отлично
Информация о работе
Подробнее о работе
Трехмерное изображение комнаты с изменением освещения в зависимости от времени суток»
- 29 страниц
- 2018 год
- 32 просмотра
- 1 покупка
Гарантия сервиса Автор24
Уникальность не ниже 50%
Фрагменты работ
Цель работы: визуализация трехмерной сцены, предполагающая выбор типа и цвета освещения, текстур входящих в сцену объектов.
Содержание
1. Введение 3
2. Аналитический раздел 4 Методы построения изображения 4
Алгоритм Робертса 4
Метод трассировки лучей 6
Метод Z-буфера 7
Методы закраски 8
Метод Гуро 8
Метод Фонга 9
Анализ методов Гуро и Фонга 9
Простая модель освещения 9
3. Конструкторский раздел 13
Алгоритм удаления невидимых линий 13
Алгоритм закраски 15
4. Технологический раздел 16
Выбор языка программирования и среды разработки 16
Структуры данных 17
Обработка аварийных ситуаций 19
Интерфейс программы 20
5. Исследовательский раздел 26
6. Заключение 27
7. Список используемой литературы 28
Алгоритм Робертса.
Алгоритм Робертса представляет собой решение задачи об удалении невидимых линий. Это математический метод, работающий в объектном пространстве.
В алгоритме Робертса требуется, чтобы все изображаемые тела или объекты были выпуклыми. Уравнение произвольной плоскости в трехмерном пространстве имеет вид:
aх + by + cz + d = 0
В матричной форме этот результат выглядит так:
[x y z 1][P]T = 0,
где [P]T = [a b c d] представляет собой плоскость. Выпуклое тело можно выразить матрицей, состоящей из коэффициентов уравнений плоскостей:
[V] =
,
где каждый столбец содержит коэффициенты одной плоскости.
Любая точка пространства представима в однородных координатах вектором [S] = [х у z 1]. Более того, если точка [S] лежит на плоскости, то [S]·[P]T = 0. Если же [S] не лежит на плоскости, то знак этого скалярного произведения показывает, по какую сторону от плоскости расположена точка.
...
Метод трассировки лучей.
Трассировка лучей — один из методов геометрической оптики — исследование оптических систем путём отслеживания взаимодействия отдельных лучей с поверхностями. В узком смысле — технология построения изображения трёхмерных моделей в компьютерных программах, при которых отслеживается обратная траектория распространения луча (от экрана к источнику).
Одним из достоинств метода является возможность изображения гладких объектов без аппроксимации их полигональными поверхностями (например, треугольниками). К тому же вычислительная сложность метода слабо зависит от сложности сцены. Алгоритм позволяет параллельно и независимо трассировать два и более лучей, разделять участки (зоны экрана) для трассирования на разных узлах кластера и т.д. Также присутствует отсечение невидимых поверхностей, перспектива и корректное изменения поля зрения как логическое следствие алгоритма.
Серьёзным недостатком метода обратного трассирования является производительность.
...
Метод Z-буфера.
Это один из простейших алгоритмов удаления невидимых поверхностей. Работает этот алгоритм в пространстве изображения. Идея z-буфера является простым обобщением идеи о буфере кадра. Буфер кадра используется для запоминания атрибутов (интенсивности) каждого пиксела в пространстве изображения, z-буфер - это отдельный буфер глубины, используемый для запоминания координаты z или глубины каждого видимого пиксела в пространстве изображения.
Уравнение плоскости имеет вид
aх + by + сz + d = 0
z = - (ах+ by+d)/c<>0
Для сканирующей строки y = const. Поэтому глубина пиксела на этой строке, у которого x1 = х +1, равна
z1 - z = -(ax1 + d)/c+ (ах + d)/c = а(х - х1)/с
z1 = z - (a/c)
В процессе работы глубина или значение z каждого нового пиксела, который нужно занести в буфер кадра, сравнивается с глубиной того пиксела, который уже занесен в z-буфер.
...
Простая модель освещения.
Объекты окружающего пространства становятся видимыми для глаза благодаря световой энергии, которая может излучаться поверхностью предмета, отражаться или проходить сквозь нее. В свою очередь, отражение света от поверхности зависит от физических свойств материала, из которого она изготовлена, а также от характера и расположения источника света. Яркость (или интенсивность) освещения зависит от энергии светового потока, которая обуславливается, во-первых, мощностью источника света, а во-вторых, отражающими и пропускающими свойствами объекта.
Свет точечного источника отражается от поверхности рассеивателя по закону Ламберта: интенсивность отражения пропорциональна косинусу угла между внешней нормалью к поверхности и направлением к источнику света.
...
Алгоритм удаления невидимых линий.
В рамках метода Z-буфера был разработан алгоритм удаления невидимых линий.
Данный алгоритм работает в пространстве изображения. Буфер кадра (регенерации) используется для заполнения атрибутов (интенсивности) каждого пикселя в пространстве изображения. Для него требуется буфер регенерации, в котором запоминаются значения яркости, а также Z-буфер (буфер глубины), куда можно помещать информацию о координате z для каждого пикселя. Вначале в Z-буфер заносятся максимально возможные значения Z, а буфер регенерации заполняется значениями пикселя, описывающими фон. Затем каждый многоугольник преобразуется в растровую форму и записывается в буфер регенерации, при этом, однако, не производится начального упорядочения.
В алгоритме Z-буфера можно выделить следующие этапы:
1. Заполнение буфера кадра фоновым значением интенсивности (цвета).
2. Заполнение Z - буфера минимальным значением Z .
4. Технологический раздел
Выбор и обоснование технологии и языка программирования.
Двумя основными подходами к программированию на данный момент являются структурный и объектно-ориентированный. В данной программной системе был выбран структурный подход в связи с тем, что программное обеспечение, разработанное в объектно-ориентированном стиле значительно уступает по производительности программному обеспечению, реализованному в структурном.
На данный момент существует большое количество языков программирования. Наиболее известными являются C++, JAVA, C#, Ruby и другие. Так как предъявляются высокие требования к производительности программы, решено было использовать язык C++. В качестве среды разработки была выбрана MS Visual Studio 2012 .NET Framework версии 4.5.
Каркасные модели составляющих сцену объектов были построены в программе 3D Max 2014, и были экспортированы в формате *.STL.
...
Интерфейс программы.
При успешном запуске программы будет визуализировано изображение с параметрами по умолчанию.
Рисунок 6: изображение, генерируемое при запуске программы
Пользователю предлагается выбирать следующие параметры:
• Материал, из которого сделан бокал:
• Металл
• Стекло матовое
• Стекло блестящее
• Процентные соотношения красной, зеленой и синей составляющих цвета стола
• Положение источника освещения:
• Над сценой
• От камены (от точки наблюдения)
• Тип источника освещения:
• Дневной
• Ночной
• Цвет источника освещения (для ночного типа):
• Естественный (белый)
• Красный
• Синий
• Зеленый
• Фиолетовый
• Интенсивность источника освещения (для ночного типа): от 10% до 100% с интервалом 10%.
После установки всех параметров необходимо нажать на кнопку «Визуализировать», чтобы применить сделанные изменения.
При изменении положения камеры изображение обновляется автоматически.
...
5. Исследовательский раздел
Целью работы является исследование времени работы алгоритма, основанного на методе Z-буфера, и определение влияния эффекта прозрачности на производительность алгоритма.
В ходе серии экспериментов были получены значения времени в тиках, и ниже представлен график зависимости количества полигонов модели от количества тиков с применением эффекта прозрачности или его отсутствием:
Рисунок 15: график зависимости времени обработки модели в зависимости от кол-ва полигонов с применением эффекта прозрачности и без него
Исходя из рисунка 15, можно сделать вывод о том, что применение эффекта прозрачности хоть и требует дополнительных вычислений, но ненамного замедляет процесс обработки сцены и к тому же улучшает реалистичность изображения, в частности визуализацию прозрачных тел, что видно на рисунках 9 и 10.
6. Заключение
В результате проведенной работы был реализован алгоритм на основе метода, использующего Z-буфер, и простая модель освещения с эффектом прозрачности. Также были проведены исследования на выявление влияния дополнительного эффекта на время обработки модели. По полученным результатам был сделан вывод, что применение данного эффекта не сильно отражается на производительности алгоритма, но улучшает реалистичность изображения.
В качестве перспектив развития данной программной системы можно предложить прямое добавление объектов в программу пользователем и изменение положения составляющих сцены. Для улучшения визуализации и усиления реалистичности можно ввести обработку теней и более детальную проработку бликов. Добавление в программу другие алгоритмы удаления невидимых линий (например, алгоритм художника, алгоритм обратной трассировки лучей) сделает более обширными исследования скорости алгоритмов, а также сделает возможным сравнение алгоритмов по качеству визуализации сцены.
...
1. Д. Роджерс «Алгоритмические основы машинной графики» - Москва, «Мир», 1989г.
2. Д. Роджерс, Дж. Адамс «Математические основы компьютерной графики» - Москва, «Мир», 2001г.
Форма заказа новой работы
Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям
