучу соответствует только один падающий луч. Зеркало может быть затемненным, то есть поглощать часть световой энергии, но все равно остается правило: один луч падает – один отражается.
Если объект прозрачный, то необходимо построить новый луч, такой, который при преломлении давал бы предыдущий трассируемый луч.
Для диффузного отражения интенсивность отраженного света, как известно, пропорциональна косинусу угла между вектором луча от источника света и нормалью.Когда выясняется, что текущий луч обратной трассировки не пересекает какой-либо объект, а уходит в свободное пространство, то на этом трассировка для этого луча заканчивается.
При практической реализации метода обратной трассировки вводят ограничения. Некоторые из них необходимы, чтобы можно было в принципе решить задачу синтеза изображения, а некоторые ограничения позволяют значительно повысить быстродействие трассировки.
Ограничения при реализации трассировки.
1. Среди всех типов объектов выделим некоторые, которые назовем источниками света. Источники света могут только излучать свет, но не могут его отражать или преломлять. Будем рассматривать только точечные источники света.
2. Свойства отражающих поверхностей описываются суммой двух составляющих – диффузной и зеркальной.
3. В свою очередь, зеркальность также описывается двумя составляющими. Первая (reflection) учитывает отражение от других объектов, не являющихся источниками света. Строится только один зеркально отраженный луч r для дальнейшей трассировки. Вторая компонента (specular) означает световые блики от источников света. Для этого направляются лучи на все источники света и определяются углы, образуемые этими лучами с зеркально отраженным лучом обратной трассировки (r). При зеркальном отражении цвет точки поверхности определяется собственным цветом того, что отражается.
4. При диффузном отражении учитываются только лучи от источников света. Лучи от зеркально отражающих поверхностей ИГНОРИРУЮТСЯ. Если луч, направленный на данный источник света, закрывается другим объектом, значит, данная точка объекта находится в тени. При диффузном отражении цвет освещенной точки поверхности определяется собственным цветом поверхности и цветом источников света.
5. Для прозрачных (transparent) объектов не учитывается зависимость коэффициента преломления от длины волны. (Иногда прозрачность вообще моделируют без преломления, то есть направление преломленного луча t совпадает с направлением падающего луча.)
Похожие работы
... , пользуясь рекурсивным алгоритмом. 2.2.3 Текстуры Информация о текстурах хранится в массиве Tex. Для каждой текстуры хранятся ее размеры (lx, ly) и указатель на область памяти, куда загружена текстура (PT). TTex=record lx,ly: integer; PT: PRGBI; end 2.3 Алгоритм обратной трассировки лучей 2.3.1 Описание алгоритма Методы трассировки лучей на сегодняшний день считаются наиболее ...
... ,0) могут быть вычислены на основании его индексов: xij = c(j- J/2 -1/2) yij = d(I/2-i+1/2), где I,J - максимальное значение соответствующих индексов Преобразование координат из экранной системы в объектную xyzXYZ [X,Y,Z,1]=[x,y,z,1] M M - матрица порядка 4, являющееся обратной матрице M, связывающей объектную правую и экранную левую системы. Модель ...
... прочие). В соответствии с принципами формирования изображения аддитивным или субтрактивным методами разработаны способы разделения цветового оттенка на составляющие компоненты, называемые цветовыми моделями. В компьютерной графике в основном применяют модели RGB и HSB (для создания и обработки аддитивных изображений) и CMYK (для печати копии изображения на полиграфическом оборудовании). Цветовые ...
... то, что: – При повышении степени сжатия изображение распадаемся на отдельные квадраты (8x8). – Проявляется эффект Гиббса – ореолы по границам резких переходов цветов. Форматы графических файлов В компьютерной графике применяют по меньшей мере три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них стала стандартом «де-факто» и применяется в подавляющем большинстве ...
0 комментариев