Matematika pro real-time grafiku

Transkript

1 Matematika pro real-time grafiku Josef Pelikán, MFF UK Praha NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 1

2 Obsah homogenní souřadnice, maticové transformace převod mezi souřadnými soustavami souřadné soustavy, projekční transformace, frustum perspektivně korektní interpolace reprezentace orientace Eulerovy úhly, kvaterniony interpolace orientací hladké aproximace a interpolace spline funkce, přirozený spline, B-spline, Catmull-Rom,... výpočet světelných modelů a mlhy NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 2

3 Geometrické transformace v 3D vektor 3D souřadnic [ x, y, z ] transformace násobením maticí 3 3 řádkový vektor se násobí zprava (DirectX) [x, y, z] [a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33] = [x ', y',z' ] sloupcový vektor se násobí zleva (OpenGL) transformační matice 3 3 mají podstatné omezení nelze je použít pro posunutí (translaci) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 3

4 Homogenní souřadnice vektor homogenních souřadnic [ x, y, z, w ] transformace násobením maticí 4 4 [x, y,z, w] [a 11 a 12 a 13 a 14 a 21 a 22 a 23 a 24 = [ x', y', z ', w' ] a 31 a 32 a 33 a 34 a 41 a 42 a 43 a 44] homogenní maticí lze i posunovat (translace) a provádět perspektivní projekci NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 4

5 Převod homogenních souřadnic homogenní souřadnice [ x, y, z, w ] se převádějí na běžné kartézské souřadnice vydělením (je-li w 0) [ x/w, y/w, z/w ] souřadnice [ x, y, z, 0 ] neodpovídají žádnému vlastnímu bodu v prostoru lze je chápat jako reprezentaci směrového vektoru (bod v nekonečnu) převod z obyčejných souřadnic do homogenních je jednoduchý: [ x, y, z ] [ x, y, z, 1 ] NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 5

6 Elementární transformace Nejběžnější jsou afinní transformace: [a11 a12 a13 0 a 21 a 22 a 23 0 a 31 a 32 a 33 0 t 1 t 2 t 3 1 ] levá horní podmatice [ a 11 až a 33 ] vyjadřuje rozměr a orientaci, případně zkosení vektor [ t 1, t 2, t 3 ] udává posunutí (translaci) posunutí je až poslední operace NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 6

7 Transformace normál normálové vektory se nesmí transformovat běžnými transformačními maticemi výjimka: matice M je rotační (ortonormální) matice pro transformaci normál N: N = M 1 T x N x N' x N y y y NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 7

8 Souřadné soustavy Souřadnice modelu (Object space) Modelovací transformace (Modeling transform) Světové souřadnice (World space) [x,y,z,w] -z Pohledová transformace (View transform) Souřadnice kamery (Eye space) xy -z Projekční transformace (Projection transform) Ořezávací souřadnice (Clip space) xy n f [x,y,z,w] -z xy -z xy NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 8

9 Souřadné soustavy Ořezávací souřadnice (Clip space) [x,y,z,w] Perspektivní dělení (Perspective divide) Okénková transformace (Viewport transform) Normalizovaný prostor (Normalized device space) [x,y,z] -z Souřadnice v okně (Window space) [x,y,z] xy OpenGL: [-1,-1,-1] až [1,1,1] DirectX: [-1,-1, 0] až [1,1,1] [x,y] z skutečná velikost v pixelech na obrazovce (fragmenty) hloubka kompatibilní s z-bufferem NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 9

10 Souřadné soustavy souřadnice modelu databáze objektů, ze kterých se skládá scéna 3D modelovací programy (3DS, Maya,..) světové souřadnice absolutní souřadnice virtuálního 3D světa vzájemná poloha jednotlivých instancí objektů souřadnice kamery 3D svět se transformuje do relativních souřadnic kamery střed projekce: počátek, směr pohledu: -z (nebo z) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 10

11 Souřadné soustavy a transformace transformace model kamera společná transformační matice modelview světové souřadnice nejsou moc důležité projekční transformace definuje zorný objem = frustum [ l, r, b, t, n, f ] přední a zadní ořezávací vzdálenost: n, f výsledkem je homogenní souřadnice (před ořezáním): ořezávací souřadnice ( clip space ) výstupní souřadnice vertex shaderu! NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 11

12 Projekční transformace vzdálený bod f lze posunout do nekonečna [ ] 2n 2n r l r l 2n n t b 0 r l t b t b f n 1 r l t b f n r l t b 0 0 2fn r l t b 0 f n xy [ n ] n 0 f -z NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 12

13 Souřadné soustavy a transformace perspektivní dělení pouze převádí homogenní souřadnice do kartézských normalizované souřadnice zařízení ( NDC ) kvádr standardní velikosti OpenGL: [-1,-1,-1] až [1,1,1] DirectX: [-1,-1,0] až [1,1,1] souřadnice v okně ( window space ) výsledkem okénkové transf. a transformace hloubky používají se při rasterizaci a práci s fragmenty NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 13

14 Transformace tuhého tělesa zachovává tvar těles, mění pouze jejich orientaci skládá se jenom z posunutí a otáčení často se používá k převodu mezi souřadnicovými systémy (např. mezi světovými souřadnicemi a systémem spojeným s pozorovatelem) z u (up) r (right) v (view) y (levoruký = pravotočivý systém) x NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 14

15 Přenesení polopřímky do osy z konstrukce matice postupně v několika krocích: y z O s A x Polopřímka je zadána bodem A a směrovým vektorem s M M -1 = T(-A) = T(A) 1. krok: přenesení bodu A do počátku NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 15

16 Přenesení polopřímky do osy z z s sin = s x s x 2 s y 2 s y cos = s 2 2 x s y y α x M M -1 = T(-A) R z (α) = R z (-α) T(A) 2. krok: otočení polopřímky do roviny yz (okolo osy z) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 16

17 Přenesení polopřímky do osy z y z s β sin = x s 2 2 s x y s 2 x s 2 2 y s z M M -1 s z cos = s 2 x s 2 2 y s z = T(-A) R z (α) R x (β) = R x (-β) R z (-α) T(A) 3. krok: otočení polopřímky do osy z (okolo osy x) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 17

18 Převod mezi souřadnými soustavami y z O A u t x s Souřadný systém je zadán svým počátkem A a trojicí vektorů s, t, u Cs = M(A,u) Cs -1 = M(A,u) krok: přenesení polopřímky (A,u) do osy z NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 18

19 Převod mezi souřadnými soustavami t y z u s γ x sin = [s M a,u ] y s M a,u apod. Cs = M(A,u) R z (γ) Cs -1 = R z (-γ) M(A,u) krok: ztotožnění os s x a t y (otočením kolem z=u ) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 19

20 Převod mezi dvěma orientacemi II z u O s x y t [1, 0, 0 ] M stu xyz = s [0, 1, 0 ] M stu xyz = t [0, 0, 1 ] M stu xyz = u Souřadný systém má počátek v O a je zadán trojicí jednotkových vektorů [ s, t, u ] [ M stu xyz = M xyz stu s x s y s z t x t y t z u x u y u z] T = M stu xyz NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 20

21 Eulerova transformace y head roll rozklad obecné rotace na tři složky Leonard Euler ( ) x -z E(h,p,r) = R y (h) R x (p) R z (r) pitch h (head, yaw): otočení hlavy v půdorysu p (pitch): zvednutí/sklonění hlavy r (roll): otočení kolem osy pohledu NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 21

22 Eulerova transformace II výsledná matice rotace: E= c r c h s r s p s h s r c h c r s p s h c p s h s r c p c r c p s p c r s h s r s p c h s r s h c r s p c h c p c h s(x).. sin(x), c(x).. cos(x) možnost zpětného výpočtu úhlů h, p, r: p.. e 23 r.. e 21 /e 22 h.. e 13 /e 33 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 22

23 Rotace - jiné konvence hlavní konvence: 1. rotace kolem z o úhel ϕ 2. rotace kolem x' o úhel θ 3. rotace kolem z'' o úhel ψ x-konvence: 1. rotace kolem osy z 2. rotace kolem původní osy x 3. rotace kolem původní osy z další systémy: aeronautika, gyroskopy, fyzika,.. NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 23

24 Kvaterniony Sir William Rowan Hamilton, 1843 i 2 = j 2 = k 2 = ijk = -1 aplikace v grafice až v 1985 (Shoemake) zobecnění komplexních čísel do 4D prostoru q = (v, w) = i x + j y + k z + w = v + w imaginární část v = (x, y, z) = i x + j y + k z i 2 = j 2 = k 2 = -1, jk = -kj = i, ki = -ik = j, ij = -ji = k NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 24

25 Kvaterniony - operace sčítání (v 1, w 1 ) + (v 2, w 2 ) = (v 1 +v 2, w 1 +w 2 ) násobení q r = ( v q v r + w r v q + w q v r, w q w r - v q v r ) i q y r z q z r y r w q x q w r x, j q z r x q x r z r w q y q w r y, k q x r y q y r x r w q z q w r z, q w r w q x r x q y r y q z r z NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 25

26 Kvaterniony operace II konjugace (v, w)* = (-v, w) norma (čtverec absolutní hodnoty) q 2 = n(q) = q q* = x 2 + y 2 + z 2 + w 2 jednotka i = (0, 1) převrácená hodnota q -1 = q* / n(q) násobení skalárem s q = (0, s) (v, w) = (s v, s w) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 26

27 Jednotkové kvaterniony jednotkový kvaternion lze vyjádřit goniometricky q = (u q sin φ, cos φ) pro nějaký jednotkový 3D vektor u q reprezentace rotace (orientace) v 3D nejednoznačnost: q i -q reprezentují stejnou rotaci! identita (nulové otočení): (0,1) mocnina, exponenciála, logaritmus: q = u q sin φ + cos φ = exp (φ u q ), log q = φ u q q t = (u q sin φ + cos φ) t = exp (tφ u q ) = u q sin tφ + cos tφ NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 27

28 Rotace pomocí kvaternionu jednotkový kvaternion q = (u q sin φ, cos φ) u q... osa rotace, φ... úhel φ φ u q bod nebo vektor v 3D: p = [p x, p y, p z, p w ] rotace bodu (vektoru) p kolem osy u q o úhel 2φ: p' = q p q -1 = q p q* NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 28

29 Převod mezi kvaternionem a maticí kvaternion q po převedení na matici: M = 1 2 y 2 z 2 2 x y w z 2 x z w y 2 x y w z 1 2 x 2 z 2 2 y z w x 2 x z w y 2 y z w x 1 2 x 2 y 2 převod matice na kvaternion základem jsou rovnice ($): m 23 m 32 =4wx m 31 m 13 =4wy m 12 m 21 =4wz tr M 1 =4w 2 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 29

30 Převod matice na kvaternion II 1. pokud je stopa matice+1 v absolutní hodnotě velká: w= 1 2 tr M 1 x= m m w y= m 31 m 13 4w z= m 12 m 21 4w 2. v opačném případě se nejprve spočítá složka s maximální absolutní hodnotou, pak se použije $: 4x 2 =1 m 11 m 22 m 33 4y 2 =1 m 11 m 22 m 33 4z 2 =1 m 11 m 22 m 33 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 30

31 Sférická lineární interpolace (slerp) dva kvaterniony q a r reálný parametr 0 t 1 (q r 0, jinak -q) interpolovaný kvaternion slerp(q,r,t) = q (q* r) t jiné vyjádření: slerp q, r,t = sin 1 t sin t q sin sin r cos =q x r x q y r y q z r z q w r w Nejkratší sférický oblouk mezi orientacemi q a r NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 31

32 Otočení mezi dvěma vektory dva směrové vektory s a t: 1. normalizace vektorů s, t 2. jednotková rotační osa u = (s t) / s t 3. vyjádření úhlu mezi s a t: e = s t = cos 2φ s t = sin 2φ 4. výsledný kvaternion: q = ( u sin φ, cos φ ) q= q v,q w = e s t, 2 1 e 2 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 32

33 Slerp rotačních matic dvě rotační matice Q a R reálný parametr 0 t 1 interpolovaná matice slerp(q,r,t) = Q (Q T R) t technický problém: obecná mocnina rotač. matice nutnost výpočtu osy a úhlu otočení Q T R výpočetně málo efektivní (podrobnosti viz RotationIssues.pdf ) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 33

34 Vyjádření rotace - shrnutí rotační matice + HW podpora, efektivní transformace vektoru paměť (float[9]), neefektivní ostatní operace osa a úhel otočení + paměť (float[4] nebo float[6]), podobná kvaternionu neefektivní kompozice, interpolace kvaternion + paměť (float[4]), kompozice, interpolace neefektivní transformace vektoru (podrobnosti viz RotationIssues.pdf ) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 34

35 Interpolace na obrazovce týká se souřadnic od ořezávacích (včetně) clip space: [ x, y, z, w ] NDS: [ x/w, y/w, z/w, w ] ( w někdy zůstává) window space (fragment): [ x i, y i, z i, w ] projekční perspektivní transformace mapuje hloubku z do NDS nelineárně! nerovnoměrné využití přesnosti z-bufferu (méně přesné vzdálené partie: minimalizace poměru f/n!) + interpolaci hloubky z lze dělat na obrazovce lineárně W-buffer místo z-bufferu (dnes se moc nepoužívá) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 35

36 Perspektivně korektní interpolace [x 1,y 1,z 1,1/w 1,u 1 /w 1,v 1 /w 1 ] [x 2,y 2,z 2,1/w 2,u 2 /w 2,v 2 /w 2 ] w = 1 / (1/w) u = (u/w) w... [x 3,y 3,z 3,1/w 3,u 3 /w 3,v 3 /w 3 ] Snahou je používat co nejvíce lineární interpolaci hloubku z lze interpolovat lineárně pro texturové souřadnice nebo w se musí implementovat perspektivně-korektní interpolace: lineárně interpoluji 1/w, u/w i v/w, [ u, v ] pak dopočítám dělením (hyperbolická interpolace) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 36

37 Aproximace a interpolace aproximace (např. B-spline) křivka neprochází přesně řídícími body interpolace (např. Catmull-Rom) křivka prochází řídícími body spojitost křivky G n geometrická spojitost n-tého řádu (G 0 prostá spojitost, G 1 tečna, G 2 křivost) C n analytická spojitost n-tého řádu, spoj. n-té derivace (C 1 rychlost, C 2 zrychlení), silnější než geometrická NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 37

38 Historie křivky pro modelování Paul de Faget de Casteljau u firmy Citroën (1959) Pierre Bèzier (u firmy Renault , UNISURF) začal později, ale jeho výsledky se lépe prosadily aplikace spline funkcí zejména v USA (James Ferguson, 1964, Boeing, C 2 spline křivky) teorie spline funkcí B-spline: Isaac Jacob Schoenberg, (balistika, Aberdeen, MD, 1946) rozvoj teorie: Carl de Boor (zkuš. z General Motors) Gordon, Riesenfeld sjednotili Bèzierovy a B-spline křivky (1972) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 38

39 Free-form křivky definují se posloupností řídících bodů řídící polygon aproximace nebo interpolace jiné podmínky na okrajích kontrolovatelnost v uzlech se někdy přidávají i tečné vektory (Hermit) interpolace přísnější kontrola lokalita změnou jednoho řídícího bodu (jednoho tečného vektoru) se změní jen omezené okolí křivky NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 39

40 Free-form křivky parametrické vyjádření (0 t 1): vlastnost konvexního obalu křivka leží v konvexním obalu svého řídícího polygonu Cauchyova podmínka pro váhové funkce postačující pro konvexní obal zajišťuje invarianci na afinní transformace N 1 i =0 N 1 P t = i=0 w i t = 1 w i t P i NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 40 P 1 P 0 P2 P 3

41 Spline funkce Pojmenování podle pružného pravítka používaného v loďařském designu (podepřeného v několika bodech) definice spline funkce stupně n: po částech polynom (stupně n) napojení s maximální možnou hladkostí: C n-1 spojitost (n-1). derivace (pro polynomy stupně n) globální parametrizace u, u 0 u u N [u 0, u 1,... u N ] jednotlivé části jsou často parametrizované pravidelně uniformní spline: t i = (u u i ) / (u i+1 u i ), 0 t i 1 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 41

42 Polynomiální křivka maticové vyjádření: xn yn z n x P t = TC = [t n, t n 1,...t, 1 ] [ n 1 y n 1 z n 1 ] x 1 y 1 z 1 x 0 y 0 z 0 bázová matice M a vektor geometrických podmínek G: 1 0, k C = MG = [m ij ] i =n, j=1 [G.. k] G NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 42 P t = TMG

43 Maticové vyjádření křivky P(t) = T C = T M G oddělení parametru (T) od polynomiální báze (M) a geometrie řídících prvků (G) derivace (tečna, křivost) lze dělat jen s T řídící polynom TM krát geometrie G kubika: n = 3, k = 4 11 m 12 m 13 m 14 Q t =[t 3, t 2, m t, 1 ] [m 21 m 22 m 23 m 24 m 31 m 32 m 33 m 34 m 41 m 42 m 43 m 44 ] [G1 G 2 G 3 G 4] NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 43

44 Hermitovská kubika Fergusonova křivka (kubika) geometrie: koncové body a tečné vektory v nich začátek křivky (P 0 ), konec křivky (P 1 ) tečna na začátku (T 0 ) a na konci (T 1 ) F t =[t 3, t 2, t, 1 ] [ ] [P 0 P 1 ] T 0 T 1 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 44

45 Hermitovská kubika T 0 T 0 T 0 P 1 P 0 P 1 T 1 T1 P 0 P 0 P 1 T 1 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 45

46 Další křivky interpolační kubiky odvozené od Hermitovy: obecná: Kochanek-Bartels (KB-spline, TCB kubika) speciální: cardinal spline, Catmull-Rom spline Akimova interpolace (není C 2 ) D-spline kubika další křivky: Bèzierovy křivky B-spline křivka, Coonsův spline (aproximace) přirozený spline (interpolace) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 46

47 Kochanek-Bartels kubika (KB-spline) odvozená od Hermitovy kubiky výpočet tečných vektorů z řídících bodů tři další parametry (implicitně nulové): (3DS Max, Lightwave) napětí, tension t: ostrost křivky v řídícím bodě (absolutní velikost tečny) spojitost, continuity c: spojitost v řídícím bodě sklon, bias b: směr tečny v řídícím bodě Levá a pravá tečna (T 0 a T 1 v lokálním smyslu): L i = 1 t 1 c 1 b P 2 i P i 1 1 t 1 c 1 b P 2 i 1 P i 1 t 1 c 1 b R i = P 2 i P i 1 1 t 1 c 1 b P 2 i 1 P i NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 47

48 Cardinal spline, Catmull-Rom spline Speciální případy KB-spline: cardinal spline parametr a (ve skutečnosti souvisí s t, c = b = 0) T i = a P i 1 P i 1 0 a 1 Catmull-Rom spline a = t = 1/2 MG = 1 2 T i = 1 ] [ 2 P P i 1 i 1 [ Pi P i P i P i 2] NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 48

49 Akimova interpolace Další alternativa výpočtu tečných vektorů pro Hermitovu kubiku: není C 2! P i-2 Pi+2 P i-1 P i+1 P i C i A i B i T i T i = P i 1 P i 1 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 49

50 D-spline kubika další varianta Hermitovy kubiky tečný vektor se spočítá tzv. D-interpolací P i-1 b i P i c i P i+1 d i G =[ Pi P i 1 T i T i 1] T i b i NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 50

51 Bèzierovy křivky polynomiální křivky stupně N N+1 řídících bodů krajní řídící body definují přímo konce křivky krajní dvojice definují tečné vektory křivky na koncích parametrické vyjádření používá Bernsteinovy polynomy lze je snadno napojovat G 1 nebo C 1 spojitostí složitějším způsobem z nich lze postavit spline Bernsteinovy polynomy: B n i t = n i ti 1 t n i 0 i n, 0 t 1 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 51

52 Bèzierovy křivky Cauchyova podmínka konvexní kombinace řídících bodů n i =0 B i n t = 1 P 1 P 2 pro 0 t MG =[ ] [P 0 P 1 ] P 2 P 3 P 3 P 0 kubická Bèzierova křivka NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 52

53 Napojování Bèzierových křivek G 1 napojení (kolineární tečny) P 1 P 2 P 6 P 3 P 5 P 0 P 3 P 4 = k P 2 P 3 P 4 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 53

54 Napojování Bèzierových křivek II C 1 napojení (shodné tečny) P 1 P 6 P2 P 3 P 5 P 0 P 3 P 4 = P 2 P 3 P 4 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 54

55 Napojování Bèzierových křivek III Kvadratický spline z Bèzierových segmentů P 1 P 4 P 5 P 8 P 2 P3 P 6 P 0 P 7 P 1 P 2 = P 2 P 3 P 3 P 4 = P 4 P 5... P 2k 1 P 2k = P 2k P 2k 1 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 55

56 De Casteljau (de Boor) algoritmus geometrická konstrukce Bèzierovy křivky subdivision schéma i výpočet jednoho daného bodu P 1 1 P 1 P 2 P 1 1 P 1 P 2 P 0 2 1/2 P 0 1 P 0 2 P 03 =L 3 =R 0 =B(1/2) P 1 2 P 2 1 1/4 P 0 1 3/4 P 0 3 =B(3/4) P 1 2 P 2 1 1/2 L 0 =P 0 P 3 =R 3 P 0 P 3 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 56

57 Kubický spline funkce sestavená z kubických polynomů sousední polynomy jsou napojeny C 2 vyjádření pružného spline-pravítka (viz konstrukce) interpolační kubický spline v uzlech x 0, x 1,... x n jsou předepsány funkční hodnoty y 0, y 1,... y n S x = S k x =s k,0 s k,1 x x k s k,2 x x k 2 s k,3 x x k 3 x [x k, x k 1 ], k=0, 1,...,n 1 podm. A: S x k = y k k=0, 1,...,n NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 57

58 Interpolační kubický spline podm. B (C 0 spojitost): S k x k 1 = S k 1 x k 1 k=0, 1,..., n 2 podm. C (C 1 spojitost): S k ' ' x k 1 = S k 1 x k 1 k=0, 1,..., n 2 podm. D (C 2 spojitost): S '' '' k x k 1 = S k 1 x k 1 k=0, 1,...,n 2 pro přirozený kubický spline navíc podm. E: S ' ' x 0 = S ' ' x n = 0 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 58

59 Přirozený kubický spline interpolační spline jednoznačně určen danými podmínkami (řeší se soustava lineárních rovnic pro s k,l ) nemá lokální vlastnost (při změně jednoho uzlu se změní celý spline) otevřený spline: podmínky A, B, C, D nestačí, zbývají 2 stupně volnosti přidává se podmínka E (druhé derivace na okraji) uzavřený (cyklický) spline: x 0 = x n C a D nám pro x 0 dají chybějící dvě podmínky NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 59

60 B-spline (basis spline) free-form křivka tvar je definován posloupností řídících bodů parametrické vyjádření pomocí bazických funkcí (závislost bodu křivky na řídících bodech) má lokální vlastnost (změna řídícího bodu změní křivku jen lokálně) uniformní kubický B-spline (Coonsova křivka) jednotná sada bazických funkcí (kubických polynomů) neuniformní B-spline složitější definice pomocí posloupnosti uzlů 0 t i 1 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 60

61 Coonsův B-spline P 1 P 3,1 P 5 P 6 P 3,2 P 0 P 2 P 3,3 P 4 P 7 automatická spojitost C 2 sdílení 3 řídících bodů změna řídícího bodu ovlivní sousední 4 segmenty MG = 1 6 [ ] [P i 1 P i P i 1 P i 2] NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 61

62 Spline interpolace kvaternionů postupná interpolace posloupností orient. q 0, q 1,... q n slerp(q i,q i+1,t) dává málo hladkou křivku (jen C 0 ) a slerp(a,b,t) b squad p, a, b, q, t = slerp slerp p, q, t,slerp a, b,t, 2t 1 t p squad(p,a,b,q,t) q s i t = squad q i, a i, b i, q i 1, t slerp(p,q,t) a i = b i 1 = q i exp[ 1 log q i q i 1 log q 1 i q i 1 ] 4 NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 62

63 Vertex blending = skinning vrchol každého trojúhelníka p je navázán na několik okolních kostí (souřadných soustav) klidová poloha: t = 0 kosti se animují maticemi B i (t) (object sp. world) počáteční transformace M i = B i (0) n p t = i= 1 w i p M i 1 B i t, n i= 1 w i = 1 B 1 (t) w 1 p(t) w 2 B 2 (t) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 63

64 Stínování pozorovaný odstín na povrchu plošky je závislý na její orientaci v prostoru + na poloze světelných zdrojů existuje mnoho osvětlovacích modelů lokální výpočet odrazu světla na povrchu tělesa ideálem je přesné napodobení přírody Phongův světelný model jednoduchý výpočet kvalitativně přibližně souhlasí s fyzikální realitou kvůli lesklé složce je nejlepší počítat ho v každém pixelu s interpolací normály NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 64

65 Situace L N R α α β V A NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 65

66 Phongův model osvětlení světlo se skládá ze tří složek: zbytkové světlo ( ambient ) náhrada za nepočítané sekundární odrazy difusní odraz ( diffuse ) ideálně matné těleso lesklý odraz ( specular ) neostrý odraz, odlesk L a = C k a L d = C C L k d cos L s = C L k s cos h NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 66

67 Parametry Phongova modelu optické vlastnosti povrchu tělesa ( materiál ): vlastní barva tělesa C (při osvětlení bílým světlem) koeficienty k a, k d a k s (charakter povrchu: matný, lesklý,..) exponent odlesku h (čím větší, tím je odlesk ostřejší) vlastnosti zdroje světla: barva a intenzita C L (třísložkový vektor, s barvou zdroje se násobí po složkách) více zdrojů světla: L = L a L d L s NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 67

68 Spojité stínování Tři techniky použití osvětlovacího modelu: konstantní stínování ( flat shading ) celá ploška se vybarví stejným odstínem Gouraudova interpolace barvy osvětlení se počítá ve vrcholech, uvnitř plošek se barva lineárně interpoluje (umějí běžné HW rasterizéry) Phongova interpolace normály pro každý pixel plošky se normálový vektor lineárně interpoluje a spočítá světelný model nejdokonalejší metoda, vyžaduje spolupráci HW (shader) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 68

69 Spojité stínování interpolace normály N N 1 N 2 N 1 N 2 trojúhelník interpolace barvy flat shading Gouraud shading Phong shading konstantní stínování je adekvátní u hranatých těles interpolace barvy potlačuje hranatý vzhled aproximovaných těles ostré odlesky se však nekreslí korektně interpolace normály je vhodná i pro vysoký lesk NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 69

70 Mlha lokální osvětlovací modely počítají pouze interakci světla s povrchem předmětů vliv prostředí (atmosféry) na šíření paprsku nejjednodušší a nejčastější je výpočet mlhy (umí i HW) přesný výpočet pohlcení/rozptylu paprsku v kouři nebo aerosolu je mnohem složitější barva mlhy C f (obvykle bílá) se mísí s barvou tělesa lineární mlha (koeficient se mění lineárně se vzdáleností) exponenciální mlha (exponenciální závislost koeficientu na vzdálenosti předmětu od pozorovatele) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 70

71 Mlha míchání mlhy s barvou tělesa C f je barva mlhy, C s barva tělesa f je koeficient C= f C s 1 f C f lineární mlha z end a z start jsou vzdálenosti začátku a konce mlhy z je vzdálenost fragmentu od pozorovatele exponenciální mlha D je hustota mlhy (čím je větší, tím je mlha hustší) f = z z end z end z start f =e D z NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 71

72 Literatura Tomas Akenine-Möller, Eric Haines: Real-time rendering, 2 nd edition, A K Peters, 2002, ISBN: Randima Fernando, Mark J. Kilgard: The Cg Tutorial, Addison-Wesley, 2003, ISBN: J. Žára, B. Beneš, J. Sochor, P. Felkel: Moderní počítačová grafika, 2. vydání, Computer Press, 2005, ISBN: (Dave Eberly) NPGR019, hwmath.pdf 2010 Josef Pelikán, 72