Исследование и разработка методов нефотореалистичной визуализации для реализации графической библиотеки реального времени Часть 1

Введение

Нефотореалистичная визуализация — область компьютерной графики, посвящённая созданию методов имитации большого разнообразия выразительных стилей в цифровом искусстве. В отличие от традиционной компьютерной графики, сфокусированной на фотореализме, НФР основывается на других художественных стилях, таких как графика, живопись, техническая иллюстрация и мультипликационный стиль.

Актуальность темы

В настоящее время компьютерная графика прочно вошла в нашу жизнь. Многое из того, что мы видим в экране телевизора, на улицах, в интернете сделано при помощи программ, которые предназначены для создания таких изображений и видео, которые сложно или невозможно получить при помощи фотографии, видеосъемки или каких-либо других методов.

Эти инструменты включают в себя модули, которые предназначены как для моделирования и анимации 3х-мерных объектов, так и для их визуализации. Процесс перевода 3х-мерных сцен в изображения называется рендерингом. На данный момент разработаны методы, позволяющие получить качество, сравнимое с фотографией. Они включают в себя наложение реалистичных материалов на 3х мерные модели, построение естественного освещения, физические модели сред и т.д.

Теория, которая лежит в основе этих методов, основана в основном на физике, но в последнее время стали использоваться методы, которые имеют другую основу. Эти методы используются для построения изображений, помогающих выделить детали, которые не видны при использовании реалистичных методов. Например, изображения, полученные при томографии, с большим трудом поддаются визуальному анализу без дополнительной обработки. Для выделения нужной информации следует обработать изображение так, чтобы именно существенные детали были выделены. Также иногда требуется, чтобы в изображение были добавлены элементы, которые изначально не присутствовали, но их целесообразно использовать для придания большей выразительности картинке. Это относится, например, к таким приложениям, как мультипликация и кино. Графику, использующую эти методы, в силу ее специфичности, называют нефотореалистичной.

Область применений нефотореалистичной графики довольно широка. Обработка изображений и трехмерных данных нужна в медицине (описано выше), строительстве (для выделения общих контуров здания, придания чертежу стиля «рисованного от руки» для заказчика и т.д.), технической иллюстрации и в других областях – везде, где нужно схематично представить данные. Для ряда игровых программ, особенно рассчитанных на детей, также оказывается лучше использовать, вместо точных фотореалистичных изображений, — изображения, имеющие вид нарисованных от руки. Кроме того, реализация алгоритмов нефотореалистичного рендеринга может быть направлена на имитацию традиционной рисованной или кукольной мультипликации.

Программы трехмерной анимации, так же, как и аппаратные платформы, на которых они выполняются, — стали более производительными и удобными в эксплуатации, а также более доступными по цене. В итоге, большинство студий компьютерной графики стало переходить на трехмерные технологии. При этом стоимость производства снижается в отдельных случаях на несколько порядков, но, к сожалению, при этом она все равно остается высокой, потому что зачастую приходится затрачивать много усилий на совмещение разных технологий визуализации.

Сегодня существует множество подходов к созданию нефотореалистичных изображений, но только некоторые из них можно применить для движущихся изображений. Такие области, как мультипликация, кино и создание игр, — не могут обойтись без визуализации в реальном времени. Решений построения фотореалистичной графики уже достаточно много. Однако на данный момент не существует общего решения проблемы построения на компьютере нефотореалистичных изображений и их последующей анимации. Студии, сталкивающиеся с данной проблемой, применяют свои решения для создания рисованных мультфильмов и нефотореалистичной визуализации, которые приспособлены под их конкретные проекты. В то же время, существующие методы постоянно совершенствуются и создаются новые. Задача разработки методов нефотореалистичной графики является очень интересной и сложной.

В заключение данной главы можно резюмировать, что система нефотореалистичного рендеринга, работающая в реальном времени и доступная для использования рядовым пользователем, не имеющим специфических навыков в области компьютерной графики, была бы востребованной. Не подлежит сомнению, что проблема разработки новых эффективных методов нефотореалистичной компьютерной графики в настоящее время является актуальной.

Постановка задачи

Основной целью диссертационной работы является разработка теоретических основ для создания универсальной графической библиотеки нефотореалистичного рендеринга, а также практическая реализация ее наиболее важных компонентов. Данная библиотека должна работать в режиме реального времени и подходить для решения задач, связанных с созданием нефотореалистичных игр, видеофильмов и анимации. Для выполнения данной задачи необходимо:

  1. Изучить методы решения типовых подзадач нефотореалистичной визуализации, такие, как выделение границ, освещение, и д.р.
  2. Исследовать вычислительные методы для тонкого моделирования и имитации традиционных художественных средств (начиная от акварели и чернил, и кончая растушевкой и штрихованием).
  3. Провести сравнительный анализ существующих алгоритмов и методов нефотореалистичной визуализации.
  4. Сформулировать рекомендации по применению изученных методов при создании игр, анимации и видеофильмов.
  5. Предложить пути возможных улучшений методов реального времени.
  6. Разработать архитектуру графической библиотеки методов нефотореалистичной визуализации.
  7. Осуществить программную реализацию прототипа разрабатываемой системы.
  8. Провести предварительный анализ полученных результатов опытной эксплуатации разработанной графической библиотеки.

Методы нефотореалистичной компьютерной графики

Методов построения нефотореалистичных изображений много, но условно их можно поделить на две части: построение контура картинки и заливка контура. Также можно их поделить на две независимые группы по построению контура: методы, основанные на обработке изображений и методы, в которых контур получается в результате анализа 3х мерной геометрии.

Также есть области этой дисциплины, в которых применяется только обработка изображений и разрабатываются двумерные фильтры для построения изображений из видеопотока или из двумерных изображений без построения контура.

В данной главе рассматриваются два основных аспекта нефотореалистичной графики: методы выделения границ объектов и модели освещения (или по-другому закрашивания).

Модели освещения в приложениях реального времени

Возможности современных персональных компьютеров позволяют широко использовать компьютерную графику в пакетах проектирования. Одним из основных средств построения реалистичной трехмерной сцены является моделирование свойств поверхности объекта c помощью локальных моделей освещения.

Существующие локальные модели освещения можно разделить на две категории. К первой категории относятся эмпирические модели. Они обычно эффективны в плане быстродействия и некоторые из них дают довольно реалистичную картинку. Они обычно не оперируют такими физическими величинами, как световая энергия, или световой поток. Однако эти модели находят довольно широкое применение в областях, где не требуется точная физическая информация об освещении (например, спецэффекты в фильмах, программы для художников и дизайнеров, для рекламных целей).

Ко второй категории относятся модели, базирующиеся на физических представлениях о теории света. Изображения, полученные с использованием этих моделей, очень хорошо соотносятся с экспериментальными данными. Поэтому эти модели находят применение там, где важна точная имитация поведения света (оформление интерьеров, архитектура).

Для реализации моделей освещения необходимо разобраться, на какие стадии разделяется весь процесс освещения сцены. Сразу оговорюсь, что здесь описываются модели освещения, используемые для систем реального времени. Их характерные особенности, это нетребовательный расчет и приемлемая реалистичность, которой достаточно для научной визуализации или моделирования динамических. Для рендеринга статических изображений высокого качества используются более ресурсоёмкие модели освещения, которые больше приближены к высокоточным физическим моделям.

Модель освещения (shading model — модель тонирования) – это функция, задающая исходящую энергию в зависимости от входящей.

Тонирование (shading) – это процесс вычисления исходящего излучения для точки поверхности.

Требования, которые сейчас предъявляются к моделям освещения, противоречивы. Наглядно их можно увидеть на рисунке 1.

Рисунок 1. Требования, предъявляемые к моделям освещения

Требования к моделям освещения (задачи):

  • Задачи физически точной симуляции реальных сцен
  • Численная точность
  • Объекты должны выглядеть так, как мы хотим, не важно, возможно ли это в реальности (творчество и искусство)
  • Быстрота выполнения модели освещения
  • Возможность рассчитать модель освещения (Не имеют смысла модели, расчет которых возможен только теоретически)

Рассмотрим наиболее подходящие модели освещения для реализации нефотореалистичных эффектов в реальном времени.

Модели реалистичного освещения

В этом разделе будут рассмотрены стандартные реалистичные модели освещения, применяемые в компьютерной графике.

Равномерное освещение

Равномерное освещение (ambient lighting) обеспечивает постоянное начальное освещение для всей сцены. Оно освещает все вершины объектов одинаково, потому что не зависит ни от каких других факторов освещения. Это самый простой и быстрый тип освещения, но при этом дает наименее реалистичный результат. Формула (1) для вычисления этой модели освещения так же очень проста, т.к. там всего одна арифметическая операция — умножение. Для ее вычисления достаточно перемножить цвет материала) на интенсивность освещения ().

(1)

Изображение, полученное при применении модели равномерного освещения представлено на рисунке 2.

Рисунок 2. Изображение, полученное при помощи равномерной модели освещения

Освещение по Ламберту

Чисто диффузная модель освещения (diffuse lighting model) — модель освещения, которая зависит от положения источника освещения и от объектной нормали поверхности. Считается, что свет, падающий на точку P, равномерно рассеивающийся по всем направлениям полупространства, содержащего источник света. Наглядно вышесказанное представлено на рисунке 3.

Рисунок 3. Схематичное представление модели освещения Ламберта

Поскольку излучение света одинаково во всех направлениях, видовой вектор (вектор, который направлен на наблюдателя, т.е. камеру) не имеет значения, т.о. V=0. Такой метод требует большего вычисления, так как изменяется для каждой вершины объекта, однако неплохо затеняет объекты и придает им объем. Свет падает, не заполняя всю поверхность одинаковым цветом (как в случае с равномерным освещением), а создается впечатление, что, свет направлен на какую либо поверхность.

Учитывая все предположения, формула освещённости будет иметь следующий вид:

(2)

где — это коэффициент диффузного освещения материала, а — интенсивность диффузного освещения источника.

Таким образом, освещенность в точке определяется только плотностью света в точке поверхности, а она линейно зависит от косинуса угла падения. Причем в этой формуле (2), по предположениям, нет величин, зависящих от P. Так что освещенность равна константе для всей грани, то есть все точки грани освещены одинаково. Тогда достаточно посчитать ее лишь один раз на грань. Для отсечения случая, когда косинус угла отрицателен, в уравнение включено отсечение значений косинуса, меньших нуля. Осталось упомянуть, что освещение по Ламберту обычно принято называть flat shading [12].

На рисунке 4 приведено изображение, получаемое при помощи этой модели освещения.

Рисунок 4. Изображение, полученное при помощи модели освещения Ламберта

Реклама
Запись опубликована в рубрике Диплом. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s