Моделирование освещения

Для наблюдателя находящегося в любой точке яркость точки которую он видит будет выражаться следующим образом. где V яркость для ч б; E – альбедо коэффициент отражения поверхности. По сравнению с методом Ламберта эта модель уменьшает яркость точек на которые мы смотрим под углом 90 и увеличивает яркость тех точек на которые мы смотрим вскользь Применение законов освещения при синтезе объекта изображения. 7 Рассчитывается яркость в одной точке например в центре тяжести для выпуклых многоугольников грани по Ламберту и...

2014-07-07

125.57 KB

25 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


Лекция 9

8. Моделирование освещения.

 

8.1. Основные законы освещения

 

8.1.1. Закон Ламберта (диффузного отражения)

 

Если есть некоторая поверхность и в некоторую точку этой поверхности, у которой есть нормаль, направлен луч от источника света. Для наблюдателя, находящегося в любой точке, яркость точки, которую он видит, будет выражаться следующим образом. , где V - яркость (для ч/б); E – альбедо (коэффициент отражения) поверхности. , I – освещённость точки, I0фоновая освещенность (рассеянный свет), q - угол между нормалью () и  вектором, направленным на источник света (), .

Рис. 1

 

Данный метод не учитывает отражения света, поэтому место положения наблюдателя не играет роли. При помощи этого метода лучше всего моделируется матовые поверхности.

Рассмотренный ранее закон Ламберта можно записать в удобной форме.

 

,

где e – доля рассеянного света (рекомендуется ).

 

Рассматриваются два вида источников света:

а) точечный источник света:

Рис. 2

 

б) параллельный пучок света: от удаленного источника

Рис.3

 

Закон Фонга (закон зеркального отражения)

 

 

Рис.4

 

нормаль к поверхности в точке (x,y,z);

падающий луч от источника S;

отраженный луч света;

направление на наблюдателя Р (xP,yP,zP);

q – угол падения и отражения;

g – угол между отраженным лучом и направлением на наблюдателя.

 

формула для определения зеркальной составляющей V,

где n – степень зеркальности поверхности, . Чем больше n тем больше зеркальные свойства поверхности.

Вектора нормированные и лежат в одной плоскости (см. закон отражения света)

Пусть I = const, тогда 

e – доля рассеянного света,

eФ – доля отраженного света, ;

 

 

Рис. 5

 

Если угол g > 90° , то не надо учитывать зеркальную составляющую

Лунная модель

 

Рис. 6

 

– формула Гуро

VД – диффузная составляющая света. Если L = 0 , получается закон Ламберта. L >0.

 

По сравнению с методом Ламберта эта модель уменьшает яркость точек, на которые мы смотрим под углом 90°, и увеличивает яркость тех точек, на которые мы смотрим вскользь

Применение законов освещения при синтезе объекта изображения.

 

Объект с четко выраженными гранями.

 

Метод закраски – flat

 

Основная идея: каждая грань закрашивается одним цветом.

Рис. 7

Рассчитывается яркость в одной точке (например, в центре тяжести для выпуклых многоугольников) грани (по Ламберту) и производится заливка грани полученным цветом.

 

Метод закраски Гуро

 

Основная идея: заливка осуществляется с учетом линейной интерполяции яркости, вычисляется яркость только для вершин многоугольника.

Рис. 8

 

Недостаток метода то, что если источник света проецирутся в плоскость многоугольника, то, используя этот метод заливки, будет получен результат  рис.8 (1), хотя должно быть рис.8 (2).

 

Закраска по Фонгу

 

Основная идея: для каждой точки изображения устанавливаются пространственные координаты, исходя из которых, считаем g и получаем яркость для точки.

Недостаток метода – большая сложность вычислений.

Моделирование освещения методом наложения текстуры.

 

Можно упростить вычисления, сведя метод Фонга к процедуре нанесения текстуры.

 

Рис. 9

 

Рис. 10

Основная идея: в памяти рассчитывается текстура рис. 9, затем заливка объектов осуществляется с использованием полученной текстуры.

 

  •  ·         Рассчет вспомогательной текстуры.

Для каждой точки текстуры рассчитывается яркость по формуле

 

 

Пусть под яркость отведен 1 байт, т.е. – VMAX = 255.

Максимальная яркость будет в точке максимально приближенной к источнику света, т.е.  

 

 

Если соответсявующим образом просматривать h, то получится яркость соответствующей точки в вспомогательной текстуре.

 

  •  ·         Рассчет координатных точек для произвольного треугольника.

 

Рис. 11

 

В мировой системе координат задан произвольный треугольник рис. 11, необходимо провести его заливку с учетом освещенности.

Для этого строится система координат (x’,y’z’) с началом в точке О(x0,y0,z0), таким образом, что ось OZ проходит через источник света S и параллельна нормали , а OX и OY лежат в плоскости треугольника.

 

Рис. 12

, где M – матрица преобразования.

Найдем такую матрицу М, чтобы точки 1,2,3,S проецировались в точки с координатами которые озображены на рис. 12.

– ненормированный вектор нормали

Пронормируем этот вектор: ; N(NX,NY,NZ)

Операясь на это выражение, вычисляем матрицу М:

 

1)

данная формула используется когда составляющая нормали NX = min;

 

2)

данная формула используется когда составляющая нормали NY = min;

 

3)

данная формула используется когда составляющая нормали NZ = min;

 

Для окончательного пересчета координат вершин треугольника будем пользоваться М умноженной на  ; где  М=М1, М2, М3.

Мf – матрица Фонга. Таким образом координаты в текстурном поле :

 

Последняя строка используется для контроля вычислений.

 

Схема закраски фигуры с учетом освещенности с использованием нанесения текстур.

 

1)      Вычисляем h для каждой точки текстуры и записываем полученные результаты в таблицу, которую храним как текстурное поле.

 

Рис. 14

На рис. 14 показан примерный диапазон и характер изменения h.

 

2)      Высчитываем нормаль к поверхности треугольника

;

3)      Пересчитываем координаты в текстурные, используя Мf

 

;

4)      Рассчитываем яркость каждой точки.

 

Если учитывать рассеянный свет, то , где e - доля рассеянного света.

8.2.2. Объект имеет гладкую форму.

 

Аналог алгоритма Гуро

Рис. 15

 

Яркость рассчитывается в каждой вершине, а яркость на гранях и ребрах получается линейной интерполяцией.  В качестве нормали при расчетах яркости в одной вершине используется средняя нормаль , где n – число прилегающих к этой вершине граней. – вектора площади, перпендикулярные соответсвующей грани и равные ее площади, таким образом учитывается то, что грани могут быть разного размера, а следовательно по-разному влиять на среднее значение нормали.  

Рассчитанная таким методом яркость вершины используется для всех прилегающих к ней ребер, а следовательно со всех сторон вершины яркость одинакова и перепада яркости на ребрах не будет.

 

Аналог алгоритма Фонга

 Основная идея: рассчитываются средние нормали, и производится интерполяция нормалей, т.е. линейная интерполяция по каждой координате (x,y,z).

Рис. 16

Недостаток метода – если поверхность неровная, то возможны неточности рис.17

Рис.17

Трассировка лучей.

 

Всё что было рассмотрено ранее относится к проективным методам синтеза. Альтернативой им является трассировка лучей, так же как и проективные методы поддерживается проективно.

 Суть: отслеживание луча.

Существуют:

1)      Обратная трассировка луча (движение на встречу лучу);

2)      Прямая трассировка луча (движение в противоположную сторону).

                               Обратная трассировка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Надо найти точку пересечения луча с ближайшим многоугольником (с объектом трёхмерного изображения). Эта задача решается с помощью сортировки элементов пространственной сце-. ны.

Недостатки:   

1)  Для сложных сцен трассировка лучей не эффективена;

3)      Струсктура вычислений сложнее, чем в проективных медодах.

 

Но метод трассировки лучей более эффективен, чем проективный метод для простой (гладкой) сцены, которая может быть описана математически, т. е.:

1)      Решается система уравнений;

2)      Находится точка пересечения;

3)      Находится яркость.

 

Так же трассировка лучей эффективна для обработки диффузных поверхностей.

Так как в этом существует диффузное отражение, которое может быть получено

при использовании прямой и обратной трассировке лучей.



 

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.
610. Виды производственного освещения. Виды естественного освещения. Понятие к.е.о. Расчет площади световых проемов и количества окон 13 KB
  Виды производственного освещения. Виды естественного освещения. В зависимости от источника света производственное освещение может быть: естественнымсоздаваемым солнечными лучами и диффузным светом небосвода; искусственным его создают электрические лампы; смешаннымкоторое является совокупностью естественного и искусственного освещения. Местное освещение предназначено для освещения только рабочих поверхностей и не создает необходимой освещенности даже на прилегающих к ним площадях.
609. Виды искусственного освещения, источников искусственного освещения. Методы расчета.расчет искусственной освещенности по коэффициенту использования светового потока 12.42 KB
  В осветительных установках предназначенных для освещения предприятий в качестве источников света широко используются газоразрядные лампы и лампы накаливания. К основным характеристикам источников света относятся: номинальное напряжение В; электрическая мощность Вт; световой поток ям: световая отдача лм Вт данный параметр является главной характеристикой экономичности источника света; срок службы ч. Тип источника света на предприятиях выбирают учитывая техникоэкономические показатели специфику производственных...
7772. Организация производственного освещения 18.83 KB
  С другой стороны существует опасность отрицательного влияния на органы зрения слишком большой яркости блескости источников света. Чтобы человек мог выполнять зрительную работу необходимы определенные характеристики света и зрения человека. Основными количественными показателями света являются: Световой поток Ф это мощность лучистой энергии оцениваемая по зрительному ощущению
6599. Электрическая часть освещения 387.62 KB
  Электрическая часть освещения. По технологическому назначению приемники электроэнергии классифицируют в зависимости от вида энергии в который данный приемник преобразует электрическую энергию в частности: механизмы приводов машин и механизмов; электротермические и электросиловые установки; электрохимические установки...
393. Исследование естественного освещения 392.47 KB
  Поэтому полнота и качество информации поступающей через органы зрения зависят во многом от освещения. По конструктивному выполнению естественное освещение бывает: боковое одностороннее  освещение помещения через световые проемы в наружных стенах; боковое двустороннее; верхнее  освещение помещения через световые зенитные и светоаэрационные фонари световые проемы в стенах в местах перепада высот здания; комбинированное  сочетание верхнего и бокового освещения. При оценке естественного освещения используют:...
12407. Электроснабжение систем освещения 272.16 KB
  Осветительными электроустановками называются специальные электротехнические устройства предназначенные для освещения территорий помещений зданий и сооружений. Рабочим называют освещение служащее для обеспечения нормальной деятельности производственных и вспомогательных подразделений предприятия. Основным требованием предъявляемым к освещению является обеспечение нормируемых параметров освещенности которые определяются условиями работы в том числе...
6602. Расчет светотехнической части освещения 137.66 KB
  Все методы расчета освещения можно подразделить на два основным: 1) точечный метод; метод светового потока (коэффициента использования). Точечный метод предназначен для нахождения освещенности в расчетной точке и служит для расчета освещения
388. Исследование искусственного освещения в производственных помещениях 348.62 KB
  Свет оказывает непосредственное влияние на зрительные условия работы, на работоспособность и самочувствие человека. Работа при недостаточном освещении снижает производительность труда, приводит к ослаблению зрения и является в ряде случаев причинной производственного травматизма, аварий, и брака.
19568. Проектирование электрического освещения механического цеха 315.45 KB
  В составе светотехнического отдела кроме проектировщиков целесообразно иметь конструкторов специализирующихся в разработке рабочих конструктивных чертежей для проектов освещения. Проектирование осветительных установок подчиняется общим положениям принятым в области разработки проектов и смет для строительства предприятий зданий и сооружений. Данная система включает в себя как светильники расположенные непосредственно у рабочего места и предназначенные для освещения только лишь рабочей поверхности местное освещение так и светильники...
17795. Организация ремонта и обслуживания сетей освещения на примере ЗАО Аграриос 164.87 KB
  Интенсивность фотосинтеза зависит от интенсивности света, содержания двуокиси углерода, обеспечения водой и температуры окружающей среды. Важным является не только количество световой энергии, но и спектральный состав света, а также соотношения периодов освещения и отсутствия света – т.н. фотопериодизм
© "REFLEADER" http://refleader.ru/
Все права на сайт и размещенные работы
защищены законом об авторском праве.