🗊Презентация Свет и материя

Свет и материя Для того чтобы понять, как программно реализовать закрашивание объектов сцены, необходимо разобраться в физике реального процесса распространения световой энергии в материальной среде. С точки зрения физики поверхность материального тела может либо излучать световую энергию, либо отражать свет, падающий на нее от внешнего источника. Излучение может исходить от условно точечного источника (далекая звезда) или протяженного (лампа дневного света). Распространение излучения может происходить вдоль достаточно узкого луча (сфокусированный луч лазера), конусом (прожектор), равномерно во всех направлениях (Солнце) либо еще как-нибудь. Излучение можно охарактеризовать интенсивностью, направленностью, спектром. Отражение и поглощение можно описать характеристиками диффузного рассеивания и зеркального отражения. Прозрачность – ослаблением интенсивности и преломлением. Некоторые тела одновременно и отражают свет, и излучают его вследствие внутренних физических процессов, происходящих в материале.

Излучение и отражение света Когда мы смотрим на некоторую точку реального объекта, то ее цвет определяется множеством элементарных взаимодействий со светом, падающим на объект как непосредственно от источников света, так и от других отражающих поверхностей. Последовательность этих элементарных взаимодействий можно представить в виде рекурсивного процесса. Такое рекурсивное отражение света от поверхностей приводит к определенным цветовым эффектам, в частности появлению на поверхностях дополнительных окрашенных бликов. Математически этот рекурсивный процесс описывается интегральными уравнениями, которые называются глобальными уравнениями заполнения. В принципе, их можно было бы использовать для определения распределения цвета по всем поверхностям объектов сцены, но, к сожалению, такие интегральные уравнения в общем случае не поддаются решению даже с использованием численных методов. Существует множество подходов, основанных на разных вариантах их аппроксимации(например, метод трассировки лучей (Light tracer) или метод излучательности(Radiosity)), каждый из которых позволяет найти решение уравнений для определенного типа объектов.

Суть задачи визуализации: Моделирование переноса световой энергии Моделировать освещение очень важно, т.к. на основе освещения человек воспринимает форму объекта. Глаз воспринимает освещение и «реконструирует» форму объета. Моделирование освещения – ключевой фактор фотореалистичности сцены.

Необходимо рассчитать количество и распределение световой энергии на чувствительных органах восприятия. В реальном мире видимый цвет определяется количеством энергии видимого спектра, попадающего на чувствительные элементы сетчатки глаза. Как правило, глаз человека воспринимает отраженный от поверхностей свет. Отражающие характеристики поверхности определяются отражающими способностями по отношению к электромагнитным волнам различной длины

Источник света, наблюдатель, объект Задача – рассчитать количество энергии, излучаемой от заданного источника и отражаемой от объекта в сторону наблюдателя

Двулучевая функция отражения (ДФО)

В заданном направлении излучается энергия E , пропорциональная освещенности L .

Освещенность пропорциональна площади распределения потока света от источника

Определение ДФО – отношение падающего и излучаемого света с учетом угла падения

Основные идеи метода излучательности(Radiosity), применяемого в КГ при моделировании и визуализации фотореалистичных закрытых пространств, заимствованы из физики теплового переноса, оперирующей такими понятиями, как поток энергии и плотность потока энергии. Основные идеи метода излучательности(Radiosity), применяемого в КГ при моделировании и визуализации фотореалистичных закрытых пространств, заимствованы из физики теплового переноса, оперирующей такими понятиями, как поток энергии и плотность потока энергии. Потоком энергии называют количество энергии, проходящей через некоторую площадь в единицу времени. Плотностью потока энергии называют поток энергии, проходящий через единицу площади. В физике теплопереноса считается, что поток энергии некоторой поверхности состоит из двух частей – собственной энергии, излучаемой самой поверхностью, и энергии, приносимой в данную поверхность от других поверхностей. Под собственной энергией поверхности понимается диффузное рассеяние света от прямого источника, а под приносимой энергией – освещение, отраженное диффузно всеми окружающими объектами. Сама величина излучения определяется как плотность потока энергии, испускаемой элементом поверхности. Таким образом, количество энергии, покидающей поверхность, равно сумме энергии, излучаемой поверхностью, и энергии, которая поверхностью отражается. При этом количество отраженной энергии зависит от получаемой поверхностью энергии и коэффициента её отражения.

Свойства ДФО: - обратимость - сохранение энергии Обратимость Сохранение энергии

Расчет излучения точки поверхности через интегрирование по всем исходящим направлениям (для каждой длины волны здесь учитывается только отражение)

Расчет излучения точки поверхности для дискретного случая

Световые лучи, поверхности объектов и изображение на экране компьютера

В компьютерной графике при визуализации сцен выделяют локальные и глобальные модели освещения Локальные модели освещенности рассчитывают освещенность объектов сцены и не рассматривают процессы светового взаимодействия объектов сцены между собой. Здесь рассматривается свет, поступающий только от первичных источников света, а само взаимодействие ограничивается только однократным отражением света от поверхности. Первичным источником света может быть только сам источник света, но не отражающий объект. Однако даже при современных вычислительных мощностях локальные модели широко используются, т.к. они просты в реализации даже на графических акселераторах и используются для моделирования свойств различных материалов, но не годятся для достижения реалистичности в сложных сценах. Глобальные модели освещенности. Для того, чтобы корректно учесть взаимодействие между всеми объектами, необходимо использовать системы визуализации(рендеринга), которые могут рассчитывать глобальную освещенность. В этом случае все объекты сцены воспринимаются, как источники света. Существует уже немалое количество методов, с каждым годом они становятся все более корректными физически, также постоянно улучшается их быстродействие. Их можно подразделить на методы: использующие трассировку лучей (ray tracing), фотонные карты (photon mapping), излучательность (radiosity), методы Монте-Карло. Эта классификация в значительной степени условна, потому что многие наработки последних лет совмещают преимущества разных методов

Локальные модели освещенности Можно упростить расчет модели закрашивания(заполнения) поверхности, ограничив передаваемые свойства материалов: Диффузное отражение (diffuse) – модель Ламберта Иоганна Генриха материалы поверхностей(матовый пластик, дерево и т.п.) Зеркальное отражение (specular) – модель отражения Ву Тонг Фонга материалы поверхностей(зеркало, стекло, металл и т.п.) блики на поверхности объектов (shininess) Фоновое освещение или рассеянный свет (ambient)

Модель Ламберта – диффузное отражение Закон косинусов Ламберта учитывает только идеальное рассеивание света ДФО всегда постоянна – С\Pi .

Модель отражения Фонга Добавляет в модель Ламберта зеркальное отражение (specular), Добавляет эмпирический косинус для моделирования бликов(shininess) (зависит от физических свойств материала поверхности), Добавляет рассеянный свет (ambient).

Функция w (i,) довольно сложна, поэтому ее обычно заменяют константой Ks, которая выбирается либо из эстетических соображений либо определяется экспериментально. Функция w (i,) довольно сложна, поэтому ее обычно заменяют константой Ks, которая выбирается либо из эстетических соображений либо определяется экспериментально.

Модель Фонга - пример

Вычисление цвета материала. Варианты закрашивания:

Линейная интерполяция цвета в вершинах (Генри Гуро)

Проблема повершинной закраски (Гуро) – можно пропустить блики Проблема повершинной закраски (Гуро) – можно пропустить блики Решение проблемы – разбиение полигона на более мелкие части (увеличение геометрической сложности )

Закраска Гуро (Gouraud) - пример

Вычисление нормалей в вершинах по Фонгу (Phong) Нормали в вершинах вычисляются усреднением нормалей смежных граней Нормали в вершинах интерполируются

Для корректной закраски на стыках поверхности необходимо «клонирование» нормалей В вершине D необходимо иметь две нормали: Одна нормаль для гладкой закраски боковой поверхности Вторая нормаль для закраски торца

Закраска Фонга (Phong)

Модели глобального освещения Модели глобального освещения см. в статьях Игоря Сивакова: – Как компьютер рассчитывает изображения. Технологии программного рендеринга. Автор: Игорь Сиваков 11.03.2004 00:05:00 - VRay - что это такое и как этим пользоваться: Часть 1,2. Автор: Игорь Сиваков 24 июля 2004 - Глобальное освещение и его модели. Турлапов В.Е., проф. ВМК ННГУ им.Н.И.Лобачевского, vadim.turlapov@cs.vmk.unn.ru - GraphiCon’2008. Летняя школа