Vizualizace - základní techniky

Vizualizace – realistické zobrazení

Úkolem realistického zobrazení je vytvořit obrázky 3D modelů takové, že budou vypadat jako fotografie skutečných objektů.

Všeobecně obsahují grafické systémy tyto funkce pro zobrazení 3D modelu:

• drátový model
• skrytí hran
• stínování
• rendrování

Drátové modely v počítačové grafice používají dvojího druhu zobrazení:

• polygonální
• NURBS

Polygonální (plošková) reprezentace se vyznačuje tím, že se objekty skládají ze sítí rovinných plošek, nejčastěji trojúhelníků. Aproximace tvarů je přibližná, nehodí se proto pro aplikace, kde se vyžaduje přesné vyjádření tvarů, je obtížně editovatelná. Vhodná je pro rychlé zobrazování, protože algoritmy pro zobrazování sítí trojúhelníků jsou podporovány v OpenGL, tedy i v hardware počítačů.

Modely reprezentované hladkými plochami, v současnosti nejčastěji vyjádřeny plochami typu NURBS. Mají popis založený  na  náročném matematickém aparátu. Výhodou je naprosto přesný popis tvaru. NURBS modely se používají ve strojírenských nebo stavařských aplikacích. NURBS se vyznačují snadným převodem do polygonální sítě.

Metody zobrazení

Nároky na rychlost zobrazení se odrážejí na složitosti zobrazovacích algoritmů. Čím má být rychlost vyšší, tím musí být jednodušší. Proto se nejčastěji setkáváme se metodou stínování (shading) - tato technika je označována jako lokální osvětlovací technika. Nebere v potaz okolí objektu, uvažuje pouze přítomnost světelných zdrojů. Jen málo systémů proto umožňuje např. vrhání stínů tělesy. Stínování většinou uvažuje pouze změny spekulární složky, difúzní a abientní složku považuje za konstantní. Barva objektů se vypočítává pouze v rozích každého trojúhelníka a na zbytek plochy je nějakým způsobem nanesena. Tento způsob je označovánjako konstantní stínování (flat shading). Jinou metodou je, že barva trojúhelníku je interpolována z údajů v jeho rozích, označená jako interpolace barvy (Gouraud shading).

Rendering

Rendering je rychlá metoda, jejíž pomocí se předměty zobrazují. Nevýhodou této metody je, že není možné zobrazit vrhání stínů.

Ray-tracing

Jedná se o metodu rekurzívního sledování paprsku (ray-tracing). Existuje celá variant této metody. Metoda je v současnosti velmi často používaná z důvodu časové nenáročnosti, pracuje bez problémů jak na NURBS tak i na polygonech, má možnost pro urychlení úlohy výpočtu paralelizovat, tj. využívat víceprocesorové techniky. Podstatou metody je výpočet barvy každého pixelu v obraze. Výsledkem je jediný pohledově závislý obraz. Každým pixelem, jehož barva nás zajímá, vrhneme do scény paprsek a sledujeme, jaký objekt zasáhl a kam se odrazí. Výpočet odraženého paprsku provádíme až do okamžiku, kdy paprsek opustí scénu, zasáhne zdroj světla, případně se utlumí pod určitou mez.  Podle toho, jak se paprsek od objektu odráží a které objekty zasahuje, postupně vypočítáme barvu vyšetřovaného pixelu. Při srážce paprsku s každým objektem je nutné rovněž vrhnout ke všem světelným zdrojům tzv. stínový paprsek, který zajistí, zda mezi vyšetřovaným bodem objektu a světlem leží nějaké světlo. Pokud ano je zapotřebí barvu tohoto příspěvku snížit o příslušný koeficient, protože tento bod leží ve stínu, pokud ne, vypočítá se barva bodu na základě barvy světla a objektu podle příslušného osvětlovacího modelu. Metoda ze své podstaty produkuje ostré stíny, které působí nepřirozeně, velice kvalitně simuluje odrazy světla na kovech. Výpočet scény rekurzívní metodou trvá řádově minuty.

Radiozita

Někdy je označována jako radiační metoda. Metoda vychází z energetického popisu chování světla, pracuje s uzavřenou scénou, která je ve stavu energetické rovnováhy. Metoda je výhodná např. při řešení návrhu interiérů. Radiozita pracuje pouze s ploškovou reprezentací, světelné zdroje neuvažuje jako bodové, ale jako plošné. Metoda vypočítává množství světla  dopadající  na jednotlivé plochy ve scéně, a jejím konečným výsledkem je stav, ve kterém je scéna v energetické rovnováze. Takovouto scénu je možné libovolně pootáčet, procházet, protože se předpokládá, že se poloha světel nebude měnit, ani se nebudou předměty pohybovat - jinak by nebyla zachována energetická rovnováha. Radiozita simuluje šíření difúzní složky světla. Není tedy vhodná pro simulaci lesklých povrchů. Metoda je však velmi časově náročná. Výpočet scény trvá řádově hodiny.