Физические основы компьютерной графики

1.

Физические основы компьютерной
графики

2.

Введение
Компьютерная графика – это область, тесно связанная с физикой. Понимание физических
принципов света, цвета, материалов и движения критически важно для создания реалистичных и
убедительных изображений. Этот курс рассмотрит основные физические концепции, лежащие в
основе компьютерной графики, и покажет, как они используются для моделирования и
рендеринга виртуальных сцен. Мы изучим как свет взаимодействует с поверхностями, как
создаются тени и отражения, и как физика влияет на анимацию и моделирование.

3.

4.

Цветовые модели и цветовое
восприятие
Человеческий глаз воспринимает свет в виде трех основных цветов: красного, зеленого и синего
(RGB). Компьютерная графика использует различные цветовые модели, такие как RGB, CMYK и
HSV, для представления и манипулирования цветом. Понимание этих моделей и их взаимосвязи
необходимо для точной передачи цвета в цифровых изображениях. Важно учитывать также
гамму и цветовой профиль.

5.

6.

Модели освещения
Реалистичное изображение зависит от точного моделирования освещения. Различные модели
освещения, такие как модель Фонга, модель Блинна-Фонга и модель Кука-Торранса, учитывают
различные аспекты взаимодействия света с поверхностью, такие как диффузное и зеркальное
отражение. Выбор модели зависит от требуемого уровня реализма и вычислительной
сложности.

7.

8.

Текстурирование и материалы
Текстуры добавляют деталям и реализму в компьютерную графику. Они представляют собой
изображения, накладываемые на геометрические поверхности. Материалы определяют, как
свет взаимодействует с поверхностью, включая диффузность, отражение, преломление и другие
свойства. Реалистичная имитация материалов требует глубокого понимания физических свойств.

9.

10.

Тенеобразование
Тенеобразование играет важную роль в создании реалистичных изображений. Различные
алгоритмы тенеобразования, такие как shadow mapping и ray tracing, используются для
вычисления областей, находящихся в тени. Эти алгоритмы учитывают положение источников
света и геометрию сцены. Выбор алгоритма зависит от производительности и качества.

11.

Трассировка лучей (Ray Tracing)
Трассировка лучей – это мощный метод рендеринга, который моделирует путь лучей света от
источника света через сцену к камере. Это позволяет создавать высокореалистичные
изображения с точным моделированием отражений, преломлений и теней. Однако,
трассировка лучей требует значительных вычислительных ресурсов.

12.

Растровый и векторный графики
Растровый график представляет изображение как сетку пикселей, тогда как векторный график
представляет изображение как набор математических уравнений. Растровый график подходит
для фотореалистичных изображений, а векторный — для графики с четкими линиями и
формами. Выбор типа графика зависит от цели и применения.

13.

Физика движения и анимация
Реалистичная анимация требует понимания физики движения, включая законы Ньютона и
принципы кинематики. Физические симуляторы используются для моделирования движения
объектов под действием силы тяжести, трения и других сил. Это позволяет создавать более
убедительные и естественные анимации.

14.

Обработка изображений
Обработка изображений включает в себя различные методы улучшения и изменения
изображений. Физические принципы, такие как диффузия и фильтрация, используются для
обработки шума, улучшения резкости и других эффектов. Понимание этих принципов позволяет
эффективно обрабатывать изображения.

15.

Глубина резкости и размытие
движения
Глубина резкости и размытие движения – это эффекты, которые добавляют реализма в
компьютерную графику, имитируя поведение камеры. Глубина резкости моделирует
расфокусировку объектов, находящихся вне зоны резкости, а размытие движения имитирует
движение камеры или объектов. Это улучшает восприятие глубины и движения.

16.

Заключение
Понимание физических основ критически важно для создания высококачественной
компьютерной графики. Изучение цветовых моделей, моделей освещения, трассировки лучей и
других концепций позволяет создавать реалистичные и убедительные изображения и анимации.
Дальнейшее развитие компьютерной графики тесно связано с усовершенствованием методов
моделирования физических явлений.