Superficie procedurale: Esplorazione della generazione e dell'analisi delle texture nella visione artificiale

Di Fouad Sabry

Cos'è la superficie procedurale

Nella computer grafica, una superficie procedurale è una rappresentazione di una superficie come un'equazione matematica implicita, piuttosto che una rappresentazione esplicita.

Come trarrai beneficio

(I) Approfondimenti e convalide sui seguenti argomenti:

Capitolo 1: Superficie procedurale

Capitolo 2: Colata del raggio

Capitolo 3: Modellazione solida

Capitolo 4: Mesh poligonale

Capitolo 5: Modellazione di superfici a forma libera

Capitolo 6: Rete irregolare triangolata

Capitolo 7: Superficie (matematica)

Capitolo 8: Rappresentazione computerizzata delle superfici

Capitolo 9: Modellazione 3D

Capitolo 10: Punto di fuga

(II) Rispondere alle principali domande del pubblico sulla superficie procedurale.

(III) Esempi del mondo reale per l'utilizzo della superficie procedurale in molti campi.

A chi è rivolto questo libro

Professionisti, studenti universitari e laureati, appassionati, hobbisti e coloro che vogliono andare oltre le conoscenze o le informazioni di base per qualsiasi tipo di Superficie Procedurale.

• Lingua: Italiano
• Editore: Un Miliardo Di Ben Informato [Italian]
• Data di uscita: 13 mag 2024

Anteprima del libro

Capitolo 1: Superficie procedurale

Una superficie procedurale è una rappresentazione di una superficie nella computer grafica che è un'equazione matematica implicita piuttosto che una rappresentazione esplicita della superficie.

Una rappresentazione esplicita, ad esempio, definisce una linea come il segmento rettilineo che passa per due posizioni specificate in precedenza. Una superficie specificata come routine viene definita superficie procedurale.

Una superficie offset, ad esempio, potrebbe essere considerata una rappresentazione procedurale nelle applicazioni di fresatura CAD (Computer-Aided Design) e CAM (Computer-Aided Manufacturing). Ciò è dovuto al fatto che è definita come la superficie che si trova a una distanza fissa da un'altra superficie. Con un corpo 3D, il bordo della silhouette è un altro bordo procedurale ben noto che può essere trovato. Uno spigolo è definito come l'insieme di punti su una superficie la cui normale alla superficie esterna è perpendicolare al vettore della vista. Questo spigolo è caratteristico di una superficie.

Un'ulteriore illustrazione di una superficie procedurale è un blob, che può essere visto in film come The Abyss nella scena in cui la creatura composta d'acqua raggiunge e tocca il personaggio. La superficie è definita come una superficie che esiste quando due o più punti di controllo sono orientati in modo tale da far superare al potenziale di contribuzione una determinata soglia. Questa è la definizione della superficie. A causa del fatto che il calcolo di tali superfici procedurali richiede una quantità significativamente maggiore di potenza di calcolo, vengono in genere utilizzate in applicazioni pre-renderizzate piuttosto che in quelle in tempo reale.

Questo metodo è spesso utilizzato dai chimici strutturali, ed è stato inizialmente descritto da van der Waals quando stava tentando di identificare una regione dello spazio in cui la superficie equipotenziale della carica elettrica avesse un valore fisso.

{Fine Capitolo 1}

Capitolo 2: Ray casting

La base teorica per la modellazione solida 3D CAD/CAM e il rendering delle immagini è il ray casting. Funziona in modo simile al ray tracing nella computer grafica, in cui i raggi di luce virtuali vengono proiettati o tracciati dal punto focale di una fotocamera tramite ogni pixel nel sensore della fotocamera per identificare ciò che è visibile lungo il raggio nella scena 3D. Scott Roth ha coniato l'espressione Ray Casting mentre lavorava presso i General Motors Research Labs dal 1978 al 1980. Per una discussione approfondita sulle tecniche di modellazione dei solidi, fare riferimento al suo articolo, Ray Casting for Modeling Solids. L'approccio di Ray Casting di Roth è stato utilizzato per costruire un giunto a U utilizzando cilindri e blocchi in un albero binario nel 1979.

Prima dello sviluppo del ray casting (e del ray tracing), le tecniche di computer grafica proiettavano superfici o bordi (come le linee) dall'ambiente 3D sul piano dell'immagine, dove era necessario utilizzare il ragionamento sulla visibilità. La proiezione piana da mondo a immagine, nota anche come proiezione 3D, trasformazione affine o trasformazione proiettiva (omografia), è una trasformazione del sistema di coordinate omogeneo 3D. Con la rimozione di superfici/bordi nascosti, è difficile eseguire il rendering di un'immagine in questo modo. Inoltre, poiché il ray casting crea automaticamente sagome di superfici curve, non è necessario risolverle manualmente ogni volta che la vista cambia.

Poiché una linea si trasforma in una linea, il ray casting ha notevolmente semplificato il rendering dell'immagine di oggetti e scene 3D.

Pertanto, invece di eseguire il rendering dei bordi curvi e delle superfici della scena 3D sul piano dell'immagine 2D, gli elementi nella scena vengono attraversati da linee (raggi) modificate.

Una matrice 4x4 viene utilizzata per rappresentare una trasformazione di coordinate omogenee.

Il metodo matematico viene utilizzato nella modellazione geometrica e nella computer grafica.

Tre assi vengono ruotati come parte di una trasformazione, ridimensionamento a livello di assi indipendenti, traslazioni 3D e inclinazione.

L'aritmetica matriciale semplifica la concatenazione delle trasformazioni.

da utilizzare con una matrice 4x4, [X] rappresenta un punto, Y, Z, 1] e un vettore di direzione è rappresentato da [Dx, Dy, Dz, 0].

(Traslazione è il quarto termine, che non si applica ai vettori di direzione.)

L'approccio di rendering più fondamentale del ray casting utilizza l'algoritmo geometrico di ray tracing. I metodi di rendering basati sul ray tracing convertono situazioni tridimensionali in grafica bidimensionale lavorando nell'ordine delle immagini. Per campionare la luce (radianza) che si muove nella direzione del raggio verso l'osservatore, i raggi geometrici vengono tracciati dall'occhio dell'osservatore. Il ray casting è facile e veloce poiché calcola il colore della luce senza tracciare ricorsivamente più raggi per campionare la radianza di incidenza nel punto in cui il raggio ha toccato. Ciò rende impossibile visualizzare con precisione i riflessi, le rifrazioni o il naturale decadimento delle ombre; Tuttavia, tutte queste caratteristiche possono essere in qualche modo simulate con l'aiuto dell'utilizzo inventivo della mappa delle texture o di altre tecniche. I primi videogiochi 3D in tempo reale utilizzavano il ray casting come comoda tecnica di rendering grazie alla sua rapida velocità di calcolo.

Si consideri un'immagine come una porta a zanzariera, in cui ogni quadrato dello schermo è un pixel. Il principio alla base del ray casting è quello di tracciare i raggi dall'occhio, uno per pixel, e scoprire l'oggetto più vicino che blocca il passaggio di quel raggio. L'elemento che l'occhio vede come risultato di quel pixel è questo. Questo algoritmo è in grado di determinare l'ombra di questo oggetto utilizzando le qualità del materiale e l'impatto delle luci della scena. Per semplificare le cose, si presume che se una superficie si confronta con una luce, la luce la attraverserà senza essere bloccata o proiettare un'ombra su di essa. I modelli di ombreggiatura tradizionali per la computer grafica 3D vengono utilizzati per calcolare l'ombreggiatura della superficie. Il ray casting aveva il vantaggio di trattare superfici e solidi non planari, come coni e sfere, molto più facilmente rispetto ai precedenti metodi di scanline. Il ray casting può essere utilizzato per eseguire il rendering di qualsiasi superficie matematica che un raggio può intersecare. Utilizzando tecniche di modellazione solida, gli oggetti complessi possono essere visualizzati in modo semplice.

Secondo l'abstract dell'articolo, Ray Casting for Modeling Solids, i fasci di luce virtuale vengono proiettati come sonde per visualizzare ed esaminare i solidi compositi che sono stati modellati. Poiché è così semplice, il ray casting è affidabile ed espandibile. Trovare i punti in cui una linea e una superficie si connettono è il compito matematico più impegnativo. Pertanto, i solidi primitivi possono essere vincolati da superfici quali piani, quadriche, tori e possibilmente anche patch di superficie parametriche.