Ray Tracing v JaGrLib   

Ray-casting a Ray-tracing má v JaGrLib dobrou podporu. Protože je však systém relevantních protokolů a modulů složitější, věnujeme tomuto tématu celou tuto stránku..

Základní komponenty

• data popisující geometrii scény (CSG reprezentace)
• světelné zdroje a světelné modely
• kamery (generátory paprsků)
• soubor s definicí scény (scéna, světelné zdroje, kamera)
• algoritmy syntézy obrazu (vlastní ray-casting nebo ray-tracing)

Reprezentace scény

Scéna je reprezentována pomocí CSG stromu. CSG strom je specializací obecnějšího konceptu hierarchické scény - základem je interface SceneNode.
Tam je implementován koncept tzv. atributů, které jsou v hierarchii dědičné, a samozřejmě jsou definováni potomci vnitřního uzlu scény, kteří jsou do scény svého rodiče umisťováni pomocí transformačních matic (přímá matice transformuje souřadnice z podtělesa do nadtělesa, inverzní naopak).

Konkrétní implementace tříd pro uzly CSG stromu jsou:

• CSGCommonNode (společný předek),
• CSGNode (vnitřní uzel nesoucí množinovou operaci) a
• CSGLeaf (list stromu - obsahuje odkaz na elementární těleso)

Elementární tělesa implementují interface Solid. Hlavní požadovaná funkčnost:

• shopnost spočítat průsečík paprsku se sebou samým (intersection( double[], double[] ))
• schopnost dodatečně dopočítat požadované parametry průsečíku (assertIntersectionAttributes ( MicroFacet mf, Object tmp, int attributes ))
• schopnost určit, zda daný bod leží uvnitř tělesa (isInside ( double[] ))

Scéna v širším slova smyslu je uložena v objektu implementujícím interface RTScene. Kromě vlastní geometrie a barvy pozadí je zde uložena množina světelných zdrojů (interface LightSource) a dále odkaz na kameru = generátor paprsků (interface RayGenerator).

Při výpočtu průsečíku paprsku se scénou se používá jiný interface Intersectable, aby mohl být do zapojení vložen prostředník, umožňující například efektivnější výpočet (viz urychlení Ray-tracingu). Všechny ostatní dotazy - na geometrii scény, pozadí, světelné zdroje nebo na kameru poskytuje RTScene.

Mikroploška (průsečík, MicroFacet)

Paprsek je zadán parametricky za pomoci dvou údajů - počátečního bodu P₀ a směrového vektoru P₁. Každý bod na polopřímce paprsku je jednoznačně zadán parametrem t >= 0 takto: P(t) = P₀ + t * P₁.
Necháme-li spočítat průsečík paprsku se scénou (intersection(P0,P1)), vrátí se výsledek ve formě instance objektu MicroFacet.

Každá instance MicroFacet obsahuje údaje o jednom konkrétnímm průsečíku, jako je např. jeho poloha na paprsku t, světové souřadnice coord nebo normálový vektor normal (podrobnější reference viz níže).

Výpočet mnohých údajů průsečíku může být časově náročný (např. spočítat texturové souřadnice = "zeměpisnou délku a šířku" na kouli je mnohem náročnější, než spočítat vlastní průsečík). Proto je u datového objektu MicroFacet využit koncept tzv."laisy evaluation", to znamená, že objekt obsahuje jen údaje, které byly explicitně vyžádány. Pokud aplikace potřebuje ke svému výpočtu některou datovou položku, musí si nejprve zajistit její platnost metodou assertAttributes(mask). Bitová maska označuje, které položky se mají případně dopočítat (viz konstanty začínající na VALID_, např. MicroFacet.VALID_COORD).

Přehled vybraných datových položek uložených v objektu MicroFacet (* označuje položky, které jsou implicitně platné):

• LightModel brdf - použitý světelný model (viz níže)
• double[] color - základní barva povrchu (např. RGB)
• double[] coord - světové souřadnice průsečíku
• boolean enter* - vstupuje paprsek tímto průsečíkem dovnitř tělesa?
• boolean front* - narazil paprsek na přední stranu stěny (z hlediska geometrie elementárního tělesa)?
• double[] locCoord - lokální souřadnice průsečíku (souřadná soustava tělesa)
• int face - Id stěny tělesa, na kterou paprsek narazil
• Property material - popis materiálu proseknutého tělesa
• double[] normal - normálový vektor (míří vždy ven z tělesa)
• double[] objCoord - objektové souřadnice průsečíku (souřadná soustava objektu, např. pro 3D textury)
• double t* - parametrická souřadnice průsečíku na polopřímce paprsku (finální průsečík má obvykle t>=0, CSG mezivýsledky se mohou nacházet kdekoli na celé přímce paprsku)
• double[] texCoord - 2D texturové souřadnice
• List<Texture> textures - seznam textur, v tomto pořadí se mají aplikovat
• TrMatrix toObject - matice transformace z lokálních do objektových souřadnic
• TrMatrix toWorld - matice transformace z lokálních do světových souřadnic
• double[] tu - tečný vektor ve směru souřadnice u
• double[] tv - tečný vektor ve směru souřadnice v

Světelné zdroje a světelné modely

Výpočet lokálního světelného modelu definuje interface LightModel. Implementace tohoto protokolu umí spočítat odraz světla na povrchu tělesa (geometrie bodu odrazu je obyčejně v Ray-tracingu definována objektem MicroFacet).

Standardní implementací světelného modelu je PhongModel - Phongův model osvětlení s volitelnou úpravou reflexe podle Ch. Schlicka.

Materiál povrchu tělesa je popsán daty uloženými ve zvláštním privátně definovaném objektu. Interface takového objektu je pouze Property. Každý světelný model definuje svoji vlastní třídu pro ukládání materiálových dat. Instance této třídy je vytvořena voláním LightModel.createMaterial() a potom už se k parametrům přistupuje pomocí get() a set().

Pozor - důsledkem této vazby je, že není možné vyměnit použitý světelný model bez změny materiálových objektů (a naopak).

Konkrétní vlastnosti materiálového objektu pro Phongův model osvětlení:

• "Color" - barva ve formátu double[]
• "Ka" - koeficient okolního světla (ambient light)
• "Kd" - koeficient difusního odrazu (diffuse)
• "Ks" - koeficient lesklého odrazu (specular)
• "H" - celočíselný exponent lesklého odrazu, umocňuje se na něj "cos( beta )"
• "Kt" - koeficient průhlednosti (transparency)
• "N" - index lomu
• "Sch" - má se použít Schlickovo vylepšení? (0.0 .. ne, 1.0 .. ano)

Světelný zdroj je objekt, který má schopnost osvětlit 3D scénu. Implementuje interface LightSource. Zdroj poskytuje informace typu  jak osvětlí daný bod ve scéně" nebo "jakým směrem na daný bod svítí". Jednotně je jako světelný zdroj implementována též okolní složka osvětlení (ambient light): svítí na všechny body scény, nemá směr..

Standardní součástí JaGrLib jsou StaticPointLightSource a AmbientLightSource.

Kamery

Kamera v prostředí Ray-tracingu hraje roli generátoru primárních paprsků. Pro každý bod ve virtuální průmětně umí vytvořit paprsek ve 3D scéně (paprsek je definovaný pomocí P₀ a P₁ - viz výše). Virtuální průmětna má tvar obdélníka, chápe se jako spojitá podmnožina R². Rozměry tohoto obdélníka definuje samotná kamera, uživatel si musí své souřadnice přepočítávat.

Kamera implementuje interface RayGenerator, standardní součástí JaGrLib je StaticCamera.

Definice scény

JaGrLib obsahuje prostředky pro XML scriptování, pomocí JGL scriptů se obyčejně definují všechna data pro Ray-tracing (scéna, světelné zdroje, kamera). Vestavěný modul StaticCSGScene načítá data scény pomocí zadaného scriptu (kamera může být též definována alternativně pomocí připojeného modulu).

JGL script definující scénu pro Ray-tracing by měl vracet čtyři objekty:

• "scene" - kořen hierarchie scény ve formě SceneNode
• "background" - barva pozadí ve formátu double[] (není povinné)
• "lights" - pole světelných zdrojů, každý z nich musí implementovat interface LightSource
• "camera" - kameru (splňující interface RayGenerator)

• "B-rep" - případná Brep databáze připojená k modulu StaticCSGScene
• "import" - případný vstupní filtr pro načítání B-rep dat z disku (připojený k StaticCSGScene). V současnosti to může být filtr OBJFileFormat

Příklady: data/scene1.jgl, data/scene2.jgl, data/scene4.jgl, data/scenerot.jgl, data/sceneAreaDof.jgl, data/sceneBrep.jgl, data/sceneTeapot.jgl..

Syntéza obrazu (Ray-tracing)

Vlastní algoritmus syntézy obrazu je implementován ve dvou modulech:

1. ImageFunction je interface modulu, který umí pro každý bod virtuální průmětny spočítat barvu. Průmětna se chápe jako spojitý obdélník. Vestavěné implementace: RayCasting a RayTracing.
2. ImageSynthesizer umí z obecné obrazové funkce poskládat rastrový obrázek RasterGraphics. Jedna vestavěná implementace používá jeden vzorek k určení barvy každého pixelu (SimpleSynthesizer), druhý modul umí statický "jittering" (JitteringSynthesizer).

Copyright (C) 2007-2009 J.Pelikán, last change: $Date: 2013-11-22 23:47:16 +0100 (Fri, 22 Nov 2013) $
Send comments/requests to pepca.at.cgg.mff.cuni.cz