Программные технологии синтеза реалистичных изображений

• Автор: Галактионов, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 236 с. : ил.

Введение.

Глава 1. Синтез реалистичных изображений. Физически аккуратные расчеты освещенности.

1.1. Задание цифровой модели сцены

1.1.1. Задание геометрии сцены

1.1.2. Оптические свойства объектов и поверхностей

1.1.3. Модель освещения искусственный и естественный свет

1.1.4. Параметры наблюдения сцены.

1.2. Моделирование распространения света

1.2.1. Задача глобальной освещенности. Уравнение рендеринга.

1.2.2. Прямая и обратная трассировка лучей

1.2.3. Методы ускорения моделирования освещенности

1.3. Программный комплекс построения фотореалистичных изображений. Примеры практических приложений
1.4. Выводы и результаты
Глава 2. Моделирование естественного дневного освещения, задаваемого изображением с большим динамическим диапазоном.
2.1. Основные понятия технологии изображений с большим динамическим диапазоном
2.1.1. Изображение с большим динамическим диапазоном БДЦИ.
2.1.2. Освещение, задаваемое изображением.
2.1.3. Технология построения БДДИ
2.1.4. Использование БДДИ в системах визуализации
2.2. Построение изображения сцены, освещенной БДДИ
2.2.1. Определение яркости точки поверхности
2.2.2. Получение теней при технологии освещения изображением
2.2.3. Распознавание солнца и ярких источников света.
2.2.4. Использование БДДИ в качестве фонового изображения
2.2.5. Сжатие динамического диапазона яркостей.
2.3. Анализ изображений с большим динамическим диапазоном
2.3.1. Динамический диапазон БДДИ
2.3.2. Правильность представления солнца.
2.3.3. Пространственное разрешение БДДИ
2.3.4. Время фотографирования БДДИ.
2.4. Алгоритмическая компенсация некорректностей БДДИ
2.5. Выводы и результаты.
Глава 3. Влияние особенностей зрительного восприятия человека на процесс синтеза изображений
3.1. Эффективный оператор сжатия динамического диапазона яркостей
3.1.1. Алгоритм оператора сжатия динамического диапазона.
3.1.2. Оценка параметров алгоритма.
3.1.3. Полученные результаты.
3.2. Эффекты зрительного восприятия человека.
3.3. Эффекты фотографических изображений
3.4. Выводы и результаты
Глава 4. Моделирование освещенности и синтез реалистичных изображений через Интернет
4.1. Архитектура Интернетприложения для интерактивного физически аккуратного моделирования освещенности
4.2. Возможности программного комплекса с точки зрения конечного пользователя
4.3. Интерфейс программного комплекса
4.4. Методы ускорения моделирования освещенности и генерации изображений.
4.4.1. Методы ускорения расчета глобальной освещенности.
4.4.2. Параллельные и распределенные вычисления.
4.5. Средства администрирования программного комплекса
4.6. Выводы и результаты
Глава 5. Интерактивная 3 навигация сцен с реалистичной визуализацией
5.1. Базовые принципы построения системы генерации реалистичных изображений в режиме 3 навигации.
5.2. Архитектура приложения.
5.3. Естественное освещение и генерация теней.
5.4. Визуализация оптически сложных материалов
5.5. Зеркальные отражения и эффекты вторичной освещенности
5.6. Выводы и результаты
Глава 6. Программное моделирование сложных оптических систем и устройств.
6.1. Системы подсветки жидкокристаллических мониторов.
6.2. Средства отображения и анализа результатов моделирования.
6.2.1. Элементы наблюдения
6.2.2. Визуализация результатов.
6.2.3. Контроль точности
6.3. Визуализация траекторий лучей
6.4. Механизмы описания и представления элементов оптической системы
6.4.1. Проблемы представления элементов оптической системы
6.4.2. Процедурные представления
6.4.3. Генераторы поверхностей и текстур специального вида
6.5. Оптические элементы как средство расширения функциональности программ оптического моделирования
6.5.1. Концепция оптических элементов.
6.5.2. Абстрактный интерфейс взаимодействия ОЭ с системой оптического моделирования.
6.5.3. Процедурное описание ОЭ
6.6. Моделирование осветительных приборов и систем
6.7. Выводы и результаты
Глава 7. Интеграция оптических элементов в систему оптического моделирования.
7.1. Светорассеивающие микроструктуры.
7.2. Пример моделирования осветительной системы жидкокристаллического монитора на основе светорассеивающих микроструктур.
7.3. Оптические элементы объемного рассеяния
7.3.1. Модели объемного рассеяния.
7.4. Поддержка эффектов поляризации света.
7.5. Выводы и результаты
Заключение
Литература


Разработаны модификации алгоритмов, позволяющие скорректировать эти недостатки при моделировании освещенности на базе моделей неба, принятых Международной комиссией по освещенности. Приводятся примеры использования разработанных алгоритмов в системах компьютерной графики для генерации высокореалистичных изображений. В третьей главе рассматриваются вопросы влияния специфики зрительного восприятия человека на процесс синтеза изображений. Рассмотрено несколько таких методов. Предложены эффективные алгоритмы приведения сжатия больших физических значений яркости к диапазону, приемлемому для отображения на реальных дисплеях и принтерах. Другим направлением повышения реалистичности результирующего изображения является воспроизведение некоторых особенностей зрительного восприятия человека, в частности, эффектов размытия блуминга и реснитчатой короны вокруг ярких источников света. Рассматривается также возможность моделирования эффектов фотографических изображения, таких как ореолы вокруг ярких источников света, дефокусировка размывание изображений, эффекты экспозиции. В четвертой главе предлагается архитектура программного комплекса, реализующего физически аккуратное моделирование освещенности в интерактивном режиме через Интернет. Представлены реализованные алгоритмические и аппаратные средства ускорения расчета глобальной освещенности для достижения приемлемого времени отклика. В пятой главе представлена система генерации реалистичных изображений в режиме интерактивной ЗИ навигации. Приведены принципы построения и архитектура системы. Рассмотрены подходы и алгоритмы для изображения сцен с естественным освещением, оптически сложными материалами и зеркальными поверхностями. Описываются разработанные средства анализа и визуализации результатов моделирования, а также механизмы описания и представления элементов моделируемых оптических систем. Излагается предложенная концепция оптических элементов ОЭ, позволяющая эффективно и точно решать задачи проектирования светопроводящих систем, построенных на основе микроструктурных и объемных рассеивающих объектов. Описываются универсальные программные интерфейсы, позволяющие осуществлять оптическое моделирование как в лучевом, гак и в волновом приближениях. Рассмотрен пример использования созданного программного комплекса для анализа результатов моделирования осветительных приборов автомобиля. В седьмой главе рассмотрены основные типы оптических элементов, интегрированных в разработанный комплекс оптического моделирования. Это поверхностные ОЭ, ОЭ объемного рассеяния и ОЭ поляризованной функции рассеяния. В заключении сформулированы основные результаты работы. Глава 1. Синтез реалистичных изображений. Как отмечалось выше, с начала х годов с получением доступа к современным компьютерам и графическим устройствам главным направлением развития компьютерной графики в ИПМ им. М.В. Келдыша РАН стал синтез реалистичных изображений на базе физически аккуратного т. К тому времени, в основном за рубежом, уже существовал ряд графических систем, которые позволяли строить реалистичные изображения сцен и объектов. Однако они, как правило, сосредотачивались на построении привлекательных красивых картинок, часто игнорируя или недостаточно учитывая физические законы распространения света и взаимодействия его с поверхностями сцены. Так, например, большинство компьютерных систем, используемых для производства компьютерных эффектов в кинематографии, такие как , 3 i x, , iv предлагают богатые возможности для моделирования геометрии виртуальных объектов, а также их анимирования. Но они не имеют встроенных механизмов для генерации физически корректных, достоверных изображений. При вычислении цвета поверхности эти программы, как правило, учитывают только локальную освещенность, т. Глобальная освещенность, или свет, попадающий на объект после преломления или отражения другими объектами, как правило, игнорируется или замещается так называемым рассеянным светом, вычисляемым с помощью некоторого эвристического алгоритма. Дизайнеры, работающие в этой среде, достигают реалистичности изображения с помощью кропотливого подбора эвристических параметров освещения и материалов.