Рекурсивные алгоритмы построения изображения

Курсовая работа

По машинной графике

На тему: Построение реалистических изображений поверхности океана с 3хмерной лодки, которая плавает по поверхности океана

СОДЕРЖАНИЕ

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Современные алгоритмы машинной графики

Рекурсивные алгоритмы построения изображения

Назначение программы

КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

Выбор и обоснование используемых алгоритмов

Базовые алгоритмы

Алгоритм обратной трассировки лучей

Глобальная модель освещения Уиттеда

Стохастический суперсэмплинг

Шум Перлина

Система координат

Объекты сцены

Солнце

Лодка

Водная поверхность

Базовые трехмерные объекты

Сфера

Треугольник

Текстура и фактура

Общие сведения

Наложение текстуры на треугольник

Фактура

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

Выбор и обоснование языка и среды программирования

Структура классов программы

Математические абстракции

Вспомогательные классы свойств трехмерных объектов

Базовые трехмерные объекты

Источник света

Сцена

Алгоритмы визуализации

Классы интерфейса

Пользовательский интерфейс

Главное меню

Диалог установки размера изображения

Диалог установки параметров сцены

Диалог установки параметров камеры

Условия применения программы

Обращение к программе

Входные и выходные данные

Сообщения

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

Описание экспериментов

Результаты экспериментов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1

ВВЕДЕНИЕ

Современные алгоритмы машинной графики

 

В настоящее время вопросы, связанные с отображением на экране дисплея разнообразных изображений, как никогда актуальны. Графика используется практически во всех областях деятельности человека, так или иначе связанных с использованием компьютера. Графическое представление информации может быть как всего лишь более удобным средством представления информации и организации взаимодействия пользователя с вычислительной машиной, так и неотъемлемой частью вычислительного комплекса, например, при моделировании сложных процессов, природных явлений, реалистичной графики в трехмерных компьютерных играх.

До недавнего времени основным критерием выбора способа отображения трехмерных объектом являлась скорость вычислений, в силу того, что мощности компьютеров не хватало для полноценной реализации существующих алгоритмов.

Примером таких «быстрых» алгоритмов являются алгоритмы, такие как z-буфер, использующие построчный просчет видимого изображения; эти методы давали вполне приемлемую скорость и до сих пор используются в ряде случаев, когда на первом месте стоит быстродействие. Однако они имеют один существенный недостаток, который в ряде случаев сводит на нет их преимущества: с их помощью невозможно построить высокореалистичные изображения с отображением таких оптических эффектов, как отражение, преломление, блики света от воды и т.д. Были попытки сымитировать подобные эффекты, накладывая на объекты, заранее просчитанные текстуры освещенности, что в совокупности с эффективными алгоритмами оптимизации несколько приближало изображение к реальности. Такой подход широко использовался в трехмерных компьютерных играх и был доведен разработчиками практически до совершенства. Однако того качества изображения, которое может быть получено с применением рекурсивных алгоритмов, таких как прямая и обратная трассировка лучей, а также алгоритм излучательности, им никогда не достичь.

Рекурсивные алгоритмы построения изображения

 

Для получения действительно реалистичных изображений, сравнимых с фотографией, в настоящее время существует три алгоритма: алгоритм прямой трассировки лучей, алгоритм обратной трассировки лучей и алгоритм излучательности.

Алгоритм прямой трассировки лучей разработан уже давно, но, как и в момент его создания, в настоящее время он применяется очень мало в силу исключительно больших вычислительных затрат и существенной избыточности вычислений. Кроме того, очень трудно предсказать время вычисления, которое может оказаться неприемлемо большим. Однако алгоритм все же используется, поскольку качество и реалистичность получаемого изображения очень высоки.

Алгоритм обратной трассировки лучей в той или иной модификации является основным средством получения высокореалистичных изображений с большинством возможных оптических эффектов, наблюдаемых в реальной жизни. Результат работы алгоритма оказывается очень близким к реальности. В настоящее время обратная трассировка лучей становится все более популярной, и существует тенденция применения модификаций этого алгоритма в программах, требующих построения трехмерных изображений в реальном времени, например, в компьютерных играх. Это стало возможным благодаря тому, что данный алгоритм естественным образом распараллеливается и, таким образом, в полной мере может использоваться многопроцессорными системами.

Еще одним рекурсивным алгоритмом построения реалистических изображений, принципиально отличающимся от перечисленных, является алгоритм излучательности. В отличие от трассировки лучей, основанной на принципах геометрической оптики, данный метод использует законы сохранения энергии, что позволяет моделировать сцену физически соответствующую реальности. Алгоритм излучательности обычно используется в комбинации с обратной трассировкой лучей.

Назначение программы

 

Данная программа предназначена для построения реалистических изображений поверхности воды с трехмерным объектом на ней. В ее основе лежит алгоритм обратной трассировки лучей, включающий в себя поддержку отражения и преломления лучей, а также учет таких оптических эффектов, как блики от солнца, и различных волнений водной поверхности. Дополнительно реализованы такие алгоритмы, как наложение текстуры, отображение фактуры поверхности, устранение «лестничного» эффекта по алгоритму стохастического суперсэмплинга.

Сцена состоит из водной поверхности, трехмерной лодки и солнца. Пользователь имеет возможность редактировать размеры лодки, ее положение в пространстве. Освещенность сцены и положение солнца рассчитываются в зависимости от введенных пользователем параметров: дата, время и географическое положение. Программа может, как строить один кадр сцены, так и последовательность кадров (мультипликация), когда лодка движется в зависимости от направления и скорости ветра.