Свет и материя

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
Свет и материя

Содержание

2. Излучение и отражение света Когда мы смотрим на некоторую точку реального объекта, то ее цвет определяется
3. Суть задачи визуализации: Моделирование переноса световой энергии Моделировать освещение очень важно, т.к. на основе освещения человек
4. Необходимо рассчитать количество и распределение световой энергии на чувствительных органах восприятия. В реальном мире видимый цвет
5. Источник света, наблюдатель, объект Задача – рассчитать количество энергии, излучаемой от заданного источника и отражаемой от
6. Двулучевая функция отражения (ДФО)
7. В заданном направлении излучается энергия E , пропорциональная освещенности L .
8. Освещенность пропорциональна площади распределения потока света от источника
9. Определение ДФО – отношение падающего и излучаемого света с учетом угла падения
10. Основные идеи метода излучательности(Radiosity), применяемого в КГ при моделировании и визуализации фотореалистичных закрытых пространств, заимствованы из
11. Свойства ДФО: - обратимость - сохранение энергии Обратимость Сохранение энергии
12. Расчет излучения точки поверхности через интегрирование по всем исходящим направлениям (для каждой длины волны здесь учитывается
13. Расчет излучения точки поверхности для дискретного случая
14. Световые лучи, поверхности объектов и изображение на экране компьютера
15. В компьютерной графике при визуализации сцен выделяют локальные и глобальные модели освещения Локальные модели освещенности рассчитывают
16. Локальные модели освещенности Можно упростить расчет модели закрашивания(заполнения) поверхности, ограничив передаваемые свойства материалов: Диффузное отражение (diffuse)
17. Модель Ламберта – диффузное отражение Закон косинусов Ламберта учитывает только идеальное рассеивание света ДФО всегда постоянна
18. Модель отражения Фонга Добавляет в модель Ламберта зеркальное отражение (specular), Добавляет эмпирический косинус для моделирования бликов(shininess)
19. Функция w (i,λ) довольно сложна, поэтому ее обычно заменяют константой Ks, которая выбирается либо из эстетических
20. Модель Фонга - пример
21. Вычисление цвета материала. Варианты закрашивания:
22. Линейная интерполяция цвета в вершинах (Генри Гуро)
23. Проблема повершинной закраски (Гуро) – можно пропустить блики Решение проблемы – разбиение полигона на более мелкие
24. Закраска Гуро (Gouraud) - пример
25. Вычисление нормалей в вершинах по Фонгу (Phong) Нормали в вершинах вычисляются усреднением нормалей смежных граней Нормали
26. Для корректной закраски на стыках поверхности необходимо «клонирование» нормалей В вершине D необходимо иметь две нормали:
27. Закраска Фонга (Phong)
29. Скачать презентацию

Слайд 2

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.

Слайд 3

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.

Слайд 4

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

Слайд 5

Источник света, наблюдатель, объект
Задача – рассчитать количество энергии, излучаемой от заданного

источника и отражаемой от объекта в сторону наблюдателя

Слайд 6

Двулучевая функция отражения (ДФО)

Слайд 7

В заданном направлении излучается энергия E , пропорциональная освещенности L .

Слайд 8

Освещенность пропорциональна площади распределения потока света от источника

Слайд 9

Определение ДФО – отношение падающего и излучаемого света с учетом угла

падения

Слайд 10

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.

Слайд 11

Свойства ДФО: - обратимость - сохранение энергии
Обратимость
Сохранение
энергии

Слайд 12

Расчет излучения точки поверхности через интегрирование по всем исходящим направлениям (для каждой

длины волны здесь учитывается только отражение)

Слайд 13

Расчет излучения точки поверхности для дискретного случая

Слайд 14

Световые лучи, поверхности объектов и изображение на экране компьютера

Слайд 15

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

Слайд 16

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)

Слайд 17

Модель Ламберта – диффузное отражение
Закон косинусов Ламберта учитывает только идеальное рассеивание

света
ДФО всегда постоянна – С\Pi .

Слайд 18

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).

где w (i,λ) — кривая отражения, представляющая отношение зеркально отраженного света к падающему, n — степень, аппроксимирующая пространственное распределение зеркально отраженного света.

Слайд 19

Функция w (i,λ) довольно сложна, поэтому ее обычно заменяют константой

Ks, которая выбирается либо из эстетических соображений либо определяется экспериментально.

Слайд 20

Модель Фонга - пример

Слайд 21

Вычисление цвета материала. Варианты закрашивания:

Слайд 22

Линейная интерполяция цвета в вершинах (Генри Гуро)

Слайд 23

Проблема повершинной закраски (Гуро) – можно пропустить блики
Решение проблемы – разбиение

полигона на более мелкие части (увеличение геометрической сложности )

Слайд 24

Закраска Гуро (Gouraud) - пример

Слайд 25

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

нормалей смежных граней
Нормали в вершинах интерполируются

Слайд 26

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

Слайд 27

Свет и материя

Содержание

Излучение и отражение светаКогда мы смотрим на некоторую точку реального объекта,

Суть задачи визуализации: Моделирование переноса световой энергииМоделировать освещение очень важно, т.к.

Необходимо рассчитать количество и распределение световой энергии на чувствительных органах восприятия.В

Источник света, наблюдатель, объектЗадача – рассчитать количество энергии, излучаемой от заданного