Тема №10. Трехмерная графика. Зрительные иллюзии

1. Компьютерная графика

Москин Николай Дмитриевич
Институт математики и информационных
технологий
Петрозаводский государственный университет
1

2. § 10 Трехмерная графика. Зрительные иллюзии

Трехмерная графика – это раздел компьютерной
графики, основанный на трехмерных моделях.
Свойства трехмерных объектов определяются: положением объектов в пространстве,
ориентацией, характеристиками
поверхности, интенсивностью
и направлением источников
света, движением точки
наблюдения (камеры) и т. д.
2

3. Построение плоского изображения

Для получения трехмерного изображения на
плоскости выполняются следующие шаги:
Моделирование;
Текстурирование;
Освещение – установка/настройка источников света;
В некоторых случаях анимация и динамическая
симуляция (расчет взаимодействия частиц,
твердых/мягких тел с моделируемыми силами –
гравитации, ветра, выталкивания и др.);
Рендеринг (визуализация) – построение проекции.
3

4. Схема проецирования сцены на экран компьютера

4

5. UV-преобразование

UV-преобразование (UV-map или развертка) – это
соответствие между координатами на
поверхности трехмерного объекта (X, Y, Z) и
координатами на текстуре (U, V). Большинство
современных моделей являются полигональными (т.е. состоят из треугольников), а текстуры
обычно представляют квадратное изображение.
UV-координаты обозначают, какая именно точка
текстуры соответствуют вершине данного
треугольника. Значения U и V обычно
изменяются от 0 до 1.
5

6. UV-преобразование

6

7. Рендеринг

Трехмерные модели существуют только внутри
компьютера, а все, что мы можем увидеть, - это
построенные по ним двухмерные изображения
(проекции). Этот процесс называется рендеринг
(rendering - визуализация).
Технологии рендеринга:
Трассировка лучей (ray tracing);
Метод «бросания лучей» (ray casting);
Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX).
7

8. Метод трассировки лучей

Трассировка лучей (ray tracing) – из точки
наблюдения на объекты сцены направляются лучи,
с помощью которых определяется цвет пикселя на
двумерном экране. В какой-либо точке пути с лучом
света может произойти поглощение, отражение и
преломление (если поверхность обладает
свойством прозрачности).
Метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, но этот процесс ресурсоемкий
и требует много времени.
8

9. Фотореалистичное изображение

9

10. Метод «бросания лучей»

Метод «бросания лучей» (ray casting) – один из
методов рендеринга, при котором сцена строится
на основе замеров пересечения лучей с
визуализируемой поверхностью. Имеет много
общего с методов трассировки лучей, это его
сокращенная, но существенно более быстрая
версия.
Термин впервые был использован в 1982 году в
публикации Скотта Рота для описания рендеринга
CSG-моделей.
10

11. Z-буферизация

Z-буферизация - способ учёта удалённости
элемента в трехмерной компьютерной графике.
Z-буфер представляет собой двумерный массив,
каждый элемент которого соответствует пикселу
на экране. Когда видеокарта рисует пиксель, его
удалённость просчитывается и записывается в
ячейку Z-буфера. Если пиксели двух рисуемых
объектов перекрываются, то их значения глубины
сравниваются, и рисуется тот, который ближе, а
его значение удалённости сохраняется в буфер.
11

12. Z-буферизация

12

13. Z-буферизация

Разрядность буфера оказывает сильное влияние
на качество отрисовки: использование 16-битного
буфера может привести к геометрическим
искажениям, лучше подходят 24, 32-разрядные
буферы.
Если разрядная сетка буфера недостаточно точна
на близких расстояниях, то используется w-буфер,
в котором применяется не удалённость, а
обратная ей величина (w = 1 / z).
Для удаления невидимых поверхностей также
используется «алгоритм художника».
13

14. Зрительные иллюзии

Существует большое количество иллюзий,
заставляющих человека ошибочно воспринимать
и распознавать объекты. Понимание механизмов
их воздействия на восприятие важно для
построения трехмерных сцен, приемов
композиции и освещения, восприятия глубины,
движения, чтения художественно оформленного
текста и др.
Оптическое искусство (op-art) – художник
создает изображения объектов, не существующих
в пространстве.
14

15. Классификация иллюзий

Зрительные искажения;
Иллюзии цвета и контраста;
Иллюзии восприятия размера;
Эффект последействия;
Иллюзии движения;
Двойственные изображения, кажущиеся
фигуры;
Иллюзии восприятия глубины;
Невозможные фигуры.
15

16. Зрительные искажения

Иллюзия Геринга
(иллюзия веера).
Прямые параллельны.
Иллюзия Вундта (1896).
Прямые параллельны.
16

17. Иллюзия кафе «Wall» (горизон-тальные линии параллельны)

Иллюзия кафе «Wall» (горизонтальные линии параллельны)
17

18. Зрительные искажения

Фигура кажется выпуклой.
Кажется, прервана
линия AC, а на самом
деле BC (иллюзия
Поггендорфа).
18

19. Иллюзии цвета и контраста

Полосы Маха - плавный переход цвета
воспринимается как полосы. На границе белого
видна еще более белая полоса, а на границе
черного - еще более черная. Причиной
возникновения данной иллюзии является
латеральное торможение в сетчатке.
19

20. Решетка Геринга

20

21. Ахроматический контраст

Круги имеют один и тот же оттенок серого.
21

22. Центральная полоса одной яркости

22

23. Иллюзия Вертгеймера-Коффки

Часть кольца на
белом фоне
кажется более
темной. Если же
убрать карандаш,
то иллюзия
исчезает.
23

24. Если смотреть в центр на черную точку, то цветные пятна должны исчезнуть

24

25. Иллюзии восприятия размера

Иллюзия МюллераЛайера (1889).
Представители разных
культур в разной степени
подвержены иллюзии
Мюллера-Лайера. Так,
народы, имеющие меньшее
количество прямоугольных
предметов (зданий) в
зрительном окружении,
менее восприимчивы к этой
иллюзии.
25

26. Иллюзии восприятия размера

Вертикальная линия
воспринимается как более
длинная (Wundt, 1858).
Иллюзия перспективы.
Какой человек выше?
26

27. Иллюзия Эббингауза-Титченера

Один и тот же объект воспринимается как более крупный
среди мелких фоновых предметов и меньше среди
больших фоновых предметов.
27

28. Эффект иррадиации

Эффект иррадиации – светлые предметы
на темном фоне кажутся крупнее своих
настоящих размеров и как бы «захватывают»
часть темного фона. Еще Витрувий (I век до
нашей эры), архитектор и инженер Древнего
Рима, в своих трудах указывал, что при
сочетании темного и светлого «свет пожирает
мрак».
28

29. Иллюзии последействия

30 секунд непрерывно смотрите на левое
изображение. Если затем перевести взгляд на
пустой квадрат, то появится лицо Че Гевары.
29

30. Иллюзии последействия

Эффект Макколофф – если непрерывно
смотреть 5 минут на этот изменяющийся квадрат,
а потом перевести взгляд на другой, то
горизонтальные линии покажутся красноватыми,
а вертикальные зеленоватыми.
30

31. Иллюзии движения

Девять
вращающихся
колес. Этот
эффект связан с
явлением
аккомодации.
Также к иллюзиям
движения
относится
эффект Оучи.
31

32. Иллюзия Оучи

32

33. Двойственные изображения

33

34. Сальвадор Дали «Невольничий рынок с явлением незримого бюста Вольтера» (1940)

34

35. Кажущиеся фигуры

Треугольник
Каниша.
Иллюзия куба.
35

36. Иллюзии восприятия глубины

Сколько здесь кубов? 6 или 7?
Куб Неккера (1832
год). Голубая грань
находится спереди
или сзади?
36

37. Невозможные фигуры

Треугольник
Пенроуза и
невозможный
объект Эшера.
37