ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ

1.1. МОДЕЛИ В МАШИННОЙ ГРАФИКЕ

Системы машинной графики отображают отработанную информацию о процессах или объектах в виде синтезированного изображения на экране дисплея. В отличие от фотографических, телевизионных, оптико-электронных и других аналогичных систем для систем машинной графики источником входной информации являются не сами физические процессы или объекты, а математические модели. Эти модели в общем случае представляют упорядоченную совокупность данных, числовых характеристик, параметров, математических и логических зависимостей, отображающих структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами объекта, а также между объектом и его окружением. Математические модели обычно являются обобщенными и предназначаются для описания определенного класса объектов. При вводе конкретных значений параметров система машинной графики на основе общей модели синтезирует изображение и визуализирует его.

Специфика моделей и обрабатывающих программ в трехмерной машинной графике обусловлена необходимостью передавать ощущение глубины пространства, пространственной формы и структуры объектов. Весьма существенное влияние на построение математической модели оказывает требуемый уровень соответствия (подобия) синтезируемого изображения визуально наблюдаемой картине или изображению, которое формируется съемочной системой. В дальнейшем изображение, которому ставится в соответствие синтезирование, будем называть оригиналом. При оценке степени соответствия синтезированного изображения оригиналу целесообразно использовать, как в кинематографии и телевидении, три уровня подобия: физическое, психофизическое (физиологическое) и психологическое.

В применении к машинной графике физическое подобие означает, что синтезированное изображение по основам физическим характеристикам повторяет оригинал. Физическое подобие устанавливается на уровне трех групп характеристик: геометрических (пространственных), яркостных (энергетических) и временных. При физически точном подобии определенные характеристики синтезированного изображения должны полностью соответствовать характеристикам оригинала либо быть пропорциональными им.

При психофизическом (физиологическом) подобии соответствие устанавливается на уровне зрительных ощущений. В силу ограниченных возможностей зрительного аппарата наблюдатель при некотором уровне искажений не может ощутить разницы между синтезированным изображением и оригиналом, так как зрительные ощущения идентичны, хотя яркость, форма и цвет одноименных участков неодинаковы.

Психологическое подобие предполагает, что по общему восприятию синтезированное изображение и оригинал являются схожими. Вследствие этого синтезированное изображение обеспечивает формирование у наблюдателя вполне определенного суждения о реальном объекте или сюжете, хотя синтезированное изображение и оригинал значительно различаются по физическим характеристикам.

Синтез изображений на уровне психологического подобия широко используется в машинной графике. Приемы передачи объемности и глубины пространства во многих элементах подобны используемым в изобразительном искусстве [3]. К таким приемам относятся формирование очертаний предмета и характерных линий, передающих его объемность, загораживание одних предметов другими, и как следствие, наложение изображений переднего плана на изображения предметов в глубине (оверлеппинг), передача перспективы. Эти приемы находят в машинной графике свое математическое выражение: это алгоритмы формирования определенных сечений объемной фигуры, удаления невидимых линий изображения, формирования перспективной проекции. К числу приемов передачи объемности и глубины пространства относятся также яркостное или цветовое выделение некоторых элементов изображения, моделирование теней. Указывая на связь методов трехмерной машинной графики с изобразительным искусством, отмечаем, что современная машинная графика имеет в своем арсенале заметно меньше средств передачи объемности и глубины пространства, чем искусство, поскольку алгоритмическая и программная реализации приемов искусства связаны с серьезными затруднениями.

К числу задач синтеза, решаемого на уровне психологического подобия, можно отнести формирование трехмерных контурных изображений (чертежей), выполненных в выбранной аксонометрической проекции. Такие изображения используются в машиностроительном проектировании и позволяют конструктору (при наличии достаточного опыта) представить вид проектируемых изделий, провести анализ принятого технического решения и его корректировку.

В развитии современной трехмерной машинной графики значительное место занимают вопросы синтеза изображений на уровнях физического и психофизического подобия. Необходимость синтеза таких изображений возникает при решении ряда практических задач, в частности при имитации визуально наблюдаемой обстановки в видеотренажерах, создании банков эталонных изображений для автоматических распознающих систем, оценке внешнего вида и эстетических свойств проектируемых изделий или объектов и т.п.

В обобщенном виде процедуру синтеза изображения можно представить следующим образом:

,                                                   (1.1.1)

где  – математическая модель наблюдаемого объекта или сцены;  – оператор преобразования (обрабатывающая программа) системы машинной графики;  – двухмерное изображение, сформированное системой машинной графики.

Синтезированное изображение должно сопоставляться с оригиналом при визуальном наблюдении или аппаратурной съемке:

 или ,         (1.1.2)

где  – поле излучения объекта;  – соответственно операторы преобразования при визуальном наблюдении или в съемочной аппаратуре;  – соответственно изображения, полученные при визуальном наблюдении или съемке;  – изображение-оригинал.

При физическом подобии синтезированное изображение и оригинал должны быть идентичны друг другу:

.                                                           (1.1.3)

Это означает, что в синтезированном изображении и оригинале должны быть одинаковыми (или пропорциональными) ракурсы наблюдения, яркостные (или цветовые) соотношения, тени, текстура наблюдаемых поверхностей, масштабы и другие характеристики.

Условия физического подобия при синтезе принципиально могут быть выполнены, если оригинал получен съемочной аппаратурой. Для фотографической, телевизионной, оптико-электронной аппаратуры разработаны достаточно точные математические модели, описывающие оператор преобразования . Для выполнения синтеза необходимо сформировать модель объекта (сцены) , в которой должны быть отображены источники освещения, трехмерная геометрическая форма и взаимное положение объектов, характеристики отраженного и собственного излучений. Кроме того, должно быть задано положение съемочной аппаратуры. Следует отметить, что при разработке модели сцены обычно учитывается процесс преобразования информации в съемочной аппаратуре. Если аппаратура не воспроизводит какие-либо особенности наблюдаемых объектов (мелкие детали, текстура, цвет), то учет их в модели является избыточным.

Если синтезируется изображение аналогично визуально наблюдаемому, то условия физического подобия практически не могут быть реализованы в полной мере. Системы машинной графики синтезируют двухмерное изображение, в котором теряется информация, определяемая бинокулярным зрением. Если объект представляет собой объемное тело, то у наблюдателя образуются два сетчаточных образа в правом и левом глазу. Оптическая система каждого глаза строит на сетчатке изображение. Центром проекции является центр зрачка глаза. Вследствие пространственного разноса глаз их оптические оси сходятся на объекте под некоторым углом, называемым углом конвергенции. Поэтому сетчаточные изображения в правом и левом глазу не тождественны. Совместное действие этих сетчаточных изображений формирует у наблюдателя зрительное восприятие объема и пространства.

Система машинной графики может синтезировать изображение, соответствующее только одному сетчаточному изображению, т.е. система способна воспроизвести лишь условия монокулярного наблюдения. Объемность изображения, их пространственное положение при этом воспринимаются на синтезированном изображении благодаря линейной перспективе, загораживанию одних объектов другими, характеру теней и изменению тона (или цветовых оттенков) по полю изображения. Существенное значение для восприятия объема и пространства имеет предшествующий опыт наблюдения, благодаря которому наблюдатель непроизвольно "достраивает" объемную структуру наблюдаемой сцены.

Таким образом, синтезированное компьютерное изображение может соответствовать оригиналу при визуальном наблюдении только на психофизическом уровне.

Максимальное приближение к оригиналу при этом, как и в случае аппаратурное съемки, можно обеспечить, если математическая модель сцены и обрабатывающая программа точно передают условия освещения, геометрическую форму объектов, их взаимное положение, обеспечивают условия энергетического подобия, передают размер и положение теней и другие особенности реальной сцены.