Презентация по информатике "Теоретические основы трехмерной графики"

3D Graphics.

Трехмерная графика (3D Graphics) – визуальное отображение трехмерной сцены или объекта. Для представления трехмерной графики на двумерном устройстве (дисплее) применяют рендеринг.

Rendering.

Рендеринг (rendering) – процесс создания реалистичных изображений на экране, использующий математические модели и формулы для добавления цвета, тени и т. д.

Трехмерная модель

Из 3D в 2D.

Для отображения трехмерной модели на двухмерном экране монитора требуется произвести специальные математические преобразования трехмерных координат всех точек в двухмерные.

Камера.

Аффинные преобразования.

При смене позиции наблюдателя требуется произвести преобразования координат, связанные с поворотом объекта, его масштабированием и учетом перспективы.

Такие преобразования называются аффинными преобразованиями.

Пример преобразования.

Аффинные преобразования применяются при повороте и трансформации объекта (масштабирование, скос).

Допустим, что при повороте ординаты точек (у-координаты) не меняются. Значит, поворот происходит относительно оси y.

Теоретические основы трехмерной графики

Теория построения трехмерных изображений и рендеринга.

3D Graphics

• Трехмерная графика (3D Graphics) – визуальное отображение трехмерной сцены или объекта. Для представления трехмерной графики на двумерном устройстве (дисплее) применяют рендеринг .

rendering

• Рендеринг (rendering) – процесс создания реалистичных изображений на экране, использующий математические модели и формулы для добавления цвета, тени и т. д.

Трехмерная модель

Из 3 D в 2 D

• Для отображения трехмерной модели на двухмерном экране монитора требуется произвести специальные математические преобразования трехмерных координат всех точек в двухмерные.

Камера

Аффинные преобразования

• При смене позиции наблюдателя требуется произвести преобразования координат, связанные с поворотом объекта, его масштабированием и учетом перспективы.
• Такие преобразования называются аффинными преобразованиями

Пример преобразования

• Аффинные преобразования применяются при повороте и трансформации объекта (масштабирование, скос).
• Допустим, что при повороте ординаты точек (у-координаты) не меняются. Значит, поворот происходит относительно оси y .

Освещение

• Модель начинает выглядеть трехмерной только после моделирования освещения, а это напрямую связано с положением плоскостей (полигонов) модели, точнее, с направлением перпендикуляров к плоскостям – нормалей.
• Степень освещенности точки зависит от угла падения лучей света. Чем меньше угол между нормалью и лучом света, тем больше освещенность точки поверхности.

Нормали

• Если взять ровную поверхность, то нормали в каждой ее точке будут одинаковыми и освещенность также будет одинаковой.
• А если поверхность неровная, то нормали в каждой точке будут разными - и освещенность тоже.

Модель освещенности Фонга

• Вклад в это значение от каждого источника света зависит от расстояния между источником света и точкой на поверхности.

Модель освещенности Фонга

Модель Фонга-Блинна

Дальнейшее развитие

• В дальнейшем, исследователи придумывали иные способы вычисления этой составляющей, более сложные (Blinn, Cook-Torrance, Ward), учитывающие распределение энергии света, его поглощение материалами и рассеивания в виде диффузной составляющей.

Игра света и тени

• С целью расчета теней и полутеней (диффузных теней) применяются различные алгоритмы – Ray tracing (трассировка лучей), R adiosity (излучение).
• На рисунке представлены результаты просчета теней и диффузной засветки при помощи R adiosity.

Камера

Свет

голова

Объекты

Действия с объектами

тело

окончание

ноги

Структура программы

Graphics3D 640,480,16,1 Устанавливает 3D Графический способ.   Синтакс такой: Graphics3D ширина, высота, глубина цвета, режим  Ширина, высота – размер создаваемого экрана Глубина – глубина цвета – 16, 24 или 32 бита на пиксель. 

Режим:  0 – оконный во время разработки (если возможно), полноэкранный в .exe формате;  1 –полноэкранный  2 –оконный  3 –оконный, с возможностью изменения размеров окна. 

SetBuffer BackBuffer() – установить поток, буфер.  

cam=CreateCamera() – это самая основная команда в 3D программах. Если не будет даже  одной камеры то 3D программа работать не будет, камера-это тоже самое, что и наши глаза, через неё мы видим окружающий 3D мир.  Lit=CreateLight() – Это команда создает источник света. Можно изменять тип света, в скобки вписываем следующие значения:  1 :направленный  2 :точка  3 : пятно 

cub=CreateCube() – Это мы создаем 3D объект куб.

Геометрические объекты:

CreateSphere ()  - сфера CreateCylinder ()  - цилиндр CreateCone() – конус

PositionEntity cub,0,0,5 – Эта команда помещает объект в позиции и в 3D месте. 

ScaleEntity cub,1,0.3,1 – Изменяет размер объекта  RotateEntity cub,0,40,0 – Вращает объект так, чтобы это было при абсолютной ориентации. 

TurnEntity cub,0.6,0.2,0.3 – вращение

TurnEntity entity,pitch#, yaw#, roll#, [,global]  Tpitch# - X угол и эквивалентна наклону вперед / назад.  Yaw# - Y угол и эквивалентен вращению налево / вправо.  Roll# - Z угол и эквивалентен наклону налево / вправо.  UpdateWorld ()– UpdateWorld [anim_speed#]  anim_speed# (необязательный) – скорость для мультипликации.

Установлен по  умолчанию в 1. 

Repeat 

…………………………… .

Until KeyHit(1) – Между этими двумя командами будет происходить основной цикл игры. При нажатии кнопки ESC начинает читать следующую команду. 

End – Завешает программу

________________________________________

Создаём шаблон

Интерфейс программы.

Так выглядит окно Blitz3d:

Синее текстовое поле является основным – в нём пишут программный код. 

Create Executable  Для включения\отключения отладочного окна: меню Program - Debug Enabled  В правой части окна находится панель с тремя вкладками:  Funcs – отображает все функции, которые используются в проекте.  Types – отображает все типы, которые используются в проекте.  Label – отображает все метки.  " width="640"

Запуск и отладка программы:  Для запуска программы нажмите F5 или 

  Для запуска предыдущей программы нажмите F6  Для проверки ошибок нажмите F7  Для создания .exe файла нажмите: меню Program - Create Executable  Для включения\отключения отладочного окна: меню Program - Debug Enabled  В правой части окна находится панель с тремя вкладками:  Funcs – отображает все функции, которые используются в проекте.  Types – отображает все типы, которые используются в проекте.  Label – отображает все метки. 

Graphics3D 640,480,16, 2   SetBuffer BackBuffer()  cam=CreateCamera()  lit=CreateLight()  ……………………………………….   Repeat  ………………………………………… UpdateWorld  RenderWorld  Flip  Until KeyHit(1)  End

Нарисуем КУБ

Graphics3D 800,600,32,2

SetBuffer BackBuffer()

camera=CreateCamera()

PositionEntity camera,0,2,-9

light=CreateLight()

cub=CreateCube()

RotateEntity light, 45 , 90 , 45

While Not KeyHit(1)=1

RenderWorld()

Flip()

Wend

End

камера

Позиция камеры

свет

Ставим куб

Поворот куба

Пока не нажата ESC

Поставим сферу.

Graphics3D 800,600,32,2

SetBuffer BackBuffer()

camera=CreateCamera()

PositionEntity camera,0,2,-9

light=CreateLight()

cub=CreateCube()

sph=CreateSphere(32)

ScaleEntity sph,1,1,1

ScaleEntity cub,1,1,1

EntityAlpha cub,0.5

RotateEntity cub,45,45,45

RotateEntity light, 90,45,45

While Not KeyHit(1)=1

RenderWorld()

Flip()

Wend

End

Размер объекта

Прозрачность объекта

ДОМА:

Поставить цилиндр на куб.

Используем:

CreateCylinder ()  - цилиндр CreateCube() - куб

PositionEntity cub,0,0,5 – Эта команда помещает объект в позиции и в 3D месте. 

ScaleEntity cub,1,0.3,1 – Изменяет размер объекта 

Поставим объект

Graphics3D 640,480,16,1  SetBuffer BackBuffer()  cam=CreateCamera()  lit=CreateLight()  cub=CreateCube()   PositionEntity cub,0,0,5  ScaleEntity cub,1,0.3,1  RotateEntity cub,0,40,0  Repeat  TurnEntity cub,.6,.2,.3  TurnEntity lit,5,5,0  UpdateWorld  RenderWorld  Flip  Until KeyHit(1)  End

Практическая работа.

• Изменить параметры света.
• Изменить размер объекта.
• Переместить объект вверх
• Переместить объект вправо.
• Изменить скорость вращения.

Дома: 1. Установить программу

2. Создать сферу и цилиндр.

Дома: 1. Установить программу

2. Создать полупрозрачную сферу и внутри цилиндр.