Динамическая 3d-графика (4-й курс, 8-й сем., 64 ч., диф. Зачет) Программа курса лекций(32 ч.)

Канд. физ.-мат. наук, старший преподаватель Тагир Фаридович Валеев

1. Цели и задачи курса. Реалистическая визуализация. Введение, исторический обзор алгоритмов и аппаратных возможностей. Wireframe. Удаление невидимых линий. Алгоритм подвижного горизонта. Очерки или линии силуэта.

2. Упрощенная модель зрения (или сведения из психофизиологии – колбочки, палочки, цвет). Полосы Маха. Диапазон различаемых яркостей. Локальная модель освещенности, рассеянный свет, диффузное отражение, зеркальное отражение. Закраска по Гуро, закраска по Фонгу. Полигональные приближения гладких поверхностей. Модель Торренса-Спэрроу.

3. Простейшая трассировка лучей. Пространственная сцена. Отраженный и преломленный лучи. Нахождение пересечений луча с основными элементами сцены: а) сфера; б) бокс; в) плоский многоугольник в пространстве.

4. Алгоритм обратной рекурсивной лучевой трассировки. Основные элементы сцены. Камера. Правила ограничения дерева трассировки. Методы повышения качества изображений (удаление лестничного эффекта) – рендеринг на субпиксельном уровне, фильтрация.

5. Методы ускорения лучевой трассировки. Пространственные структуры данных: иерархические ограничивающие объемы (боксы, сферы), сетки, иерархические сетки, октодеревья, kd-деревья. Достоинства и недостатки этих структур при изображении динамических сцен. Кластеризация источников света.

6. Триангуляция. Постановка задачи, применение в трёхмерной графике. Триангуляция Делоне. Диаграммы Вороного.

7. Недостатки рекурсивной лучевой трассировки – отсутствие диффузных переотражений. Компонент рассеянного света. Метод световых сеток. Световые сетки прямой и непрямой освещенности.

8. Уравнение визуализации – уравнение баланса освещенности в сцене. Особенности лучевой трассировки Монте-Карло. Диффузные сцены. Излучательность (radiosity), уравнение излучательности. Расчет методом конечных элементов.

9. Введение в MS DirectX. Общие сведения об объектно-ориентированной системе SmogDX: сцена (основной объект), камера, порт вывода, мировая система координат, фреймы, модельная система координат, геометрические элементы, источники света, материалы, текстуры, анимации, тени.

10. Иерархия фреймов в SmogDX. Создание геометрии сцены (полигональные сетки). Окрашивание поверхностей сцены, применение полупрозрачных цветов. Динамика – поступательная и вращательная скорости фрейма. Простейший морфинг – изменение положения вершин в сетках. Создание сценариев поведения фреймов.

11. Понятие текстуры, текстурные координаты. Виды покрытий. Текстурирование поверхностей (сеток) сцены. Декалы. Размещение изображения фона на порту вывода.

12. Полигонолизация поверхностей – полигональные сетки. Фактура: текстура, bump mapping. Выборка: Nearest, Linear, MIPMAP. Текстурные системы координат. Покрытия: flat, cylindrical, spherical, chrome. Пример неверного задания сетки куба для текстурирования.

13. Ведение в OpenGL. Совпадающие и различающиеся характеристики OpenGL и SmogDX или OpenGL и DirectX. OpenGL как конечный автомат.

14. Конвейер обработки OpenGL. Дисплейный список. Повершинные операции и сборка примитивов. Вычислитель. Растеризация. Пофрагментные операции.

15. Виды примитивов в OpenGL, способы их задания, свойства: координаты, нормаль, цвет, материал, текстура. Источники света в OpenGL.

16. Представление координат в OpenGL. Матрицы преобразования. Стек матриц. Проективное преобразование.

17. Создание приложений на OpenGL в среде Windows.

18. Визуализация пламени в 3Д: анимированные декалы, проблема зацикливания. Пламя как динамическая сетка. Системы частиц: симуляция и рендеринг. Другие области применения систем частиц: водопад, фонтан, снег, пыль. Построение приложения с использованием систем частиц на OpenGL.

19. Программирование шейдеров. Общее понятие, типы шейдеров, их место в конвейере визуализации Direct3D. Язык для создания шейдеров. Встраивание в приложения. Файлы эффектов .fx. Примеры: gooch shading, cartoon shading, parallax mapping, bump mapping, графические фильтры.