Реализация алгоритма обратной трассировки лучей для моделей с большим числом полигонов (стр. 6 из 7)

Модуль Engine - это модуль для создания и построения трехмерных изображений. Он содержит функции для формирования сцены, рендеринга сцены, для изменения параметров источников света, камеры и сцены. Поскольку все модули используют его, то его необходимо подключить его ко всем модулям.

Модуль DataControl подключается к тем модулям, в которых осуществляется ввод данных с клавиатуры. Модуль содержит функции для проверки правильности ввода данных. Это функции IsReal и IsInt. Они проверяют, является ли переданная им строка числом с плавающей точкой или целым. Поскольку ввод данных осуществляется во всех формах кроме Main, то модуль подключен ко всем ним.

Полная структура связей выглядит так:

3.3 Интерфейс программы

Вывод изображения в программе осуществляется в поле главной формы. При изменении разрешения картинки форма автоматически изменит свои размеры.

Меню главной формы состоит из пунктов: "Преобразования", "Фигура", "Опции", "Рендеринг".

При выборе пункта "Рендеринг", произойдет просчет изображения с текущими параметрами источников света, камеры и вывод его на экран.

При выборе пункта "Фигура", можно выбрать из развернувшегося списка сцену, которую необходимо изобразить.

При выборе пункта "Преобразования" на экране появится форма, с помощью которой можно повернуть или сместить объекты сцены, изменить положение камеры, а так же менять выполнять различные действия над источниками света.

При выборе пункта "Опции" на экране, так же появится форма, в которой можно менять параметры рендеринга.

Форма преобразований:

Форма делится на три части:

верхняя часть отвечает за преобразования над сценой.

средняя отвечает за преобразования над камерой.

нижняя позволяет управлять источниками освещения.

Над каждой частью помещена кнопка. Если одна из частей видна, то нажатие на кнопку приведет к тому, что ее место займет нижняя часть. А повторное нажатие к тому, что нижняя часть сдвинется вниз, а текущая появится снова. Такая организация позволяет свернуть неиспользуемые части, чтобы сэкономить место на экране.

Сцена.

Над сценой возможны преобразования переноса и поворота. Для того чтобы совершать поворот необходимо поставить галочку в соответствующем поле. А для осуществления операций сдвига, убрать эту галочку.

Повороты возможны вокруг осей OX, OY, OZ. Для каждой оси выделена своя строчка с полем для ввода угла и двумя кнопками. Для поворота необходимо ввести в поле, соответствующее нужной оси, угол поворота и нажать на одну из двух кнопок. При нажатии на "+" поворот осуществится на положительный угол, при нажатии на "-" - на отрицательный угол.

Для переноса вдоль какой-либо оси необходимо ввести в соответствующую ячейку величину, на которую нужно сдвинуть и нажать опять же на одну из кнопок. При нажатии на "+", сдвиг осуществится на введенное значение, а при нажатии на "-", на величину, противоположную введенной. Для того чтобы все преобразования производились и над источниками света нужно поставить галочку в поле "Изменять источники света".

Камера.

Для камеры тоже существует переключатель между режимами сдвига и поворота. Повороту соответствует поднятый флажок.

Для поворота камеры вверх или вниз необходимо ввести в первое поле угол поворота и нажать "+" для поворота вверх или "-" для поворота вниз.

Для поворота камеры влево или вправо необходимо ввести угол поворота во второе поле и нажать "+" для поворота вправо или "-" для поворота влево.

Для поворота камеры по часовой стрелке или против часовой действуем аналогично, для поворота по часовой надо нажать "+", против часовой "-".

Перемещению камеры соответствует опущенный флажок.

Все аналогично операциям со сценой. Первая строчка позволяет двигаться вверх-вниз, вторая - вправо-влево, а третья - взад-вперед.

Источники света.

Управлять источниками света позволяет третья часть формы. На форме есть две кнопки со стрелками. Эти кнопки предназначены для того, чтобы листать источники света. По мере просмотра источников можно видеть все их характеристики (на форме расположены поля, в которых высвечиваются координаты, тип, интенсивность по трем составляющим и другие характеристики источника). Все параметры источника можно менять. Чтобы это сделать необходимо:

Найти с помощью стрелок нужный источник.

В поля характеристик источника ввести нужные значения.

Нажать кнопку изменить.

Обязательными параметрами для всех источников являются координаты и интенсивность по 3 составляющим. Если источник является обычным (т.е. светящим во все стороны), то этих параметров достаточно. Если же источник светит в конусе, то необходимо ввести направление и угол, в каком светит источник. Если источник второго типа, то можно поставить галочку в пункте затухание. В этом случае интенсивность источника будет максимальна на образующей конуса и постепенно снижается ближе к краям. На краях интенсивность равна нулю.

Можно добавлять источники света. Для этого необходимо листать вправо все источники до тех пор, пока не станет активной кнопка "Добавить". Далее необходимо нажать на эту кнопку. В сцену добавится источник, расположенный в центре глобальной системы координат, с единичными интенсивностями по всем компонентам. Далее нужно задать нужные характеристики у этого источника, как было показано раньше.

Форма опций

С помощью формы опций можно просмотреть все настройки, с которыми будет производиться рендеринг. В форме приведены следующие настройки:

Включено, сглаживание или нет.

Включены тени или нет.

Включено ли качественное моделирование эффекта преломления

Глубина трассировки

Разрешение получаемого изображения

Расстояние от камеры до экранной плоскости.

Все эти настройки можно менять. Для этого нужно ввести в поля новые значения и нажать "OK".

4. Экспериментально-исследовательская часть

Поскольку одной из главных задач курсовой было сделать алгоритм трассировки быстрым, то проанализируем скорость рендеринга в зависимости от количества треугольников и способа их расположения в пространстве.

Тест № 1

Рассмотрим сцену, состоящую из треугольников, равномерно расположенных в пространстве так, чтобы расстояние между треугольниками, было значительно больше их линейных размеров. Поставим условие, что изображение сцены должно занимать весь экран. Проанализируем зависимость времени от числа треугольников в такой сцене.

1,43	3,45	4,53	5,24	5,76	6,06
0	10000	20000	30000	40000	50000

Сразу видно, что при пустой сцене рендеринг занимает 1.43 секунды. Это время, затраченное на перебор всех пикселов и вызов функций обработки пикселов. Оно не включает время на поиск пересечения луча с треугольником. График же похож на график логарифма. Вид графика подтверждается теорией. Алгоритм не перебирает все треугольники, а делает всего несколько сравнений со сферическими оболочками, число которых равно примерно логарифму по основанию 8 от числа треугольников.

Тест № 2

Рассмотрим теперь сцену, в которой полученное изображение занимает не весь экран. Для этого я буду удалять камеру от сцены. При очень сильном удалении сцена будет занимать всего 1 пиксел. Сцена будет использоваться одна и та же и будет состоять из 40000 треугольников. Проведем зависимость времени рендеринга от площади, занимаемой изображением на экране. Картинка будет иметь размеры 800х600.

1,57	2,37	3,33	4,06	4,76	5,76
0	96000	192000	288000	384000	480000

График представляет собой линейную зависимость. Если луч не пересекает сцену, то после сравнения с самой большой оболочкой для многих лучей сразу же будет установлено, что они ничего не пересекают. Поэтому время рендеринга будет определяться временем на обработку лучей, пересекающих сцену. А поскольку время (t) обработки каждого из лучей в среднем одинаковое. То время будет носить зависимость n*t, где n - число пикселей. А это линейная функция от n.

Тест № 3

Теперь рассмотрим сцену, в которой размеры треугольников намного больше расстояний между ними. Я задал эти треугольники случайным образом в ограниченном объеме. Таким образом, треугольники, могут принимать любые размеры. Построим, как и в первом тесте, график зависимости времени от числа треугольников.

1,63	110	190	230	270	300
0	10000	20000	30000	40000	50000

Видно, что при хаотичном разбросе треугольников, алгоритм работает куда медленнее. Улучшение есть, но оно очень мало. При хаотичном разбросе количество оболочек очень большое и поиск по ним становится, сравним по скорости с перебором объектов. По сравнению с первым тестом получилось замедление примерно в 100 раз. Алгоритм хорошо справляется с реальными объектами, так как они чаще всего хорошо сгруппированы.