1.3 Основные компоненты и этапы построения реалистичной картинки
Тремя основными компонентами реалистичной картинки являются: геометрическое описание (полигональная сетка), наложение текстур и применение освещения.
Геометрическое описание. На сегодняшний день любой трёхмерный объект описывается при помощи треугольников (полигонов), в зависимости от уровня детализации модель может содержать большое количество треугольников (высокополигональные модели) и не очень большое количество треугольников (низкополигональные модели). Поскольку от количества треугольников зависит не только качество картинки, но и скорость обработки модели, для ИКГ стараются не злоупотреблять полигонами, более того существует набор техник, позволяющих повысить качество модели, состоящей из малого количества полигонов. Каждый полигон описывается тремя вершинами (vertices), под вершиной в трёхмерной графике понимается некоторый объект, который содержит не только позицию в трёхмерном пространстве, но и текстурные координаты, нормали, цвет, веса для анимации и многое другое.
Рисунок 6. Текстурные координаты
Текстурирование. Как уже было сказано выше, вершина может содержать в себе текстурные координаты (рисунок 6)
Поскольку каждый треугольник является плоским, на него достаточно легко наложить плоскую картинку из текстуры. Текстурные координаты для одного полигона соответствуют треугольнику на текстуре, этот треугольник и накладывается на полигон.
Освещение. Фактически самым важным в конечном изображении является цвет каждого пикселя (собственно это и есть изображение), а поскольку освещение непосредственно формирует конечный цвет, оно является основным способом повышения реалистичности картинки.
Этапы построения реалистических изображений в компьютерной графике. При построении различных графических изображений на экране монитора компьютера используются последовательность множеств методов и алгоритмов используемых в компьютерной графике.
Алгоритмы компьютерной графики принято разделять на группы, в каждой из которых решаются близкие по смыслу задачи. Можно выделить пять таких групп:
1. генерация простых фигур - алгоритмы, связанные с разложением в растр отрезков прямых, разомкнутых и замкнутых кривых (парабол, гипербол, окружностей, эллипсов и т.п.);
2. заполнение многоугольников (или заполнение контуров) - группа алгоритмов, осуществляющих генерацию (закраску) сплошных областей;
3. отсечение, в том числе двумерное и трехмерное - решаются задачи визуализации той части соответственно плоской и объемной сцены, которая находится внутри (внутреннее отсечение) или вне (внешнее отсечение) отсекающей фигуры;
4. удаление невидимых линий и поверхностей - алгоритмы определяют и удаляют из трехмерной сцены ребра, поверхности, объемы или их фрагменты, которые заслонены другими объектами и невидимы наблюдателю, находящемуся в заданной точке пространства
5. построение реалистических изображений - группа наиболее сложных алгоритмов, реализующих закраску участвующих в сцене объектов с учетом их взаимного расположения и физических, в том числе оптических свойств, а также расположения и характеристик источников света.
Также, повышение реалистичности изображения может быть достигнуто путем воспроизведения теней, которые отбрасывает объект, освещенный точечным источником света. Тени не только повышают реалистичность изображения, но и являются дополнительным средством для распознавания глубины.
Еще одним способом повышения реалистичности изображения является воспроизведение свойств поверхности. Одни поверхности являются матовыми и рассеивают отраженный свет по разным направлениям; другие - обладают блеском и отражают свет только в некоторых направлениях (рисунок 7) Поверхности могут быть полупрозрачными, т.е. пропускать часть света и одновременно отражать другую часть.
Рисунок 7. Различные виды поверхности
Исходя из выше сказанного, само перечисление способов построения реалистичных изображений говорит о том, какой большой объем работы необходимо проделать, какое количество технологий и методик необходимо знать, чтобы получить что-нибудь, в самом деле, стоящее.
2. Модели освещения
2.1 Освещение объектов
Световая энергия, падающая на поверхность, частично поглощается и превращается в тепло, а частично отражается и пропускается. Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет. Количество поглощенной, отраженной или пропущенной энергии зависит от длины волны света. Если объект поглощает лишь определенные длины волн, то у света, исходящего от объекта, изменяется распределение энергии - объект выглядит цветным. Цвет объекта определяется поглощаемыми длинами волн. Свойства отраженного света зависят от строения, направления и формы источника света, а также от ориентации и свойств поверхности. Отраженный от объекта свет может быть диффузным или зеркальным. Свойством диффузного отражения, т.е. равномерного по всем направлениями рассеивания света, обладают матовые поверхности. При этом кажется, что поверхности имеют одинаковую яркость независимо от угла обзора.
Рисунок 8. Падающий свет и нормаль к поверхности
Для таких поверхностей справедлив закон, устанавливающий соответствие между количеством отраженного света и косинусом угла между направлением L на точечный источник света и нормалью к поверхности (рисунок 8), т.е. количество отраженного света не зависит от положения наблюдателя, а определяется материалом объекта и длиной волны света. Для представления диффузного отражения от цветных поверхностей расчеты проводятся отдельно для основных составляющих цвета.
Зеркальное отражение происходит от внешней поверхности объекта. Если осветить ярким светом яблоко, то в результате зеркального отражения возникнет световой блик, а свет, отраженный от остальной части яблока, появится вследствие диффузного отражения. При этом в том месте, где находится световой блик, яблоко кажется не красным, а скорее белым, т.е. окрашенным в цвет падающего света. Если изменить положение головы, то сместится и световой блик. Это объясняется тем, что блестящие поверхности неодинаково отражают свет по всем направлениям. От идеально отполированной поверхности свет отражается только в том направлении, для которого углы падения и отражения совпадают. Это означает, что наблюдатель сможет увидеть зеркально отраженный свет только в том случае, если угол б равен нулю (рисунок 9). Таким образом, интенсивность зеркального отражения зависит от угла падения, длины волны падающего света и свойств вещества.
Рисунок 9. Зеркальное отражение
Поверхности могут обладать не только свойствами зеркального и диффузного отражения, но и свойствами направленного и диффузного пропускания. Направленное пропускание света происходит сквозь прозрачные вещества (например, стекло). Через них обычно хорошо видны предметы, даже, несмотря на то, что лучи света, как правило, преломляются, т.е. отклоняются от первоначального направления. Диффузное пропускание света происходит сквозь просвечивающие материалы (например, замерзшее стекло), в которых поверхностные или внутренние неоднородности приводят к беспорядочному перемешиванию световых лучей. Поэтому когда предмет рассматривается через просвечивающее вещество, его очертания размыты.
Очевидно, что если имеется не один, а несколько источников света, то каждая из перечисленных составляющих от каждого источника суммируется.
2.2 Виды моделей освещения
Существует две основных категории в которые входят различные модели освещения: Физически обоснованные и эмпирические модели освещения
Физически обоснованные модели материалов. Физически обоснованные модели стараются аппроксимировать свойства некоторого реального материала. Такие модели учитывают особенности поверхности материала, например слои материала (моделирование кожи или тонких пленок) или же поведение частиц материала (моделирование снега, песка, различных жидкостей).
Эмпирические модели материалов. Эмпирические модели устроены несколько иначе, чем физически обоснованные. Как правило, данные модели подразумевают некий набор параметров, не имеющих физической интерпретации, но позволяющих с помощью подгона получить нужный вид конечной модели. Иногда такие модели дают более качественный результат за счет большего контроля за выразительностью, чем за точностью.
Примеры эмпирических моделей: модель Ламберта, модель Фонга.
Самая простая модель освещения может быть построена, как сумма таких световых составляющих
I = Ia+Id+Is (рисунок 10)
где
Ia - фоновая составляющая (ambient);
Id - рассеянная составляющая (diffuse);
Is - зеркальная составляющая (specular).
Рисунок 10. Модель освещения на основе суммы световых составляющих
Фоновое освещение это постоянная в каждой точке величина надбавки к освещению. Вычисляется фоновая составляющая освещения как: (рисунок 11)
Ia = ka * ia ,
где
Ia - фоновая составляющая освещенности в точке,
ka - свойство материала воспринимать фоновое освещение,
ia - мощность фонового освещения.
Из формулы выше видно, что фоновая составляющая освещенности не зависит от пространственных координат освещаемой точки и источника. Часто просто задается некое глобальное фоновое освещение всей сцены.
Модель Ламберта. Модель Ламберта моделирует идеальное диффузное освещение. Считается, что свет при попадании на поверхность рассеивается равномерно во все стороны. При расчете такого освещения учитывается только ориентация поверхности (нормаль N) и направление на источник света (вектор L). Рассеянная составляющая рассчитывается по закону косинусов (закон Ламберта, рисунок 12):
Рисунок 11. Модель освещения на основе суммы световых составляющих
Рисунок 12. Закон Ламберта
Для удобства все векторы, описанные ниже, берутся единичными. В этом случае косинус угла между ними совпадает со скалярным произведением
где
Id- рассеянная составляющая освещенности в точке,
kd- свойство материала воспринимать рассеянное освещение,
id- мощность рассеянного освещения,
L - направление из точки на источник,
N - вектор нормали в точке.
Модель Ламберта является одной из самых простых моделей освещения. Данная модель очень часто используется в комбинации других моделей, практически в любой другой модели освещения можно выделить диффузную составляющую. Более-менее равномерная часть освещения (без присутствия какого-либо всплеска) как правило будет представляться моделью Ламберта с определенными характеристиками. Данная модель может быть очень удобна для анализа свойств других моделей (за счет того, что ее легко выделить из любой модели и анализировать оставшиеся составляющие).
Модель Фонга. Модель Фонга - классическая модель освещения. Модель представляет собой комбинацию диффузной составляющей (модели Ламберта) и зеркальной составляющей и работает таким образом, что кроме равномерного освещения на материале может еще появляться блик. Местонахождение блика на объекте, освещенном по модели Фонга, определяется из закона равенства углов падения и отражения. Если наблюдатель находится вблизи углов отражения, яркость соответствующей точки повышается.
Падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Т.о. отраженная составляющая освещенности в точке зависит от того, насколько близки направления на наблюдателя и отраженного луча (рисунок 13).
Это можно выразить следующей формулой:
где
Is - зеркальная составляющая освещенности в точке,
ks - коэффициент зеркального отражения,
is - мощность зеркального освещения,
R - направление отраженного луча,
V - направление на наблюдателя,
б - коэффициент блеска, свойство материала.
Рисунок 13 Падающий и отраженный лучи
Модель Блинна-Фонга. Модель Блинна-Фонга - это унификация модели Фонга, исключающая расчет отраженного луча, что упрощает вычисления. Принципиальной разницы между двумя этими моделями нет (рисунок 14).
где вектор H является «медианой» угла между векторами V и L.
Вектор H вычисляется по формуле :
Рисунок 14. Расчет вектора отражения для модели Блинна-Фонга
Заключение
реалистичный изображение освещение графика
Были проанализированы: среды для работы с мультимедиа, в которых применены современные информационные технологии, имеющие широкие возможности и предоставляющие разработчику соответствующий инструментарий для эффективной разработки приложений, презентаций, анимационных фильмов и других мультимедийных продуктов с эффектом глубокой реалистичности.
Проанализированы и уточнены требования, которые необходимо соблюдать для создания реалистичного изображения, рассмотрены основные и наиболее употребляемые в компьютерной графике модели освещения.
Таким образом, изучение данной дисциплины дало возможность выполнить поставленные задачи, проявить свои творческие способности, и пополнить свою базу знаний новыми познаниями в области мультимедиа.
Фильмы с потрясающими спецэффектами демонстрируют новый этап развития компьютерной графики и визуализации. К сожалению, большинство пользователей считают, что создание впечатляющей анимации целиком зависит от мощности компьютера. Это заблуждение имеет место и в наши дни.