Задачи компьютерной графики

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

1. Архитектурная визуализация

1.1 Виды визуализаций

2. Рендеринг

2.1 Методы и схемы рендеринга

2.2 Математическое обоснование

2.3 Основное уравнение

3. Кодирование графической информации

3.1 Восприятие цвета

3.2 Цветовые модели RGB и CMYK

3.3 Другие цветовые модели

Вывод

Список использованной литературы

Введение

Визуализация в общем смысле -- метод представления информации -- в виде оптического изображения (например, в виде рисунков и фотографий, графиков, диаграмм, структурных схем, таблиц, карт и т. д.). Считается, что зрение обеспечивает человеку около 90 % информации. Рассматривание изображений позволяет исследовать пространственные структуры, имеющиеся в объекте; распределение оптических плотностей и цветов -- отражает важнейшие сведения о свойствах реальных и виртуальных объектов окружающего мира.

Трехмерная графика - область знаний, которая получила безграничные возможности благодаря непрерывному развитию информационных технологий, совершенствованию аппаратного обеспечения электронных вычислительных систем, росту производительности компьютерной техники.

Поиск решения проблемы синтеза фотореалистичных изображений привел к разработке различных алгоритмов расчета освещения сцены.

Среди существующих подходов фотореалистичной визуализации, трассировка лучей является «ядром» большинства моделей визуализации, которые генерируют такие изображения. Трассировка лучей - это метод генерирования реалистичных изображений, в котором лучи света проходят от наблюдателя до точек соприкосновения с объектами сцены изображения.

1. Архитектурная визуализация

Архитектурная визуализация -- графическое отображение объекта или градостроительной ситуации в архитектуре. Обладает определенной степенью информативности и позволяет наиболее полно представить внешние характеристики будущего сооружения.

Является эффективной формой демонстрации конкурсных проектов, создания презентаций в области проектирования и строительства. Архитектурная визуализация стала специальным направлением в работе архитекторов и 3D-дизайнеров.

На сегодняшний день архитектурная визуализация как конечный продукт должна сочетать в себе не только информативную ценность в виде изображения проектируемых архитектурных форм «как есть», но и художественную ценность с точки зрения композиции, постановки света и грамотной подачи архитектурных элементов.

Возможности современных вычислительных алгоритмов (методов рендеринга) и компьютерных мощностей позволяют создавать полностью фотореалистичные изображения архитектурных форм, что особенно важно при визуализации объекта в сложившейся застройке или на существующей местности. Таким образом, на данный момент архитектурная визуализация включает в себя множество разнообразных задач как для строителей и архитекторов, так и для рекламной и творческой сферы. Такой широкий спектр возможностей архитектурной визуализации создал условия для развития этого направления компьютерной графики в отдельную отрасль сервиса и услуг на мировом рынке.

Визуализация интерьера - это максимально приближенное к реальности изображения внутреннего вида помещения. Визуализация интерьера в 3D формате позволяет оценить полный вид будущего помещения с учетом расстановленной в нем мебели и других предметов интерьера. 3D визуализация интерьеров позволяет разрабатывать рекламные буклеты и презентации, которые в дальнейшем демонстрируются клиентам.

Визуализация интерьера создает эффект присутствия, дарит возможность повернуться на 360 градусов, чтобы рассмотреть каждую деталь. Она позволяет совершить виртуальную прогулку по внутренним помещениям бизнес-центра, загородного дома или квартиры, понять, как все будет выглядеть в итоге, оценить, насколько гармоничным получится пространство с отделкой в выбранном стиле, мебелью, декоративными элементами.

При разработке проектов дизайна и визуализации интерьеров необходимо учитывать следующую информацию о внутреннем виде здания:

1. Планировка.

2. Развёртки стен.

3. Разрезы сложных конструктивных узлов.

4. Перечень отделочных материалов (колеровка, примеры текстур, сканы из каталогов и т.п.)

5. План расстановки мебели, указания по материалу и цвету отделки мебели.

6. В случае необходимости моделирования требуемой по проекту мебели - чертежи, снимки с разных ракурсов, габаритные размеры.

7. План расстановки источников света. Указание марки и типа источников света.

8. Рекомендации по освещению визуализируемого помещения (искусственное, естественное).

9. Информация о желаемых видах отображения визуализируемого помещения.

10. Рекомендации по деталировке и наполнению.

1.1 Виды визуализаций

Архитектурная графика -- это особый вид графики, который сочетает в себе художественную и инженерную задачи.

Архитектурная графика стала активно развиваться с XV века, несмотря на то, что первые чертежи построек появились ещё в глубокой древности. Изначально специфика архитектурной графики заключалась в необходимости передать визуальные образы реальных построек. Это были трактаты архитекторов-теоретиков, направленные в первую очередь на изучение архитектурного наследия. Эти издания во многом определили вектор развития архитектурной графики.

Впоследствии архитектурная графика стала широко использоваться в архитектурном проектировании. Появилась необходимость решать 2 типа задач:

1. Инженерные задачи: выявление архитектурных и конструктивных особенностей, тектоники архитектурной формы, пропорциональных зависимостей архитектурных проектов.

2. Художественные задачи: передача предполагаемого восприятия проектируемой архитектурной среды, организации пространства, момументальности и масштабности архитектурных форм.

Решение обоих типов задач взяла на себя архитектурная графика. Эти задачи могут решаться как по отдельности, так и совместно. Например, задачу выявления архитектурных и конструктивных особенностей хорошо выполняет чертеж. А передачу предполагаемого восприятия хорошо выполняют всевозможные виды набросков, эскизов и т.д. Совместно оба типа задач успешно решаются приближенными к чертежам аксонометрические и перспективные виды, развёртки и художественно оформленные чертежи. Архитектурная графика настолько сильно вошла в инструментарий архитектора, что становилась порой единственным методом формообразования на всех этапах проектирования.

Сейчас инженерные и художественные задачи условно поделены между ручной и компьютерной графикой, при этом к ручной графике относят и всевозможные виды гравюр и офортов. Компьютерная графика решает инженерные задачи, такие как изготовление рабочей документации, подготовку проектов к строительству, а ручная графика продолжает являться методом формообразования. Кроме того, начиная с XX века активно развиваются архитектурное макетирование и архитектурная фотография, дополняя возможности архитектурной графики.

Ручная графика. Изображения, созданные вручную с соблюдением принципов начертательной геометрии. Впоследствии могут подвергаться компьютерной пост-обработке. Ручная графика - один из самых сильных и эстетичных способов для архитектора донести атмосферу пространства над которым он работает. Здесь вступают чувственные и ассоциативные восприятия, которые, к счастью, сегодня не подвластны компьютерной графике. Ручные эскизы позволяют додумать и домечтать вам самому какие-то тонкости интерьера. Это как картины импрессионистов, вы видите сюжет, но атмосферу каждый человеческий глаз достраивают свою, комфортную именно ему.

Компьютерная графика. Статическая векторная или растровая графика, анимация или панорамная визуализация (Сферическая панорама), получаемая в результате просчёта (рендеринга) компьютерной модели визуализируемого объекта специальной программой.

Для выполнения архитектурной визуализации чаще всего используется следующее программное обеспечение: ArchiCAD, Artlantis R, 3ds Max, AutoCAD, SketchUp, Maya,Cinema 4D, SolidWorks, V-Ray, Blender и другие. На сегодняшний день одним из популярных методов работы в области архитектурной визуализации является удалённое проектирование. Сетевые ресурсы, базы данных проектировщиков доступны для всех пользователей, заинтересованных в сотрудничестве в этой области компьютерной графики.

2. Рендеринг

Ремндеринг (англ. rendering -- «визуализация») -- термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы. Здесь модель -- это описание любых объектов или явлений на строго определённом языке или в виде структуры данных. Такое описание может содержать геометрические данные, положение точки наблюдателя, информацию об освещении, степени наличия какого-то вещества, напряжённость физического поля и пр. Примером визуализации могут служить радарные космические снимки, представляющие в виде изображения данные, полученные посредством радиолокационного сканирования поверхности космического тела, в диапазоне электромагнитных волн, невидимых человеческим глазом. Часто в компьютерной графике (художественной и технической) под рендерингом (3D-рендерингом) понимают создание плоского изображения (картинки) по разработанной 3D-сцене.

Изображение -- это цифровое растровое изображение. Синонимом в данном контексте является Визуализация. Визуализация -- один из наиболее важных разделов в компьютерной графике, и на практике он тесным образом связан с остальными. Обычно программные пакеты трехмерного моделирования и анимации включают в себя также и функцию рендеринга. Существуют отдельные программные продукты, выполняющие рендеринг.

В зависимости от цели, различают пре-рендеринг, как достаточно медленный процесс визуализации, применяющийся в основном при создании видео, и рендеринг в режиме реального времени, применяемый в компьютерных играх. Последний часто использует 3D-ускорители. Компьютерная программа, производящая рендеринг, называется рендером (англ. render) или рендерером (англ. renderer).

2.1 Методы и схемы рендеринга

На текущий момент разработано множество алгоритмов визуализации. Существующее программное обеспечение может использовать несколько алгоритмов для получения конечного изображения.

Трассирование каждого луча света в сцене непрактично и занимает неприемлемо долгое время. Даже трассирование малого количества лучей, достаточного, чтобы получить изображение, занимает чрезмерно много времени, если не применяется аппроксимация (семплирование).

Вследствие этого, было разработано четыре группы методов, более эффективных, чем моделирование всех лучей света, освещающих сцену:

· Растеризация (англ. rasterization) совместно с методом сканирования строк (Scanline rendering (англ.)). Визуализация производится проецированием объектов сцены на экран без рассмотрения эффекта перспективы относительно наблюдателя.

· Ray casting (рейкастинг) (англ. ray casting). Сцена рассматривается, как наблюдаемая из определённой точки. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. При этом лучи прекращают своё распространение (в отличие от метода обратного трассирования), когда достигают любого объекта сцены либо её фона.

Возможно использование каких-либо очень простых способов добавления оптических эффектов. Эффект перспективы получается естественным образом в случае, когда бросаемые лучи запускаются под углом, зависящим от положения пикселя на экране и максимального угла обзора камеры.

· Трассировка лучей (англ. ray tracing) похожа на метод бросания лучей. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. Но при этом луч не прекращает своё распространение, а разделяется на три луча-компонента, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пиксела на двумерном экране: отражённый, теневой и преломлённый. Количество таких компонентов определяет глубину трассировки и влияет на качество и фотореалистичность изображения. Благодаря своим концептуальным особенностям, метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, однако из-за большой ресурсоёмкости процесс визуализации занимает значительное время.

· Трассировка пути (англ. path tracing) использует похожий принцип трассировки распространения лучей, однако этот метод является наиболее приближённым к физическим законам распространения света. Также является самым ресурсоёмким.

Передовое программное обеспечение обычно совмещает в себе несколько техник, чтобы получить достаточно качественное и фотореалистичное изображение за приемлемые затраты вычислительных ресурсов.

2.2 Математическое обоснование

Реализация механизма рендеринга всегда основывается на физической модели. Производимые вычисления относятся к той или иной физической или абстрактной модели. Основные идеи просты для понимания, но сложны для применения. Как правило, конечное элегантное решение или алгоритм более сложны и содержат в себе комбинацию разных техник.

2.3 Основное уравнение

Ключом к теоретическому обоснованию моделей рендеринга служит уравнение рендеринга. Оно является наиболее полным формальным описанием части рендеринга, не относящейся к восприятию конечного изображения. Все модели представляют собой какое-то приближённое решение этого уравнения.

Неформальное толкование таково: Количество светового излучения (L_o), исходящего из определённой точки в определённом направлении есть собственное излучение и отражённое излучение. Отражённое излучение есть сумма по всем направлениям приходящего излучения (L_i), умноженного на коэффициент отражения из данного угла. Объединяя в одном уравнении приходящий свет с исходящим в одной точке, это уравнение составляет описание всего светового потока в заданной системе.

компьютерный цветовосприятие рендеринг изображение

Графическая информация, как и информация любого другого типа, хранятся в памяти компьютера в виде двоичных кодов. Изображение, состоящее из отдельных точек, каждая из которых имеет свой цвет, называетсярастровым изображением. Минимальный элемент такого изображения в полиграфии называется растр, а при отображении графики на мониторе минимальный элемент изображения называют пиксель (pix).

Рис. 19. Минимальная единица изображения: пиксель и растр.

Если пиксель изображения может быть раскрашен только в один из 2х цветов, допустим, либо в черный (0), либо в белый (1), то для хранения информации о цвете пикселя достаточно 1 бита памяти (log₂(2)=1 бит). Соответственно, объем, занимаемый в памяти компьютера всем изображением, будет равен числу пикселей в этом изображении (рис. 20а).

Если под хранение информации о цвете пикселя выделить 2 бита, то число цветов, допустимых для раскраски каждого пикселя, увеличится до 4х (N=2²=4), а объем файла изображения в битах будет вдвое больше, чем количество составляющих его пикселей (рис. 20b).

При печати на не цветном принтере обычно допускает 256 градаций серого цвета (от черного (0) до белого (255)) для раскраски каждой точки изображения. Под хранение информации о цвете точки в этом случае отводится 1 байт, т.е. 8 бит (log₂(256)=8 бит).

3.1 Восприятие цвета

Цвет -- это ощущение, которое возникает в сознании человека при воздействии на его зрительный аппарат электромагнитного излучения с длиной волны в диапазоне от 380 до 760 нм. Эти ощущения могут быть вызваны и другими причинами: болезнь, удар, мысленная ассоциация, галлюцинации, и др.

Способность к цветоощущению возникла в процессе эволюции как реакция адаптации, как способ получения сведений об окружающем мире и способ ориентирования в нем. Каждый человек воспринимает цвета индивидуально, отлично от других людей. Однако у большей части людей цветовые ощущения очень схожи.

Физической основой цветовосприятия является наличие специфических светочувствительных клеток в центральном участке сетчатки глаза, так называемых палочек и колбочек.

Различают три вида колбочек, по чувствительности к разным длинам волн света (цветам). Колбочки S-типа чувствительны в фиолетово-синей, M-типа -- в зелено-желтой, и L-типа -- в желто-красной частях спектра.

Наличие этих трех видов колбочек (и палочек, чувствительных в изумрудно-зеленой части спектра) даёт человеку цветное зрение.

В ночное время зрение обеспечивают только палочки, поэтому ночью человек не может различать цвета.

Каждое животное видит мир по-своему. Сидя в засаде, лягушка видит только движущиеся предметы: насекомых, на которых она охотится, или своих врагов. Чтобы увидеть всё остальное, она должна сама начать двигаться.

Сумеречные и ночные животные (например, волки и другие хищные звери), как правило, почти не различают цветов.

Стрекоза хорошо различает цвета только нижней половиной глаз, верхняя половина смотрит в небо, на фоне которого добыча и так хорошо заметна.

О хорошем зрении насекомых мы можем судить хотя бы по красоте цветков растений - ведь эта красота предназначена природой именно для насекомых - опылителей. Но мир, каким они его видят, сильно отличается от привычного для нас. Цветки, которые опыляют пчелы, обычно не окрашены в красный цвет: пчела этот цвет воспринимает, как мы - черный. Зато, вероятно, многие невзрачные на наш взгляд цветы приобретают неожиданные великолепие в ультрафиолетовом спектре, в котором видят насекомые. На крыльях некоторых бабочек (например, лимонницы, боярышницы) имеются узоры, скрытые от человеческого глаза и видимые только в ультрафиолетовых лучах. Когда муравьев в ходе опыта стали облучать сильными ультрафиолетовыми лучами, они побежали укрываться "в тень" не под защиту пропускавшей ультрафиолет темной дощечки, а под прозрачное, на наш взгляд, стекло, задерживавшее эти лучи.

3.2 Цветовые модели RGB и CMYK

Все объекты окружающего мира можно разделить на: излучающие (светящиеся: солнце, лампа, монитор), отражающие излучение (бумага) и пропускающие (стекло).

Рис. 21. Излучающие, отражающие и пропускающие объекты.

В зависимости от того, является объект излучающим или отражающим для представления описания его цвета в виде числового кода используются две обратных друг другу цветовые модели: RGB или CMYK. Модель RGB используется в телевизорах, мониторах, проекторах, сканерах, цифровых фотоаппаратах.Эта модель является аддитивной (суммарной), что означает, что цвета в этой модели добавляются к черному (blacK)цвету.

Основные цвета в этой модели: красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). Их парное сочетание в равных долях дает дополнительные цвета: желтый (Yellow), голубой (Cyan) и пурпурный (Magenta).

R+G=Y; G+B=C; B+R=M.

Сумма всех трех основных цветов в равных долях дает белый (White) цвет: R+G+B=W.

Цветовая модель CMYK используется в полиграфии при формировании изображений, предназначенных для печати на бумаге. Основными цветами в ней являются те, которые являются дополнительными в модели RGB, т.к. они получаются вычитанием цветов RGB из белого цвета. Поэтому модель CMYK называется субтрактивной.

C=W-R; M=W-G; Y=W-B.

В свою очередь парное сочетание в равных долях цветов модели CMY дает цвета модели RGB. Всем известно, что если смешать на бумаге желтую и голубую краску, получится зеленый цвет. На языке цветовых моделей, это описывается выражением: Y+C=G, кроме того, C+M=B и M+Y=R.

В теории, сумма C+M+Y=K, т.е. дает черный (blacK) цвет, но поскольку реальные типографские краски имеют примеси, их цвет не совпадает в точности с теоретически рассчитанным голубым, желтым и пурпурным. Особенно трудно получить из этих красок черный цвет. Поэтому в модели CMYK к триаде CMY добавляют черный цвет K. От слова blacK для обозначения черного цвета взята последняя буква, и т.к. буква B уже используется в модели RGB для обозначения синего цвета.

Если кодировать цвет одной точки изображения тремя битами, каждый из которых будет являться признаком присутствия (1) или отсутствия (0) соответствующей компоненты системы RGB, то мы получим все восемь различных цветов описанных выше моделей.

Таблица 11.

На практике же, для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB обычно отводится 3 байта (т.е. 24 бита) - по 1 байту (т.е. по 8 бит) под значение цвета каждой составляющей.

Таким образом, каждая RGB-составляющая может принимать значение в диапазоне от 0 до 255 (всего 2⁸=256 значений), а каждая точка изображения, при такой системе кодирования может быть окрашена в один из 2^3*8=2²⁴=16 777 216 цветов.

Такой набор цветов принято называть True Color (правдивые цвета), потому что человеческий глаз все равно не в состоянии различить большего разнообразия.

Изменяющиеся в диапазоне от 0 до 255 координаты RGB образуют цветовой куб. Любой цвет расположен внутри этого куба и описывается своим набором координат, показывающем в каких долях смешаны в нем красная, зеленая и синяя составляющие.

Рис. 23. Цветовой куб.

Таблица 12.

3.3 Другие цветовые модели

HSB: Две описанные выше модели удобны скорее для компьютеров, чем для нас с вами. Человеку гораздо проще не синтезировать цвет из отдельных составляющих, а выбирать его, ориентируясь на более естественные параметры: тон, насыщенность, яркость. Именно эти три параметра и стали основой для модели HSB (Hue, Saturation, Brightness), она же HSL (Hue, Saturation, Lightness).

Параметр тона Hue (читается «хью») -- это чистый цвет сам по себе -- один из цветов спектра (радуги). В модели HSB он представлен как замкнутый круг, положение конкретного оттенка на котором указывается в градусах от 0 до 359.

Параметр Saturation -- это насыщенность. Чем меньше насыщенность, тем ближе цвет к серому и наоборот: с увеличением насыщенности цвет становится сочнее. Lightness, соответственно, определяет долю белого в итоговом цвете.

Lab: В попытке совместить цветовой охват моделей RGB и CMYK была создана модель Lab, не привязанная к среде вывода. Параметр модели L показывает общую яркость пикселов, параметром a передаются цвета от темно-зеленого до ярко-розового с разными вариациями насыщенности и яркости, а параметром b -- от светло-синего до ярко-желтого. Модель Lab обеспечивает наибольшую совместимость, цветовой охват и скорость. Из-за своей универсальности Lab широко используется способными в ней разобраться профессионалами.

Вывод

Актуальной задачей компьютерной графики является получение реалистичных изображений, которые активно пользуются спросом в промышленности, игровой индустрии и кино. Фотореалистичное изображение характеризуется такими эффектами, как мягкие тени, полутени, каустика, динамическое размытие, глубина резкости, нечеткие отражения, блеск, полупрозрачность. Среди существующих подходов фотореалистичной визуализации методы трассировки лучей являются наиболее точными, поскольку основаны на физической модели распространении света.

Существует богатый спектр разнообразных методов трассировки лучей, таким образом, появляется необходимость в выборке наиболее эффективных точных методов трассировки лучей, которые будут в средней степени корректно работать для широкого ряда визуализируемых статических и динамических сцен.

Список использованной литературы

1. А. В. Степанов «Объемно-пространственная композиция»

2. В. Л. Глазычев «Архитектура. Энциклопедия»

3. Марина Беляева «Энциклопедия архитектуры»

4. Ален де Боттон «Архитектура счастья. Как обустроить жизненное пространство»

Размещено на Allbest.ru