Удаление невидимых граней
Задача удаления невидимых граней является заметно более сложной, чем задача удаления невидимых линий, хотя бы по общему объему возникающей информации. Если практически все методы, служащие для удаления невидимых линий, работают в объектном пространстве и дают точный результат, то для удаления невидимых поверхностей существует большое число методов, работающих только в картинной плоскости, а также смешанных методов.
14.1. Метод трассировки лучей
Наиболее естественным методом для определения видимости граней является метод трассировки лучей (вариант, используемый только для определения видимости, без отслеживания отраженных и преломленных лучей обычно называется ray casting), при котором для каждого пиксела картинной плоскости определяется ближайшая к нему грань, для чего через этот пиксел выпускается луч, находятся все точки его пересечения с гранями и среди них выбирается ближайшая.
Одним из преимуществ этого метода является простота, универсальность (он может легко работать не только с полигональными моделями; возможно использование Constructive Solid Geometry) и возможность совмещения определения видимости с расчетом цвета пиксела.
Еще одним несомненным плюсом метода является большое количество методов оптимизации, позволяющих работать с сотнями тысяч граней и обеспечивающих временные затраты порядка O(C·log(n)), где С – общее количество пикселов па экране, a n – общее количество объектов в сцене. Более того, существуют методы, обеспечивающие практическую независимость временных затрат от количества объектов.
14.2. Метод z-буфера
Одним из самых простых алгоритмов удаления невидимых граней и поверхностей является метод z-буфера (буфера глубины), где для каждого пиксела, как и в методе трассировки лучей, находится грань, ближайшая к нему вдоль направления проектирования, однако здесь циклы по пикселам и по объектам меняются местами:
Поставим в соответствие каждому пикселу (х, у) картинной плоскости кроме цвета с(х, у), хранящегося в видеопамяти, его расстояние до картинной плоскости вдоль направления проектирования z(x, у) (его глубину).
Рис. 14.2.1 Удаление невидимых граней на картинной плоскости методом z-буфера.
Массив глубин инициализируется +∞. Для вывода на картинную плоскость произвольной грани она переводится в растровое представление на картинной плоскости и затем для каждого пиксела этой грани находится его глубина. В случае, если эта глубина меньше значения глубины, хранящегося в z-буфере, пиксел рисуется и его глубина заносится в z-буфер.
Метод z-буфера работает исключительно в пространстве картинной плоскости и не требует никакой предварительной обработки данных. Порядок, в котором грани выводятся на экран, не играет никакой роли.
Для экономии памяти можно отрисовывать не все изображение сразу, а рисовать по частям. Для этого картинная плоскость разбивается на части (обычно это горизонтальные полосы) и каждая такая часть обрабатывается независимо. Размер памяти под буфер определяется размером наибольшей из этих частей.
Одним из основных недостатков z-буфера (помимо большого объема требуемой под буфер памяти) является избыточность вычислений: осуществляется вывод всех граней вне зависимости от того, видны они или нет. И если, например, данный пиксел накрывается десятью различными лицевыми гранями, то для каждого соответствующего пиксела каждой из этих десяти граней необходимо произвести расчет цвета. При использовании сложных моделей освещенности (например, модели Фонга) и текстур эти вычисления могут потребовать слишком больших временных затрат.