9. Геометрические объекты и примитивы.

Примитивы - это наименьшие неделимые с точки зpения пpикладной пpогpаммы элементы, используемые как базовые. Подpазделяются на: геометpические(точки,отpезки,ломаные,дуги), текстовые (), символьные (маpкеpы). Различают физический и логический уpовни фоpмиpования пpимитивов. Пpи физич.- объект генеpиpуется с помощью аппаpатного блока.; логич.-гpафический элемент генеpиpуется пpогpаммным обpазом. Пpимитивы опpеделяются паpаметpами и атpибутами: паpаметpы - фоpма, pазмеp, местоположение(пp:-видимость,-яpкость,-цвет,-pежим меpцания,-толщина линии); атpибуты - визуальные свойства и статус по отношению к pазличным опеpациям (пp:-возмpжность / невозможность указания пpимитива, -удаление, -пpеобpазования). Пpименение пpимитивов значительно облегчает пpоцесс фоpмиpования объектов и изобpажения. Гpафический обект-множество пpимитивов под одним именем, котоpые обладают одинаковыми атpибутами.

Гpафическая библиотека BGI.

Состоит из постоянного ядpа гpаф.системы и набоpа гpаф. дpайвеpов, включаемых в систему по меpе надобности (обеспечивают независимость пpогpаммы от аппаpатуpы)

1.Инициализация и завеpшение pаботы.

p InitGraph - p CloseGraph - p RestoreCrtMode- p SetGraphMode - f GetMaxX - f GetMaxY - 2.Работа с точками.

p PutPixel - f GetPixel -

3.Работа с гp.объектами.

SetColor - установ.текущего цвета

SetBkColor - установ.цвета фона

SetLineStyle - тип линии

Line - pисование линии

Circle - pисование кpуга

Arc - pисование дуги окpужности

Ellipsе - pисование дуги эллипса

DrawPoly - pисование многоугольника

4.Работа со сплошными объектами.

SetFillStyle - задание стандаpтных паpаметpов запол нения фигуp

SetFillPattern- задание пpоизвольных паpаметpов запол нения фигуp

Bar - закpашенный пpямоугольник

FillEllipse - закpашенный эллипс

FillPoly - закpашенный многоугольник

FloodFill - заполнение области текущим оpнаментом

Bar3D - закpашенный паpаллелепипед

5.Работа с изобpажением.

GetImage - сохpанение в буфеp

PutImage - вывод из буфеpа

6.Работа с шpифтами.

SetTextStyle - задание типа, начеpтания и коэфф.уве личения символа

OutText - вывод последовательности символов

OutTextXY - вывод последовательности символов с кооpдинат XY

7.Работа с текстовым pежимом.

SetWriteMode - задание способа постpоения линии

8.Работа с видеостpаницами.

SetVisualPage - задание отобpажаемой на экpане стpаницы p SetActiePage - задание активной стpаницы

9.Работа с окнами.

SetViewPort - задание pазмеpов окна

10.Работа с палитpой.

SetAllPalette - задание всех цветов палитpы

GetPalette - получение паpаметpов палитpы

14. Способы создания реалистичных изображений.

Для создания реалист. изоб-ний объект визуализации рассматривается как твердое тело, освещенное источниками света, лучи которых отражаются, преломляются, поглощаются поверхностью объектов. 1-ым шагом на пути создания таких изоб-ний является удаление невидимых частей, вторым - закраска видимых.Если при отображении использ. плоскую закраску, то объемности объекта не получить. Выпуклость геом. тела вида только при неравномерной закраске. Цвет на такой поверхности имеет множество градаций или оттенков. С точки зрения физики, поверхность материального тела либо излучает, либо отражает, либо и то и другое вместе. Цвет любой точки поверхности определяется множеством элемент. актов взаимодействия со светом, падающим на объект от источника от других отражающих поверхностей. Отражательный процесс рекурсивный, приводит к определенным цветовым эффектам, например, к бликам, имеющим другую окраску, чем объект. Математически такой процесс описывается глобальными уравнениями заполнения. Такие интегральные уравнения в общем случае не поддаются решению даже численными методами. Существуют частные варианты решения (аппроксимации), например, метод трассировки лучей, метод излучаемости. Каждый из них позволяет найти решение уравнения для определенного типа объектов. Оба метода требуют большого объема вычислений и реализовывать их в реальном масштабе времени, даже для сцен средней сложности, проблематично. Более простые локальные методы, основанные на модели Фонга, и реализуют в реальном масштабе времени.

Можно выделить три основных типа характера взаимодействия света и материала поверхности.

1) Зеркальное отражение

Поверхности, таким образом взаимодействующие с падающим на светом, выглядят блестящими, так как большая часть света отражается или рассеивается в узком диапазоне углов, близких к углу отражения. сли однотипных источников несколько, высчитывается их суммарная интенсивность.ов этяой для зеркального. сти поверхности. о отраИдеальной отражающей поверхностью является зеркало, хотя и тут небольшая часть энергии поглощается, зато другой свет отражается под углом = углу падения.

2) Диффузное отражение

Падающий свет рассеивается в разных направлениях. Это характерно, например, для поверхности равномерно отраженной стены.

3) Преломление

Падающий на поверхность луч преломляется и проникает в среду под другим углом. Такой процесс характерен для стекла, воды. При этом отражается часть падающего света. В модели Фонга используются первые 2 типа, а в трассировке еще и третий.

Источники света.

Существуют 4 основных типа источников света:

1) фоновое освещение (лампа дневного света) ambient lighting

2) точечный источник (лампа накаливания) point sources

3) прожектор spotlights

4) удаленный источник (солнце) distantlight

Любой из них рассматривается как состоящий из 3х независимых источников, цветов RGB и описывается соответственно трехкомпонентной функцией излучения L=[L_RL_GL_B]. Вычисления для всех цветов осуществляется по одной схеме.

Фоновое освещение.

Общий или распределенный источник – другое название. Дает равномерный цвет по всему пространству,

т. е. считается, что точки света нет, направление различно. В простых моделях освещения считается, что каждая точка на поверхности объекта сцены освещается светом с одинаковой интенсивностью L_A.

Точечный источник.

Считается, что освещенность поверхности зависит от ориентации относительно источника. Максимальная освещенность при перпендикулярно падающих лучах от источника и уменьшается при уменьшении угла падения.

Считается, что идеальный точечный источник излучает свет одинаково во всех направлениях. Источник характеризуется координатами точки, в которой находится источник. Освещенность поверхности им обратно пропорциональна квадрату расстояния между освещаемой точкой P и точкой источника P₀.

L(pp₀)=1/(|p-p₀|²)*L(p₀)

Такая модель проста, часто используется, но в комбинации с другими источниками.

Рисунок

Учет расстояния от точечного источника вносит свою долю в изменение контрастности освещения. Вместо обратно пропорциональной зависимости в к.г. используется модификация. Формула = корень квадратный от (a+bd+cd²) d=pp₀ – расстояние

a, b, c – константы, которые подбираются из условия смягчения контрастности.

Прожекторы.

(Направленный источник или точечный ближний)

Испускает свет пучком, т. е. в каком-то направлении. Проще всего прожектор моделируется т.и.с. (точечным источником света), ограничив для него направление распространения световых лучей.

Рисунок

Более близкой к реальному является модель прожектора, с функцией распределения интенсивности в конусе излучения. Эту функцию аппроксимируют как cos^eφ, где φ – угол между осью косинуса и вектором, направленным на определенную точку поверхности, если он меньше θ. –θ<=φ<=+θ. А e определяет быстроту убывания интенсивности по мере увеличения угла φ.

Удаленный источник света.

Считается при моделировании, что все испускаемые им лучи параллельны. Моделируется заменой точечного источника параллельным пучком света. Обработка таких лучей аналогична параллельному проецированию. P₀=[xyz1] P_ОИ=[xyz0]

При этом считается, что вектор (0;0;0;0) соответствует текущему источнику, тогда (0;0;-1;0) направление вглубь сцены, а (0;-1;0;0) – сверху вниз. Прожектор моделирует пространственную неоднородность освещенности и применяется в основном для видеоэффектов, т. к. приводит к уменьшению наглядности изображения.

Отражение фонового света

Отражение фонового света характеризуется коэффициентом K_A, который изменяется в диапазоне от 0 до 1. I_A=L_A*K_A

L_A – интенсивность излучения фонового света. L_A может принимать индивидуальный значения для каждого из источников или быть единым для всех источников в сцене. Поверхность характеризуется 3мя коэффициентами: K_АГ, K_АД, K_АВ, причем их значение могут отличаться. Например, изображение белой сцены будет желтой, если K_АВ мал, а остальные велики.

Диффузное отражение.

Характеризует свойства матовости поверхности. Матовая – это поверхность на столько шероховатая, что падающий на нее луч рассеивается равномерно во все стороны (гипс, песок, бумага). Такая поверхность выглядит одинаково для всех наблюдателей. Отражение от таких поверхностей описывается законом Ламберта, согласно которому интенсивность отраженного света пропорциональна cos угла между направлением на точечный источник света и нормалью к поверхности. I_d = K_d*cosθ*L_d. I_d – интенсивность отраженного света; L_d – интенсивность точечного источника; K_d – коэффициент пропорциональности, определяющий какая часть падающего на поверхность света отражается. 0<=K_d<=1

Матовая поверхность имеет свой цвет. Цвет отраженный определяется комбинацией собственного и светоизлучения. cosθ=l*n. cosθ определяется скалярным произведением l на n. В это соотношение вводится множитель зависимости от расстояния (аналогично точечному источнику).

Зеркальное отражение.

Включив в модель только фоновое освещение и диффузное отражение, получаем изображение, на котором уже будут видны тени и передана 3D форма, но все объекты будут казаться матовыми как будто на них лежит слой пудры. Кроме матовых поверхностей существуют и зеркальные. Эти поверхности, на которых нет шероховатостей и неровностей. Собственного цвета у такой поверхности нет. Световая энергия падающего луча отражается от идеального зеркала только по линии отраженного, рассеивание в стороны отсутствует. Зеркальным отражением обладают поверхности, у которых глубина шероховатостей существенно меньше длины волны излучения <0,5 мкм.

В неидеальных зеркальных поверхностях наблюдается зависимость интенсивности отраженного света от длины волны. Чем больше длина волны, тем лучше отражение. При наличии шероховатостей существует зависимость интенсивности отражения от угла падения. Падающий луч, попадая на реальное зеркало, порождает не один, а несколько лучей, рассеиваемых по разным направлениям.

Рисунок

Зона рассеивания зависит от качества полировки, форма ее, как правило, симметрично линий идеального зеркально отраженного луча. Чем более гладкая поверхность, эта зона все более концентрируется в одном направлении зеркального отражения. Реальная зависимость отраженного луча сложная. Фонг предложил эмпирическую модель такой зависимости: интенсивность зеркального отраженного излучения пропорциональна cos^ρL, где L – угол отклонения от линий идеально отраженного луча. Здесь ρ зависит от качества полировки поверхности. Ее наз. коэффициентом резкости бликов. Значение ρ в диапазоне от 100 до 500. Применяется для металлических поверхностей. Чаще используется от 1 до 200. Меньше 100 присущ реальным матовым поверхностям. I_S=L_S*K_S*cos^ρL

I_S – интенсивность зеркально отраженного света; K_S – коэффициент пропорциональности 0<= K_S<=1. Определяет часть светового потока, отраженного от источника.

Модель освещения Фонга.

Фонг предложил использовать в модели отраженного света дополнительный аддитивный член для учета зеркальности поверхности. Таким образом, каждая поверхность представляется шероховатой для составляющей диффузного отражения и гладкой для зеркального. С учетом расстояния до источника и использования скалярного произведения векторов эта модель выглядит следующим образом

I=1/(a+bd+cd²)*( K_d*L_d*l*n+K_S*L_S*(r*v)^ρ+K_A*L_A)

Рисунок

Вычисление по этой формуле выполняется для каждого источника света, причем отдельно для каждой компоненты (r,g,b). Если однотипных источников несколько, высчитывается их суммарная интенсивность.