Трехмерная компьютерная графика

Трехмерная компьютерная графика Процесс синтеза изображения объектов в трехмерной компьютерной гра-фике подразделяется на два этапа: этап определения видимых поверхностей и этап определения освещенности. На первом этапе для каждого пиксела растро-вого изображения необходимо сопоставить точку поверхности, видимую из центра проекций. Известно большое количество алгоритмов определения ви-димых поверхностей, наиболее распространенные из них: алгоритмы, работа-ющие по методу обратного трассирования лучей (ray-tracing) [6-9]; алгоритмы, работающие по методу прямого трассирования - алгоритм z-буфера [10]; сорти-ровки по глубине (depth sort ) [1]; алгоритмы сканирующей строки [11] и другие [12-14]. Перечисленные алгоритмы моделируют распространение света от объекта к центру проекций через рецепторы-пикселы. При этом используется один из подходов (или их комбинация): либо моделируется путь лучей от сцены к экра-ну, либо от экрана к сцене. При использовании первого подхода направление хода проекционных лучей совпадает с направлением распространения реального света, поэтому этот метод получил название метода прямого трассирования. В конкретных реализациях этого метода синтез производят путем проецирования целых графических примитивов (ГП) на экран и для каждого ГП определяют накрываемые его проекцией пикселы. При втором подходе, моделируется путь лучей от экрана к сцене. Через каждый пиксел экрана проводится проекционный луч до пересечения с одним из ГП сцены. Так как при этом направление хода моделируемых лучей противоположно направлению распространения света, этот метод назван методом обратного трассирования (ray-tracing метод) [2]. Аналогичная классификация с несколько другими формулировками приведена в [1]. Широко распространенные в наше время программные интерфейсы к гра-фическому аппаратному обеспечению такие, как OpenGL и DirectX [15], для синтеза изображения применяют разновидность метода прямого трассирования с использованием z-буфера. Существующие графические 3D-акселераторы так же работают по методу прямого трассирования и предназначены для ускорения операций указанных программных интерфейсов. Достоинства алгоритма z-буфера по сравнению с другими алгоритмами прямого трассирования – линей-ная зависимость числа сравнений в z-буфере от степени детализации объектов (то есть от числа ГП в объекте). Недостатки: вычисления на этапе растрирования пропорциональны количеству ГП. На практике единственным типом ГП, которые могут отображаться данным алгоритмом, являются многоугольники, что при-водит к низкой реалистичности (это недостаток всех методов прямого трассирования). Ограниченная точность z-буфера приводит к неправильному отображению объектов. Неточность вычисления значения координаты z приво-дит к плохой стыковке многоугольников, имеющих общую грань [1]. В то же время известно, что обратное трассирование дает гораздо большую степень реалистичности. В отличие от алгоритма z-буфера, где единственным типом ГП является многоугольник, в алгоритмах обратного трассирования можно использовать и многоугольники [16], и криволинейные поверхности [7,17]. Поэтому аппроксимировать криволинейные объекты полигонами (как это делается при прямом трассировании) не требуется. Следовательно, для задания сцены той же детальности требуется меньшее количество данных (например, требуется хранить лишь координаты центра сферы и ее радиус вместо хранения координат вершин всех аппроксимирующих ее полигонов). К другим достоинствам метода обратного трассирования относится автоматическое соблюдение требования по угловому разрешению [18,19], широкие возможности по распараллеливанию операций, возможность точного определения прямого освещения и затенения объектов, зеркального отражения, преломления через прозрачные среды и др. Однако в отличие от алгоритмов, функционирующих по методу прямого трассирования, существующие реализации ray-tracing алгоритмов имеют низкую производительность, что ограничивает область их использования системами, работающими не в реальном времени. Примеры использования таких алго-ритмов - программный пакет POV-Ray, Maya.