Există mai multe metode pentru generarea de imagini realiste, cum ar fi urmărirea directă a razelor (trasarea fotonilor) și trasarea cu raze inverse.
Metodele Ray Ray de urmărire astăzi sunt considerate cele mai puternice și mai universale metode de creare a imaginilor realiste. Există multe exemple de implementare a algoritmilor de urmărire pentru afișarea de înaltă calitate a scenelor tridimensionale cele mai complexe. Se poate observa că universalitatea metodelor de urmărire se datorează în mare măsură faptului că acestea se bazează pe concepte simple și clare care reflectă experiența noastră de percepție a lumii din jurul nostru.
Obiectele din jurul nostru au astfel de proprietăți în raport cu lumina:
- reflectă și absoarbe;
- treci prin ei înșiși.
Fiecare dintre aceste proprietăți poate fi descrisă printr-un anumit set de caracteristici.
Radiația poate fi caracterizată prin intensitate și spectru.
Proprietatea reflexiei (absorbției) poate fi descrisă prin caracteristicile împrăștierii difuze și a reflexiei speculare. Transparența poate fi descrisă printr-o scădere a intensității și a refracției.
Din punctele de pe suprafata (volumul) obiectelor radiati, razele de lumina emanate. Puteți numi astfel de raze primare - ele acoperă totul. Din sursele de radiații, nenumăratele raze primare provin din direcții diferite. Unele raze intră în spațiu liber, iar unele cad pe alte obiecte.
Ca rezultat al actiunii asupra obiectelor radiatiilor primare apar raze secundare. Unii dintre ei cad pe alte obiecte. Astfel, în mod repetat, reflectate și refractate, razele individuale ale luminii ajung la punctul de observație. Astfel, imaginea scenei este formată dintr-un anumit set de raze de lumină.
Culoarea pixelilor individuali ai imaginii este determinată de spectrul și intensitatea radiațiilor primare ale surselor de radiație, precum și de absorbția energiei luminoase în obiectele întâlnite în calea razelor corespunzătoare.
Realizarea imediată a acestui model de radiație a formării imaginii este dificilă. Puteți încerca să construiți un algoritm pentru construirea unei imagini în acest fel. Într-un astfel de algoritm, este necesar să se enumere toate razele primare și să se identifice cele care intră în obiecte și în camera. Apoi efectuați o căutare a tuturor radiațiilor secundare și luați în considerare numai acelea care intră în obiecte și în cameră. Și așa mai departe. Un astfel de algoritm se numește trasare directă a razei. Principalul dezavantaj al acestei metode este o multitudine de operațiuni inutile legate de calculul razelor, care apoi nu sunt utilizate.
Această metodă de generare a imaginilor realiste este dedicată acestei lucrări.
Metoda de urmărire cu raze inverse permite reducerea semnificativă a bustului luminii. Metoda a fost dezvoltată în anii 80, activitatea lui Whitted și Kay este considerată fundamentală. Conform acestei metode, trasarea razei nu se face din surse de lumină, ci în direcția opusă - de la punctul de observare. Numai razele care contribuie la formarea unei imagini sunt luate în considerare.
Planul de proiecție este împărțit într-o multitudine de pixeli. Alegem proiecția centrală cu centrul de coborâre la o anumită distanță de planul de proiecție. Desenați o linie dreaptă din centrul coborârii prin mijlocul pixelului planului de proiecție. Aceasta va fi raza primară a traseului invers. Dacă această rază atinge unul sau mai multe obiecte de scenă, atunci selectăm cel mai apropiat punct de intersecție. Pentru a determina culoarea unui pixel de imagine, este necesar să se țină seama de proprietățile obiectului, precum și de radiația luminii care cade pe punctul corespunzător al obiectului.
Dacă obiectul este oglindă (cel puțin parțial), atunci vom construi o rază secundară - o rază de incidență, numărați raza de reflecție a razei primare primare urmărite.
Pentru o oglindă ideală, este suficient să se urmărească doar următorul punct de intersecție al razei secundare cu un obiect. Oglinda ideală are o suprafață perfect lustruită, astfel încât numai o fasciculă incidentă corespunde unei fascicole reflectate. Oglinda poate fi întunecată, adică poate absorbi o parte din energia luminii, dar există încă o regulă: un fascicul cade - unul se reflectă.
Dacă obiectul este transparent, atunci este necesar să construim un fascicul nou, unul care, atunci când este refractat, ar da raza anterioară trasată.
Pentru reflexia difuză, intensitatea luminii reflectate este cunoscută ca fiind proporțională cu cosinusul unghiului dintre vectorul de raze din sursa de lumină și cel normal.
Când se dovedește că raza curentă a traseului invers nu intersectează nici un obiect, ci se lasă în spațiul liber, atunci se termină urmă pentru această rază.
Aplicarea practică a metodei de backtracking introduce restricții. Unele dintre ele sunt necesare pentru a rezolva în principiu problema sintezei imaginilor, iar unele restricții permit creșterea semnificativă a vitezei de urmărire.
Constrângeri în punerea în aplicare a urmelor
Dintre toate tipurile de obiecte, să le menționăm pe unele, pe care le vom numi surse de lumină. Sursele de lumină pot emite lumină, dar nu pot reflecta sau refracta. Vom lua în considerare doar surse de lumină punctuale.
Proprietățile suprafețelor reflectante sunt descrise de suma a două componente - difuz și oglindă.
La rândul său, specularitatea este descrisă și de două componente. Primul (reflecția) ia în considerare reflectarea din alte obiecte care nu sunt surse de lumină. Numai o rază reflectată în oglindă r este construită pentru urmărirea ulterioară. A doua componentă (speculară) înseamnă strălucirea ușoară a surselor de lumină. În acest scop, razele sunt direcționate către toate sursele de lumină, iar unghiurile formate de aceste raze, cu raza retrogradă (r) reflectată în oglindă, sunt determinate. Cu reflexie oglindă, culoarea punctului de suprafață este determinată de culoarea a ceea ce se reflectă.
În reflectarea difuză sunt luate în considerare numai razele din sursele de lumină. Spectacole de la suprafețele reflectoare în oglindă IGNORED. Dacă o rază direcționată către o anumită sursă de lumină este închisă de un alt obiect, atunci acest punct al obiectului este în umbră. Cu reflexie difuză, culoarea punctului iluminat al suprafeței este determinată de culoarea suprafeței și de culoarea surselor de lumină.
Pentru obiectele transparente, dependența indexului de refracție de lungimea de undă nu este luată în considerare. (Uneori, transparența este în general modelată fără refracție, adică direcția razei refractare coincide cu direcția razei incidente.)
Pentru a ține cont de iluminarea obiectelor cu lumină împrăștiată de alte obiecte, este introdusă componenta de fundal (ambientală).
Pentru a finaliza urmărirea, numărul de iterații (adâncimea de recursiune) este limitat.
Concluzii prin metoda de urmărire inversă
Universalitatea metodei, aplicabilitatea acesteia pentru sinteza imaginilor schemelor spațiale destul de complexe. Încorporează multe legi ale opțiunii geometrice. Am implementat o varietate de proiecții.
Chiar și versiunile trunchiate ale acestei metode permit obținerea de imagini destul de realiste. De exemplu, dacă vă limitați doar la razele primare (de la punctul de proiecție), atunci aceasta vă oferă eliminarea punctelor invizibile. Urmărirea deja a una sau două raze secundare dă umbre, oglindă transparență.
Toate transformările coordonatelor sunt liniare, deci este suficient de ușor să lucrați cu texturi.
Probleme cu modelarea reflexiei difuze și a refracției.
Pentru fiecare punct de imagine, trebuie să efectuați mai multe operații de calcul. Urmărirea este unul dintre cei mai lenți algoritmi de sinteză a imaginilor.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: