53. Методы закраски: монотонная закраска, метод Гуро и метод Фонга. Имитация микрорельефа (карты нормалей)

Методы закраски:

• Монотонная закраска

  • Алгоритм:

1. Вычисляем нормаль к полигону

2. Вычисляем цвет

3. Рисуем закрашенный полигон полученным цветом

• Достоинства:

• Простой, как палка, не требует дополнительных вычислений.

• Недостатки — связаны с вычислением нормали:

• Невозможно моделировать тела вращения.

• Метод себя плохо ведет (наказать!), если источник освещения слишком близко расположен к поверхности. Это связано с тем, что угол падения и отражения — разный, а нормали одинаковые.

• Закраска методом Гуро (немонотонная)

  • Алгоритм:

1. Вычисляется нормаль к грани

2. Вычисляется нормаль к каждой вершине путем усреднения нормалей для соответствующих граней.

3. Согласно закону освещения, для каждой вершины [треугольника] вычисляется интенсивность (цвет).

4. Используется модифицированный алгоритм рисования закрашенного многоугольника. В каждом пикселе значение цвета определяется как средневзвешенное значений на ребрах, точнее, в местах пересечения рёбер со сканирующей строкой. Интенсивность на ребрах получается путём усреднения интенсивности на вершинах.

• Недостатки:

• Баг метода: подносим источник света к центру прямоугольника, тогда весь прямоугольник будет залит одним цветом (поскольку в углах интенсивность освещения одинаковая), хотя центр должен быть освещён сильнее.

• Закраска методом Фонга

  • Алгоритм

• Отличается тем, что путем усреднения вычисляется нормаль к каждому пикселю полигона, а уже потом вычисляется освещение. Теперь все будет честно нарисовано, но дорогой ценой (N=(N_x,N_y,N_z) — вещественный вектор).

• Достоинства:

• Более качественная картинка.

• Недостатки:

• Ресурсоёмкость и понижение скорости

• Оптимизация метода Фонга

  • Алгоритм

• У тел вращения угол нормали меняется не сильно. Считаем (α, β) — насколько сильно отклоняется нормаль в точке отклонения от нормали ко всему полигону.

• Создаем “карту” (матрицу), позволяющую из (α, β) получить N

Имитация микрорельефа:

• Честное задание шершавой поверхности в виде множества полигонов

  • Недостаток: низкая скорость

• Bump Mapping. Используется карта высот — аналог текстур, но хранящая не цвета, а поправки к координатам поверхностей (в перпендикулярном направлении).

• Normal Mapping. Аналогично BM, но хранятся поправки к нормалям.

• Displacement Mapping. Аналогично BM, но хранятся смещения в произвольном направлении.

Чем сложнее задаётся карта нормалей, тем тоньше получается рисунок, но и тем больше требуется ресурсов.

54. Моделирование теней

Методы:

• Построение теней на землю. Перед основной отрисовкой все грани проецируются на землю и рисуются тёмным цветом.

  • Достоинства: простота

  • Недостатки: тень не падает на предметы и может оказаться “под” ними.

• Использование расстояний

  • Размещаем камеру в точке освещения и делаем проекцию сцены. Получаем Z — расстояние от камеры до любой освещённой точки.

  • Помещаем камеру в её нормальное положение и запускаем алгоритм отрисовки. Для каждой точки по проекционной координате вычисляются мировые координаты, потом они переводятся в координаты с точки зрения источника, и проводится анализ освещённости: если Z_{проекц.} > Z_буфера, то точка находится в тени, иначе — освещена.

• Метод теневых объёмов

Теневой объём — это фигура, образованная конечным числом усеченных трапеций, которая находится в тени. Всё, что внутри него — в тени. Для каждого пикселя можно посчитать количество объемов, в которые он попадает. Для каждого пикселя сцены можно проанализировать луч, идущий от камеры до объекта. Для него вычисляется, сколько раз он входит в теневой объём и сколько раз он выходит оттуда. Если количество входов равно количеству выходов, то точка освещена, иначе — в тени.

Алгоритм:

1. Отрисовка всей сцены, как будто она вся в тени. Используется Z-буфер.

2. Рисуются грани теневого объёма и для каждой из них определяется, она повёрнута к камере или от неё.

3. Заводится дополнительный буфер, где для каждого пикселя хранится число N теневых объёмов, в которые он попадает. Изначально N=0.

   • Если Z пикселя (из Z-буфера) больше, чем Z грани:

     • Если грань повёрнута к камере, то N++

     • Если грань повёрнута от камеры, то N--

   • Иначе N не изменяется.

4. Пиксели, у которых N == 0, рисуются без учета теней, поверх изображения

Недостатки:

• Громоздкий метод со всех точек зрения

• Использование информации о глубине (дополнительный буфер, много памяти)