Методи та засоби підвищення реалістичності та продуктивності текстурування у системах комп’ютерної графіки

Abstract

У дисертаційній роботі розвинуто теорію кінцевої візуалізації тривимірних графічних об’єктів, що дозволило підвищити продуктивність формування зображень та їх реалістичність у системах комп’ютерної графіки з використанням нових методів і засобів накладання текстур, їх фільтрації та імітації нерівностей. Запропоновано метод анізотропної фільтрації з використання вагових функцій на основі гаусівської моделі пікселя з урахуванням форми проекції пікселя в текстурній площині, що дає можливість підвищити точність визначення кольорів пікселів. Запропоновано нові формули визначення об’єму відсікання тіла обертання кривої Гаусса для використання у процесі виконання анізотропної фільтрації текстур із субтекселною точністю, що дає можливість підвищити реалістичність. Вперше запропоновано використання спеціальних текстурних карт для визначення вагових коефіцієнтів текселів при виконанні анізотропної фільтрації текстур замість обчислення їх в реальному часі, для підвищення продуктивності. Запропоновано модифікацію методу Хекберта, в якій використано ітераційні формули для визначення координат текселів, що дозволило зменшити кількість арифметичних операцій при визначенні текстурних координат пікселя та, як наслідок підвищити продуктивність на 26%. Запропоновано нові ітераційні формули визначення параметрів рівняння еліпса при виконанні анізотропної фільтрації, що дозволило зменшити кількість арифметичних операцій та підвищити продуктивність на 18%. Вперше запропоновано метод текстурування, особливість якого полягає у виконанні процедурних операцій в об’єктному просторі та фільтрації в площині екрана, що не потребує виконання анізотропної фільтрації текстур, і як наслідок, дає можливість підвищити продуктивність 30%. Визначено причини похибок візуалізації при використанні технології parallax mapping у поєднанні з анізотропною фільтрацією текстур та запропоновано комбінований метод виконання рельєфного текстурування з використанням parallax mapping та анізотропної фільтрації, що дозволяє усунути артефакти, характерні для зображень, сформованих шляхом поєднання цих технологій. На основі запропонованих методів розроблено програмні компоненти та систему кінцевої візуалізації.

В диссертационной работе развита теория конечной визуализации трёхмерных графических объектов, что позволило повысить производительность формирования изображений и их реалистичность в системах компьютерной графики с использованием новых методов и средств наложения текстур, их фильтрации и имитации неровностей. Предложен метод анизотропной фильтрации с использованием весовых функций на основе гауссовской модели пиксела с учётом формы проекции пиксела в текстурной плоскости, что позволяет повысить точность определения цветов. Предложены новые формулы определения объёма отсечения тела вращения кривой Гаусса для использования в процессе выполнения анизотропной фильтрации текстур с субтекселной точностью, для повышения реалистичности. Впервые предложено использование специальных текстурных карт для определения весовых коэффициентов текселей при выполнении анизотропной фильтрации текстур вместо вычисления их в реальном времени, для повышения производительности. Предложена модификация метода Хекберта, в которой использовано итерационные формулы для определения координат текселей, что позволило уменьшить сложность вычислений и повысить производительность на 26%. Впервые предложен метод текстурирования, особенность которого заключается в выполнении процедурных операций в объектном пространстве и фильтрации в плоскости экрана, который не требует выполнения анизотропной фильтрации текстур, что даёт возможность повысить производительность до 30%. Определены причины ошибок визуализации при использовании технологии parallax mapping в сочетании с анизотропной фильтрацией текстур и предложен комбинированный метод выполнения рельефного текстурирования с использованием parallax mapping и анизотропной фильтрации, позволяет устранить артефакты характерные для изображений, сформированных путём объединения этих технологий. На основе предложенных методов разработаны программные компоненты и система конечной визуализации.

In the thesis the theory of rendering of three-dimensional scenes was supplemented, which allowed to solve the problem of improving the performance of image formation and their realism in computer graphics systems using new methods and tools for texture overlay, filtering and simulation of surface irregularities. Three-dimensional computer graphics provide the highest realism of visual reproduction of objects and processes of the real world. Since the performance of graphics tools provides the ability to display highly realistic three-dimensional objects, the requirements for the level of complexity of models and the accuracy of reflection of highly detailed surfaces are also constantly growing. The formation of dynamic graphic images in real time and in interactive mode imposes stringent performance requirements of texture mapping. The use of simple techniques blending textures is not acceptable to produce realistic looking images. Therefore, there is a need to develop new methods and means of texturing in order to reduce the complexity of realistic reproduction of graphic scenes. On the basis of the theoretical propositions, models, analytical dependences, results of the experimental analysis obtained in the thesis, the author proposes algorithms and software tools for texture mapping in the systems of highly realistic rendering of three-dimensional images. The obtained characteristics and parameters of the developed tools confirm the correctness of scientific provisions and the adequacy of the proposed models.