Метод Z-буфера

Это один из простейших алгоритмов удаления невидимых поверхностей. Впервые он был предложен Кэтмулом в 1975 г. Работает этот алгоритм в пространстве изображения. Идея Z-буфера является простым обобщением идеи о буфере кадра. Буфер кадра используется для запоминания атрибутов каждого пикселя в пространстве изображения, а Z-буфер предназначен для запоминания глубины (расстояния от картинной плоскости) каждого видимого пикселя в пространстве изображения. Поскольку достаточно распространенным является использование координатной плоскости в качестве картинной плоскости, то глубина равна координате точки, отсюда и название буфера. В процессе работы значение глубины каждого нового пикселя, который нужно занести в буфер кадра, сравнивается с глубиной того пикселя, который уже занесен в Z-буфер. Если это сравнение показывает, что новый пиксель расположен впереди пикселя, находящегося в буфере кадра, то новый пиксель заносится в этот буфер и, кроме того, производится корректировка Z-буфера новым значением глубины. Если же сравнение дает противоположный результат, то никаких действий не производится. По сути, алгоритм является поиском по и наибольшего значения функции .

Главное преимущество алгоритма - его простота. Кроме того, этот алгоритм решает задачу об удалении невидимых поверхностей и делает тривиальной визуализацию пересечений сложных поверхностей. Сцены могут быть любой сложности. Поскольку габариты пространства изображения фиксированы, оценка вычислительной трудоемкости алгоритма не более чем линейна. Поскольку элементы сцены или картинки можно заносить в буфер кадра или в Z-буфер в произвольном порядке, их не нужно предварительно сортировать по приоритету глубины. Поэтому экономится вычислительное время, затрачиваемое на сортировку по глубине.

Основной недостаток алгоритма - большой объем требуемой памяти. В последнее время в связи с быстрым ростом возможностей вычислительной техники этот недостаток становится менее лимитирующим. Но в то время, когда алгоритм еще только появился, приходилось изобретать способы создания буфера как можно большего объема при имеющемся ресурсе памяти.

Например, можно разбивать пространство изображения на 4, 16 или больше прямоугольников или полос. В предельном варианте можно использовать буфер размером в одну строку развертки. Для последнего случая был разработан алгоритм построчного сканирования. Поскольку каждый элемент сцены обрабатывается много раз, то сегментирование Z-буфера, вообще говоря, приводит к увеличению времени, необходимого для обработки сцены.

Другой недостаток алгоритма состоит в трудоемкости реализации эффектов, связанных с полупрозрачностью, и ряда других специальных задач, повышающих реалистичность изображения. Поскольку алгоритм заносит пиксели в буфер кадра в произвольном порядке, то довольно сложно получить информацию, которая необходима для методов, основывающихся на предварительном анализе сцены. В целом алгоритм выглядит так:

1. Заполнить буфер кадра фоновым значением цвета.

2. Заполнить Z -буфер минимальным значением z (глубины).

3. Преобразовать изображаемые объекты в растровую форму в произвольном порядке.

4. Для каждого объекта:

· Для каждого пикселя образа вычислить его глубину .

· Сравнить глубину со значением глубины, хранящимся в Z-буфере в этой же позиции.

· Если , то занести атрибуты пикселя в буфер кадра и заменить . В противном случае никаких действий не производить.

Алгоритм, использующий Z-буфер, можно также применять для построения сечений поверхностей. Изменится только оператор сравнения:

где - глубина искомого сечения.

Методы приоритетов (художника, плавающего горизонта)

Здесь мы рассмотрим группу методов, учитывающих специфику изображаемой сцены для удаления невидимых линий и поверхностей.

При изображении сцен со сплошным закрашиванием поверхностей можно воспользоваться методом художника: элементы сцены изображаются в последовательности от наиболее удаленных от наблюдателя к более близким. При экранировании одних участков сцены другими невидимые участки просто закрашиваются. Если вычислительная трудоемкость получения изображения для отдельных элементов достаточно высока, то такой алгоритм будет не самым лучшим по эффективности, но зато мы избежим анализа (и вполне возможно, тоже дорогостоящего), позволяющего установить, какие же из элементов изображать не надо в силу их невидимости. Например, при изображении правильного многогранника мы довольно легко можем упорядочить его грани по глубине, но такая сортировка для произвольного многогранника возможна далеко не всегда. Мы рассмотрим применение этого метода на примере изображения поверхности, заданной в виде однозначной функции двух переменных.

Пусть поверхность задана уравнением

В качестве картинной плоскости выберем плоскость . В области задания функции на осях координат построим сетку узлов:

Тогда представляют собой набор "высот" для данной поверхности по отношению к плоскости . Поверхность будем аппроксимировать треугольниками с вершинами в точках так, что каждому прямоугольнику сетки узлов будут соответствовать два треугольника: и . Для построения наглядного изображения поверхности повернем ее на некоторый угол сначала относительно оси , а затем относительно оси , причем направление вращения выберем таким образом, что точки, соответствующие углам координатной сетки, расположатся в следующем порядке по удаленности от картинной плоскости: , т.е. точка окажется наиболее близкой к картинной плоскости (и наиболее удаленной от наблюдателя). Предполагается, что способ закрашивания треугольников уже определен. Тогда процесс изображения поверхности можно коротко записать так:

При такой последовательности вывода изображения мы продвигаемся от самого удаленного треугольника ко все более близким, частично закрашивая уже изображенные участки поверхности.

Рис. 7.4. Простое каркасное изображение с поверхности

Рис. 7.5. Каркасное изображение диагональными ребрами

Алгоритм художника можно применять для полностью закрашенной сцены, а для каркасного изображения, когда объект представляется в виде набора кривых или ломаных линий, он непригоден. Для этого случая предложен еще один метод, весьма эффективный - метод плавающего горизонта. Вернемся к предыдущему примеру изображения поверхности. Каркасное изображение получается путем изображения кривых, получаемых при пересечении этой поверхности плоскостями и (рис. 7.4).

На самом деле мы будем рисовать четырехугольник и одну диагональ. В процессе рисования нам понадобятся два целочисленных массива: (нижний горизонт) и (верхний горизонт) размерностью, соответствующей горизонтальному размеру экрана в пикселях. Они нужны для анализа видимости участков изображаемых отрезков. Сначала мы инициализируем верхний горизонт нулем, а нижний - максимальным значением вертикальной координаты на экране. Каждая выводимая на экран точка может закрывать другие точки, которые "скрываются за горизонтом". По мере рисования нижний горизонт "опускается", а верхний "поднимается", постепенно оставляя все меньше незакрытого пространства. В отличие от метода художника, здесь мы продвигаемся от ближнего угла к дальнему. Теперь опишем алгоритм подробнее.

Функция в этом фрагменте предназначена для вывода на экран отрезка прямой, причем в момент инициализации очередного пикселя она выполняет следующие действия:

Таким образом, пиксель выводится только в том случае, если он выше верхнего или ниже нижнего горизонта, после чего его координаты уже сами становятся одним из горизонтов. А в целом алгоритм будет выглядеть так:

На рис. 7.5 приведен пример изображения поверхности с использованием этого алгоритма.