Методы создания реалистических изображений

Главная трудность на пути получения изображения объекта состоит в том, что все устройства вывода является двумерными. Трехмерные объекты приходится проецировать на плоскость, что приводит к существенным потерям информации, а иногда и к неопределенности изображения. Мы рассмотрим методы, которые используются для восстановления информации, которая теряется при проецировании (пример с кубом).

Рис. 10.1

С середины 60-х годов ведутся поиски способов и средств создания реалистичных изображений, чтобы наблюдатель принимал изображение за реальный объект, а не за синтетический объект, существующий только в памяти ЭВМ. Это особенно важно при моделировании, проектировании, организации досуга.

Конструкторам автомобилей, самолетов, машин и т.д. хотелось бы заранее знать, как будет выглядеть их проект. Формирование реалистичных изображений, сгенерированных на ЭВМ, во многих случаях представляет собой легкий, дешевый и более эффективный способ наблюдения предварительных результатов, чем изготовление моделей и опытных образцов, кроме того, он позволяет рассмотреть большее число вариантов проекта.

Основной трудностью создания реалистичных изображений является сложность реальных визуальных образов. Наше окружение очень разнообразно. В нем существуют многочисленные фактуры поверхности, плавные переходы цветов, тени, отражения и мелкие неровности (царапины на полу, чешуйки краски, выступы на стенах). Сочетаясь в нашем сознании, они образуют «реальный» визуальный опыт.

Главная трудность при изображении пространственных отношений — практически все устройства вывода является двумерными. Следовательно, трехмерные объекты приходится проецировать на плоскость, что приводит к существенным потерям информации, а иногда к неопределенности изображения.

Рассмотрим методы, которые используются для восстановления информации, чтобы присущие человеку механизмы восприятия глубины могли соответствующим образом ликвидировать неясности.

Рис. 10.2

Перспективные проекции

Размеры объектов обратно пропорциональны их расстоянию от наблюдателя. Меньший объект расположен дальше. Но перспектива подходит не всегда. Особенно эффективно ее использование для объектов с большим числом параллельных линий, так как на изображении они будут сходиться в точке схода. Фактически это схождение линий лучше передает глубину, чем уменьшение размеров. Для сложных объектов (молекулярные структуры), где отсутствуют параллельные линии, перспективные изображения мало пригодны.

Рис. 10.3

Передача глубины яркостью

Глубину объекта (расстояние до него) можно представить путем изменения уровня яркости: объекты, находящиеся ближе к наблюдателю, должны выводиться с увеличенной яркостью. Для реализации этого принципа необходима информация о глубине (координате z). Но человеческий глаз различает яркости гораздо хуже, чем положение по глубине, поэтому передать небольшие различия в расстояниях с помощью яркости сложно.

Аналогия с реальным зрением.

Отсечение по глубине

Выводимый объект пересекается плоскостью, отсекающей его удаленную часть. Удобно динамически изменять положение отсекающей плоскости.

Динамические проекции

Если серию проекций объекта выводить быстро с разных точек зрения, расположенных недалеко друг от друга, то создается впечатление вращения объекта. Метод эффективен, но надо специальное аппаратное обеспечение.

Удаление скрытых линий и поверхностей

Эти алгоритмы требуют больших затрат машинного времени и не удовлетворяют требованиям относительно времени ответа в машинной графике. Поэтому они используются часто как дополнительная возможность, и пользователь применяет ее очень экономно.

Стереоскопия

Если посмотреть на объект поочередно одним и другим глазом, то два вида будут при этом различаться (бинокулярный эффект). Наш мозг сливает два раздельных образа в один трехмерный. Два изображения можно объединить в один трехмерный образ, если разглядывать эту пару так, чтобы каждый глаз видел только одно изображение. Разработчик интерактивной системы должен предъявить каждому глазу вид, который отличается от другого.

Используется шлем с двумя ЭЛТ. При движении головы может изменяться и изображение (датчики, фиксирующие движение).