Metoda energetyczna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Metoda energetyczna (ang. radiosity) – metoda wykorzystywana w grafice komputerowej do wyznaczenia globalnego rozkładu oświetlenia scen trójwymiarowych. Algorytm wywodzi się z badań nad promieniowaniem cieplnym, a w dziedzinie grafiki komputerowej po raz pierwszy pojawił się w 1984 r., w pracy naukowców z amerykańskiego Cornell University.

Oświetlenie globalne (ang. global illumination) – w grafice 3D model oświetlenia, w którym każdy obiekt na scenie oświetlany jest zarówno przez światło emitowane bezpośrednio ze źródła światła, jak również przez światło odbite od innych obiektów na scenie (w przeciwieństwie do oświetlenia lokalnego, gdzie obiekty oświetlane są wyłącznie bezpośrednio przez źródło światła). Taki model oświetlenia wymaga zastosowania algorytmów, które są znacznie bardziej skomplikowane niż algorytmy oświetlenia lokalnego, jednak pozwala uzyskać znacznie większy stopień realizmu. Przykładowe algorytmy (techniki renderingu) realizujące oświetlenie globalne to mapowanie fotonowe, path tracing, radiosity, Metropolis Light Transport.Ambient occlusion – metoda cieniowania powierzchni obiektów przestrzennych używana w grafice trójwymiarowej. Technika ta szacuje stopień zacienienia lub, mówiąc inaczej, wystawienia danej powierzchni na rozproszone światło otoczenia (tzw. światło ambientowe). Ambient occlusion pozwala na relatywnie szybkie imitowanie realistycznego wyglądu powierzchni bez zastosowania jednego z ciężkich obliczeniowo algorytmów oświetlenia globalnego.

Radiosity wyznacza globalny rozkład natężenia światła uwzględniając pochłaniania i odbicia światła jakie mają miejsce na wszystkich powierzchniach znajdujących się na scenie. Czyli modeluje w prawie idealny sposób to samo, co obserwuje się w rzeczywistym świecie, gdzie każda powierzchnia pochłania światło, ale także część jego odbija.

Path tracing – komputerowa metoda Monte Carlo tworzenia fotorealistycznych obrazów scen trójwymiarowych, w której analizowane są losowo wybrane ścieżki promieni światła. Analizując dostatecznie dużo różnych promieni możliwe jest wyznaczenie bardzo dobrej aproksymacji globalnego rozkładu światła.Śledzenie promieni (ang. ray tracing) – technika generowania fotorealistycznych obrazów scen trójwymiarowych. Opiera się na analizowaniu tylko tych promieni światła, które trafiają bezpośrednio do obserwatora. W rekursywnym śledzeniu promieni bada się dodatkowo promienie odbite zwierciadlane oraz załamane.
Po lewej oświetlenie bezpośrednie, po prawej – po użyciu metody energetycznej: światło odbite od czerwonej podłogi nadaje czerwone zabarwienie całemu pomieszczeniu; w narożnikach można dostrzec subtelne cienie

Radiosity nie uwzględnia efektów świetlnych zależnych od położenia obserwatora takich jak rozbłyski na powierzchniach metalicznych, odbicia zwierciadlane, załamanie światła itp. Metoda ta uwzględnia wyłącznie odbicia rozproszone, tj. intensywność światła odbitego jest niezależna od kierunku – dzięki temu uzyskane wyniki są niezależne od położenia obserwatora, co pozwala na wielokrotną, dowolną wizualizację sceny bez ponawiania obliczeń. Dobre efekty finalne trójwymiarowej sceny uzyskuje się po połączeniu tej metody z metodą śledzenia promieni modelującą te zjawiska, które metoda energetyczna pomija.

Grafika 3D (grafika trójwymiarowa) – nazwa jednej z dziedzin grafiki komputerowej, zajmującej się głównie wizualizacją obiektów trójwymiarowych. Nazwa pochodzi od angielskiego sformułowania Three-Dimensional Graphics.Promieniowanie cieplne (termiczne, temperaturowe) – promieniowanie elektromagnetyczne generowane przez cząstki naładowane elektrycznie w wyniku ich ruchu termicznego w materii. Cała materia o temperaturze większej od zera bezwzględnego emituje promieniowanie cieplne.

Algorytm[ | edytuj kod]

W metodzie energetycznej obiekty składające się na trójwymiarową scenę podlegają rozkładowi na skończoną liczbę tzw. płatów, elementarnych powierzchni (prostokątów lub trójkątów). Sposób podziału determinuje jakość obrazu, z kolei od ilości płatów zależy czas wykonywania obliczeń.

Grafika komputerowa – dziedzina informatyki zajmująca się wykorzystaniem technik komputerowych do celów wizualizacji artystycznej oraz wizualizacji rzeczywistości. Grafika komputerowa jest obecnie narzędziem powszechnie stosowanym w nauce, technice oraz rozrywce.Algorytm – w matematyce skończony ciąg jasno zdefiniowanych czynności, koniecznych do wykonania pewnego rodzaju zadań. Słowo "algorytm" pochodzi od starego angielskiego słowa algorism, oznaczającego wykonywanie działań przy pomocy liczb arabskich (w odróżnieniu od abacism – przy pomocy abakusa), które z kolei wzięło się od nazwiska, które nosił Muhammad ibn Musa al-Chuwarizmi (أبو عبد الله محمد بن موسى الخوارزمي), matematyk perski z IX wieku.

Z każdym płatem wiąże się współczynnik pochłaniania światła. Może być on dodatni, wtedy płat pochłania część energii świetlnej do niego docierającej, a resztę odbija. Gdy współczynnik ten jest ujemny, płat emituje światło. Dla każdej pary płatów określany jest współczynnik sprzężenia optycznego, który informuje ile energii świetlnej może zostać przekazane z jednego płata do drugiego. Jest to najtrudniejszy pod względem algorytmicznym i najbardziej czasochłonny etap. Jednocześnie, ze względu na błędy numeryczne, mogą występować „przecieki” światła na połączeniach płatów. Ostatnim, finalnym krokiem w metodzie radiosity jest iteracyjne obliczenie jasności płatów.

Iteracja (łac. iteratio – powtarzanie) – czynność powtarzania (najczęściej wielokrotnego) tej samej instrukcji (albo wielu instrukcji) w pętli. Mianem iteracji określa się także operacje wykonywane wewnątrz takiej pętli.

gdzie: – energia i-tego i j-tego płata, – współczynnik sprzężenia optycznego pomiędzy i-tym a j-tym płatem, – krok.

Zmiany obrazu wraz z kolejnymi krokami metody energetycznej; od lewej: po 1, 2, 3 i na końcu 16 iteracjach

Im więcej zostanie wykonanych iteracji, tym uzyskany obraz trójwymiarowej sceny jest lepszej jakości, czyli jest bliższy rzeczywistości.

Zobacz też[ | edytuj kod]

  • ambient occlusion
  • path tracing
  • photon mapping
  • rendering




  • Reklama