ВКР Построение изображений 3-мерных объектов с использованием марширования лучей

На 1 февраля 2023 года оригинальность более 80%

Могу проверить вам актуальную оригинальность работы перед покупкой, пишите в личку.

Оригинал документа в pdf, конвертация в Word автоматическая (в word могут быть недочеты, которые вы легко исправите самостоятельно)

Объём ВКР 68 страниц, на которых размещены 13 иллюстраций. При написании работы использовались 12 источников. К работе прилагается 2 приложения. Предметом исследования является алгоритм марширования лучей и его методов при построении изображений трехмерных объектов.

В работу входит введение, четыре главы и заключение. Во введении раскрывается поставлены цель и задачи исследования, определены его объект и предмет, рассмотрены различные методы решения задачи.

Первая глава содержит описание теоретических основ оценок расстояний и возможных операций над ними. Вторая глава описывает непосредственно метод марширования лучей и его улучшения, связь с оценками расстояний, а также различные оптимизации и методы работы с ним. В третьей главе рассмотрены способы использования описанных методов при построении сцен различных трехмерных объектов. В четвертой главе кратко описан программный комплекс с предоставленным программным кодом, рассмотрены особенности реализации приложения. Заключение посвящено выводам по полученным результатам.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................5

Глава 1. Оценка расстояния....................................................................................8 1.1 Расстояние до неявных поверхностей.........................................................8 1.2 Расстояния до некоторых примитивов......................................................10

1.2.1 Сфера ....................................................................................................10 1.2.2 Плоскость .............................................................................................10 1.2.3 Цилиндр ................................................................................................10 1.2.4 Конус.....................................................................................................11 1.2.5 Тор .........................................................................................................12

1.3 Описание преобразований..........................................................................12 1.3.1 Перенос..................................................................................................13 1.3.2 Поворот..................................................................................................13 1.3.3 Масштабирование................................................................................13

1.4 Операции над оценкой расстояния...........................................................14 1.4.1 Конструктивная сплошная геометрия................................................14 1.4.1.1 Объединение..................................................................................14

1.4.1.2 Пересечение...................................................................................15

1.4.1.3 Разность..........................................................................................16

1.4.2 Смешивание..........................................................................................16 1.4.3 Скручивание..........................................................................................18 1.4.4 Разложения пространства....................................................................18 Глава 2. Марширование лучей.............................................................................19 2.1 Основы лучевого марша.............................................................................19 2.1.1 Алгоритм марширования лучей..........................................................19 2.1.2 Трассировка сферой.............................................................................21

2.2 Оптимизация................................................................................................22 2.2.1 Трассировка сферы релаксации..........................................................22 2.2.2 Улучшенная трассировка сфер ..........................................................23 2.2.3 Ограничивающие сферы......................................................................24 2.2.4 Отклонения от евклидова расстояния................................................25 2.2.5 Сглаживание.........................................................................................26

2.3 Закрашивание объектов..............................................................................26 2.3.1 Нормаль поверхности..........................................................................26

2.3.2 Модель освещения Фонга....................................................................27 2.3.3 Тени........................................................................................................27

2.3.3.1 Вторичные лучи.............................................................................28 2.3.3.2 Мягкие тени...................................................................................28

2.3.4 Окружающая окклюзия .......................................................................29 2.3.4.1 Оценка окружающей окклюзии...................................................29

2.3.5 Текстурирование ..................................................................................29 2.3.5.1 Трехмерное наложение текстур...................................................30

2.3.5.2 Двухмерное наложение текстур...................................................30

2.3.5.3 Трехплоскостное отображение текстур......................................31

Глава 3. Построение сцен.....................................................................................32 3.1 Процедурная генерация..............................................................................32 3.1.1 Шум.......................................................................................................32 3.1.2 Функция шума......................................................................................33 3.1.3 Дробное броуновское движение.........................................................33 3.1.4 Деформация объектов..........................................................................34 3.1.5 Генерация ландшафта..........................................................................35

3.2 Итеративные фракталы...............................................................................38 3.2.1 Складывание пространства.................................................................38

3.3 Оболочка Мандельброта.............................................................................40 3.4 Цвета фракталов .........................................................................................42 3.4.1 Орбитальные ловушки.........................................................................43 Глава 4. Программная реализация.......................................................................44 4.1 Смешивание полигонов с неявными объектами......................................45 4.2 Буфер глубины.............................................................................................45 4.3 Анализ работы реализаций алгоритмов марширования лучей...............47 Заключение.............................................................................................................49 Список использованной литературы...................................................................50 Приложение А. Реализация OpenGL приложения.............................................51 Приложение Б. Реализация шейдерной программы..........................................60

Список использованной литературы

1. Jules Bloomenthal. (1995). Skeletal Design of Natural Forms.

2. William E., Lorensenand Harvey, E. Cline. (2008). Marching Cubes: A High Resolution 3D Surface Construction Algorithm

3. Levet, Florian & Granier, Xavier & Schlick, Christophe. (2006). Fast Sampling of Implicit Surfaces by Particle Systems.

4. Sphere Tracing: A Geometric Method for the Antialiased Ray Tracing of Implicit Surfaces

5. A.Ricci. (1973). A Constructive Geometry for Computer Graphics.

6. Wyvill Brian, Guy Andrew, Galin Eric. (1999). Extending The CSG Tree. Warping, Blending and Boolean Operations in an Implicit Surface Modeling System. Comput. Graph. Forum.

7. Benjamin Keinert, Henry Schäfer, Johann Korndörfer, Urs Ganse, Marc Stamminger. (2014). Enhanced Sphere Tracing

8. Bálint, Csaba & Valasek, Gábor. (2018). Accelerating Sphere

Tracing. 10.2312/egs.20181037.

9. Iñigo Quilez. (2010). Soft shadows in raymarched SDFs.

10. Mcgraw, Tim. (2015). Interactive Procedural Building Generation Using Kaleidoscopic Iterated Function Systems.

11. Albert Lobo. (2019), Interior and exterior distance bounds for the Mandelbrot set

12. Yumei Dang, Louis Kauffman, Daniel Sandin. (2002). "Chapter 3.3: The Distance Estimation Formula". Hypercomplex Iterations: Distance Estimation and Higher Dimensional Fractals.