Отображение отражений
В компьютерной графике отображение отражений или отображение окружающей среды. [1] [2] [3] — это эффективный метод освещения на основе изображений , позволяющий аппроксимировать внешний вид отражающей поверхности с помощью предварительно вычисленной текстуры . Текстура используется для хранения изображения удаленной среды, окружающей визуализируемый объект.
Было использовано несколько способов сохранения окружающей среды. Первой техникой было сферическое картографирование , при котором одна текстура содержит изображение окружающей среды, отраженное в сферическом зеркале . Его почти полностью превзошло кубическое отображение , в котором окружающая среда проецируется на шесть граней куба и сохраняется в виде шести квадратных текстур или разворачивается в шесть квадратных областей одной текстуры. Другие проекции, обладающие некоторыми превосходными математическими или вычислительными свойствами, включают отображение параболоида , отображение пирамиды , отображение октаэдра и отображение HEALPix .
Отображение отражений является одним из нескольких подходов к рендерингу отражений , наряду, например, с отражениями в пространстве экрана или трассировкой лучей , при которой точное отражение вычисляется путем отслеживания луча света и его оптического пути . Цвет отражения, используемый при вычислении затенения в пикселе, определяется путем расчета вектора отражения в точке объекта и сопоставления его с текселем на карте среды. Этот метод часто дает результаты, внешне похожие на результаты, полученные с помощью трассировки лучей, но он требует меньше вычислительных затрат, поскольку значение яркости отражения получается путем расчета углов падения и отражения с последующим поиском текстуры, а не с последующим отслеживанием луча. относительно геометрии сцены и вычисления яркости луча, что упрощает нагрузку на графический процессор .
Однако в большинстве случаев отображаемое отражение является лишь приближением реального отражения. Картирование окружающей среды основано на двух предположениях, которые редко выполняются:
- объект, Все сияние, падающее на затеняемый исходит с бесконечного расстояния. В противном случае отражение близлежащей геометрии появляется на отражаемом объекте в неправильном месте. В этом случае параллакса не видно. в отражении
- Закрашиваемый объект является выпуклым , поэтому он не содержит самоотражений. В противном случае объект не появляется в отражении; влияет только окружающая среда.
Картографирование окружающей среды, как правило, является самым быстрым методом рендеринга отражающей поверхности. Чтобы еще больше увеличить скорость рендеринга, рендерер может вычислить положение отраженного луча в каждой вершине. Затем положение интерполируется по полигонам, к которым прикреплена вершина. Это устраняет необходимость пересчета направления отражения каждого пикселя.
Если используется отображение нормалей , каждый многоугольник имеет множество нормалей граней (направление, в котором обращена данная точка многоугольника), которые можно использовать в тандеме с картой окружения для создания более реалистичного отражения. В этом случае угол отражения в данной точке многоугольника будет учитывать карту нормалей. Этот метод используется для того, чтобы плоская поверхность выглядела текстурированной, например, гофрированный металл или матовый алюминий.
Типы [ править ]
Сферное картографирование [ править ]
Сферное картирование представляет сферу падающего освещения так, как если бы она рассматривалась в отражении отражающей сферы через ортогональную камеру. Изображение текстуры может быть создано путем аппроксимации этой идеальной настройки, использования объектива «рыбий глаз» или путем предварительного рендеринга сцены со сферическим отображением.
Сферическое отображение страдает от ограничений, которые снижают реалистичность получаемой визуализации. Поскольку сферические карты хранятся в виде азимутальных проекций окружающей среды, которую они представляют, в отражении от объекта видна резкая точка сингулярности (эффект « черной дыры »), где цвета текселей на краю карты или вблизи него искажаются из-за недостаточное разрешение для точного представления точек. Сферическое картографирование также приводит к потере пикселей, которые находятся в квадрате, но не в сфере.
Артефакты сферического картографирования настолько серьезны, что оно эффективно только для точек обзора, близких к точке обзора виртуальной ортогональной камеры.
Отображение куба [ править ]
Отображение куба и другие отображения многогранников устраняют серьезные искажения карт сфер. Если кубические карты созданы и отфильтрованы правильно, они не имеют видимых швов и могут использоваться независимо от точки зрения часто виртуальной камеры, снимающей карту. Кубические и другие карты многогранников с тех пор заменили карты сфер в большинстве приложений компьютерной графики, за исключением получения освещения на основе изображения . Освещение на основе изображения можно реализовать с помощью кубических карт с коррекцией параллакса. [4]
Обычно при отображении куба используется тот же скайбокс , что и при визуализации на открытом воздухе. Отражение с отображением куба осуществляется путем определения вектора , по которому просматривается объект. Этот луч камеры отражается от нормали к поверхности того места, где вектор камеры пересекает объект. В результате получается отраженный луч , который затем передается на карту куба для получения текселя , который обеспечивает значение яркости, используемое при расчете освещения. Это создает эффект отражения объекта.
Сопоставление HEALPix [ править ]
Отображение среды HEALPix похоже на другие отображения многогранников, но может быть иерархическим, обеспечивая тем самым единую основу для создания многогранников, которые лучше аппроксимируют сферу. Это позволяет снизить искажения за счет увеличения объема вычислений. [5]
История [ править ]
В 1974 году Эдвин Кэтмалл создал алгоритм для «рендеринга изображений двумерных участков поверхности». [6] [7] который работал непосредственно с их математическим определением. Дальнейшие усовершенствования были исследованы и задокументированы Буй-Туонг Фонгом в 1975 году, а затем Джеймсом Блинном и Мартином Ньюэллом , которые разработали картографирование окружающей среды в 1976 году; эти разработки, усовершенствовавшие оригинальные алгоритмы Кэтмалла, привели их к выводу, что «эти обобщения приводят к улучшению методов создания узоров и текстур». [6] [8] [9]
Джин Миллер экспериментировал со сферическим картографированием окружающей среды в 1982 году в MAGI .
Вольфганг Гейдрих представил параболоидное картографирование в 1998 году. [10]
Эмиль Праун представил картографирование октаэдра в 2003 году. [11]
Мауро Штайгледер представил пирамидальное картографирование в 2005 году. [12]
Тянь-Цин Вонг и др. представил существующее отображение HEALPix для рендеринга в 2006 году. [5]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ «Высшее образование | Пирсон» (PDF) .
- ^ http://web.cse.ohio-state.edu/~whmin/courses/cse5542-2013-spring/17-env.pdf [ пустой URL PDF ]
- ^ http://www.ics.uci.edu/~majumder/VC/classes/BEmap.pdf [ пустой URL PDF ]
- ^ «Подходы к освещению на основе изображений и кубическая карта с коррекцией параллакса» . 29 сентября 2012 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Тянь-Цин Вонг, Лян Ван, Чи-Синг Люн и Пин-Ман Лам. Картирование окружающей среды в реальном времени с помощью сферической четырехугольной карты с равным телесным углом , Shader X4: освещение и рендеринг, Charles River Media, 2006.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Блинн, Джеймс Ф.; Ньюэлл, Мартин Э. (октябрь 1976 г.). «Текстура и отражение в компьютерных изображениях» . Коммуникации АКМ . 19 (10): 542–547. дои : 10.1145/360349.360353 . ISSN 0001-0782 .
- ^ Кэтмалл, Е.А. Компьютерное отображение изогнутых поверхностей. Учеб. Конф. на комптр. Графика, распознавание образов и структура данных, май 1975 г., стр. 11–17 (каталожный номер IEEE 75CH0981-1C).
- ^ «Компьютерная графика» .
- ^ «История отображения отражений» .
- ^ Гейдрих, В. и Х.-П. Зейдель. «Карты среды, независимые от просмотра». Семинар Eurographics по графическому оборудованию, 1998 г., стр. 39–45.
- ^ Эмиль Праун и Хьюг Хоппе. «Сферическая параметризация и перераспределение сетки». Транзакции ACM в графике, 22(3):340–349, 2003.
- ^ Мауро Штайгледер. «Карандашный легкий транспорт». Диссертация представлена в Университете Ватерлоо в 2005 году.
Внешние ссылки [ править ]
- Картография «История отражения» Пола Дебевека
- NVIDIA Бумажное картирование среды куба
- Аппроксимация отражающих и прозрачных объектов с картами окружающей среды.