ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие вычислительных средств, расширение их возможностей являются главным фактором все более широкого внедрения их в различные сферы научной и практической деятельности. Исключительно интенсивно развивается направление компьютерного синтеза изображений. Можно считать, что в настоящее время в основном сформировалась новая отрасль информатики – машинная графика. Ее можно определить как науку о математическом моделировании геометрических форм и облика объектов, а также методов их визуализации.

Интерес к синтезу изображений объясняется высокой информативностью последних. Информация, содержащаяся в изображении, представлена в наиболее концентрированной форме, и эта информация, как правило, более доступна для анализа: для ее восприятия получателю достаточно иметь относительно небольшой объем специальных знаний.

Стремление визуализировать информацию наблюдается практически во всех сферах деятельности человека. И с начала использования ЭВМ возникла проблема представления получаемых данных в виде изображения. На начальном этапе программными средствами формировались различные символьные изображения: диаграммы, графики, условные схемы, планы и т.п. Вывод такой информации осуществлялся непосредственно через алфавитно-цифровое печатающее устройство.

Формирование машинной графики как самостоятельного направления относится к началу 60-х годов, когда Сазерлендом был создан первый специализированный пакет программного обеспечения машинной графики. В 60-е годы были сформулированы принципы рисования отрезками, удаления невидимых линий, методы отображения сложных поверхностей, определены методы формирования теней, учета освещенности сюжета. Первые работы были в основном направлены на развитие векторной графики, т.е. рисования отрезками. Из первых работ этого направления наибольшее влияние на развитие векторной графики оказали алгоритмы Брезенхема.

В 70-е годы значительное число теоретических и прикладных работ было направлено на развитие методов отображения пространственных форм и объектов. Это направление принято называть трехмерной машинной графикой. Математическое моделирование трехмерных сюжетов требует учета трехмерности пространства предметов, расположения в нем источников освещения и наблюдателя. Потребностями трехмерной машинной графики обусловлено большое количество работ по методам аппроксимации и представления сложных поверхностей, отображению узоров из них, генерированию текстур, рельефа, моделированию условий освещения. Одновременно значительное внимание уделялось улучшению качества синтезированных изображений, повышению уровня их реалистичности; сглаживанию погрешностей, возникающих в результате аппроксимации геометрической формы реальных тел и пространственной дискретизации изображения. Методы трехмерной машинной графики позволяют визуализировать сложные функциональные зависимости, получить изображения проектируемых, еще не созданных объектов, оценить облик предмета из недоступной для наблюдения позиции и решить ряд других аналогичных задач.

В 80-е годы сфера применения машинной графики существенно расширилась. Появилась база для широкого использования методов машинной графики – персональные компьютеры. В результате машинная графика стала инструментом не только инженеров-исследователей, но и специалистов многих других отраслей, непосредственно несвязанных ни с техникой, ни с программированием. Увеличение памяти и скорости обработки информации в персональных ЭВМ, создание видеокомплексов с широким набором программ машинной графики, возможность управления ими в диалоговом режиме способствуют дальнейшему расширению применения машинной графики.

Одним из наиболее новых направлений в машинной графики является разработка принципов и методов формирования реалистичных изображений, т.е. изображений, которые могли бы наблюдаться визуально или регистрировались бы оптическими, фотографическими или оптико-электронными устройствами. Потребность в создании реалистичных изображений возникает в таких областях, как дизайн, машиностроительное и архитектурное проектирование, реклама и т.п. В ряде применений реалистичность используется как средство повысить эмоциональное воздействие изображения, как, например, в рекламе, в других же отраслях – как средство оценки качества выбранных решений (в архитектурном планировании, дизайне и др.), в третьих – как средство создания реалистичной обстановки (видеотренажеры, системы распознавания образов). В системах формирования реалистичных изображений должна обеспечиваться передача всей совокупности изобразительных свойств: объемность, расположение предметов в сюжете, полутона, цвет, текстура поверхности. Теоретические исследования последних лет в значительной мере были направлены на разработку методов и средств отображения всей совокупности характеристик сюжетов в синтезируемом изображении.

Быстрое расширение функциональных возможностей современной вычислительной техники создало базу для развития систем машинной графики, обеспечивающих отображение динамических сюжетов, в которых изображения последовательно сменяют друг друга. Из таких систем можно отметить три группы: системы графического моделирования для наглядного представления процессов в химии, медицине, астрономии и др.; системы имитации динамических ситуаций (например, тренажеры); системы получения двухмерных и трехмерных изображений для телевидения и кино. Именно в развитии этих систем наиболее рельефно проявляются трудности и проблемы трехмерной машинной графики. Для них требуется не только высокая точность моделей, но и чрезвычайно высокая производительность вычислительных средств. Создание и внедрение в практику транспьютерных вычислительных систем создают в настоящее время реальные перспективы дальнейшего развития возможностей машинной графики.

В трехмерной машинной графике реалистичных изображений ведущую роль занимает метод трассирования лучей, в основе которого лежит воспроизведение в математической форме хода лучей в реальных устройствах формирования изображений. Этот метод преимущественно рассматривается и в данной книге. Другим методам уделяется сравнительно небольшое внимание. Метод трассирования лучей иногда в литературе называют силовым. Это справедливо лишь в том, что при использовании этого метода можно не искать какие-либо специфические пути синтеза изображений, приспосабливаться к специфике конкретного сюжета. Задача синтеза будет решена, но, возможно, некоторый объем вычислений будет избыточным. Отметим, однако, что если синтезируется реалистичное изображение, то избыточные затраты бывают весьма небольшими. Они велики лишь тогда, когда синтезируется условно-объемное, стилизованное изображение. Наряду с этим метод обратного трассирования лучей имеет несомненные достоинства: универсальность, простота его физической трактовки и, что весьма важно, - возможность распараллеливания вычислений. Это практически позволяет проводить синтез для каждой точки изображения независимо от других.

Глава 1 написана канд. техн. наук проф. А. С. Батраковым, гл. 2-6 и приложение - канд. техн. наук В. П. Ивановым.