Задачи синтеза фотореалистичных изображений

Существуют две основные причины создания цифровых изображений: для анализа компьютером и для показа человеку. Если мы создаем изображение для компьютера, нам не требуется показывать изображение, достаточно создать набор цветовых значений и передать его программе для анализа.

Но когда мы показываем изображений человеку, задача становится намного сложнее. Вне зависимости от конкретной задачи, котора я приводит к созданию изображения, основное наше желание — это информационная коммуникация с другим человеком. А если мы ходим вложить что-то в голову другому, нам придется провести наше изображение через зрительную систему этого человека.

Зададимся вопросом, что нужно знать для того, чтобы научиться с помощью компьютера синтезировать изображения, неотличимые от реальности? Для этого необходимо создать набор цифровых моделей, которые с необходимым уровнем достоверности позволяют провести те же процессы, что происходят в реальности. Что же это за модели?

На самом деле, часть ответа уже заключена в самом вопросе, а именно в слове «неотличимые». Похожа картинка на реальность или нет, решают наши и глаза и наш мозг. Поэтому первым и одним из ключевых элементов синтеза фотореалистичных изображений является понимание принципов функционирования человеческой зрительной системы. Это позволит создать модель этого механизма, чтобы генерировать изображения, аналогичные тем, которые формируют наши глаза и мозг, получая информацию из реального мира. Подавая это изображение «на вход» системы глаза-мозг, мы и добьемся желаемой цели – создания ощущения полной реалистичности синтезированного изображения. Заметим, что эта же задача решается в фотоаппаратах, поэтому часто удобно рассматривать процесс синтеза изображения как создания модели виртуального фотоаппарата, а не глаза.

Любая зрительная система состоит из двух частей –оптической (формирование изображения) и чувствительной (реакция на различные уровни светового излучения), поэтому разрабатываемая модель должна также передавать эти части с необходимым уровнем достоверности.

Но это еще не все. Наши глаза реагируют на свет. И кроме знания того, как поступающий свет преобразуется в осмысленную информацию, необходимо понять законы распространения света, его взаимодействия с материалами. Только так мы сможем задать ту модель, по которой затем будет построено фотореалистичное изображение. Очевидно, что невозможно передать всю полноту физических законов, по которым происходит перенос световой энергии в мире, однако вместе с пониманием принципов функционирования зрительной системы вполне возможно ранжировать эти законы по важности, моделировать только ключевые и существенные эффекты. Например, зная, что основную роль в формировании ощущение глубины играют перспектива, параллакс и падающие тени, мы в первую очередь обратим внимание на эти эффекты для моделирования объемности объекта.

Модели зрительной системы и принципов распространения света не могут функционировать приложения к модели интересующей части пространства, которая и содержит информацию о форме и материалах объектов, оптических свойствах среды и т.п. Эту информацию геометрического свойства точно так же невозможно полностью оцифровать, поэтому тип модели подбирается под конкретную задачу. Например, некоторые модели оцифровывают объемы объектов (воксельные модели), другие хранят информацию только о поверхности (граничные модели). Поэтому к нашим знаниям необходимо добавить знания о различных типах моделей, их свойствах, методах получения, обработки и синтеза изображений этих моделей.

Собственно, методы синтеза изображений моделей трехмерных объектов (еще называемые методами экранизации) сами по себе представляют собой отдельный достаточно широкий раздел науки. Ведь их цель – рассчитать цвет каждой точки финального изображения в условиях ограниченных вычислительных мощностей.

К процессу экранизации предъявляются достаточно противоречивые требования: в одних приложениях требуется максимальная точность получаемого изображения, в других можно пожертвовать качеством ради интерактивности. Поэтому решение задачи фотореалистичного синтеза невозможно без знания алгоритмов экранизации. Все алгоритмы экранизации очень сильно зависят от используемых геометрических моделей и особенно моделей освещения, являясь связующим звеном между ними, своеобразным цементом, без которого нельзя получить качественный результат.

В итоге получается, что для того, чтобы научиться с помощью компьютера синтезировать фотореалистичные изображения, необходимо разработать следующие модели и алгоритмы:

  • модель функционирования зрительной системы;
  • модель переноса световой энергии;
  • геометрическая модель пространства;
  • алгоритм экранизации

Каждой из этих задач посвящена достаточно солидная часть науки о компьютерной графике.

Статья впервые опубликована в сетевом журнале «Компьютерная графика и мультимедиа»: Алексей Игнатенко. Задачи синтеза фотореалистичных изображений. Компьютерная графика и мультимедиа. Выпуск №6(1)/2008.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s

На платформе WordPress.com. Тема: Baskerville 2, автор: Anders Noren.

Вверх ↑