Генерация и построение изображений ландшафта в реальном времени (стр. 7 из 8)
Base – модуль для включения основных стандартных библиотек
Win32 – модуль, связанный с включением библиотек среды Windows
Представление исходных данных
При проектировании программы важно сразу решить, как будут представлены исходные данные, то есть, в условиях данной работы – как будет описана карта высот и трехмерный ландшафт, какими будут форматы файлов для хранения информации о карте и ландшафте.
В данной работе был выбран полигональный способ аппроксимации пространственных фигур. Сущность полигональной модели состоит в том, что каждое тело представляется в виде определенного набора граней-многоугольников, с определенной точностью приближающих форму исходного тела. В качестве грани-многоугольника был выбран треугольник, так как это наиболее простой многоугольник, его точки всегда лежат в одной плоскости и любой более сложный многоугольник можно разбить на несколько треугольников. Но ускорения вычислений я не стал вводить тип треугольник в моей программе. Вместо этого есть массив вершин и массив индексов, которые и указывают на определенные треугольники (0, 1, 2 – первый треугольник; 1, 2, 3 – второй треугольник и т.д.)
Разработанные типы данных и форматы файлов подробно описаны в последующих разделах.
Программа «Редактор ландшафта»
// в данной структуре вместо целого значения цвета используется вектор с реальными координатами
classLight
{
publicVector Ambient;
publicVector Diffuse;
publicVector Mirror;
public Light() { }
public Light(Vector Ambient, Vector Diffuse, Vector Mirror)
{
this.Ambient = Ambient;
this.Diffuse = Diffuse;
this.Mirror = Mirror;
}
}
classDirLight : Light
{
publicVector Dir;
public DirLight() { }
public DirLight(Vector Ambient, Vector Diffuse, Vector Mirror, Vector Dir)
: base(Ambient, Diffuse, Mirror)
{
this.Dir = Dir;
}
}
classPointLight : Light
{
publicVector Point;
publicdouble c1, c2, c3;
public PointLight(Vector Ambient, Vector Diffuse, Vector Mirror, double c1, double c2, double c3, Vector Point)
: base(Ambient, Diffuse, Mirror)
{
this.Point = Point;
this.c1 = c1;
this.c2 = c2;
this.c3 = c3;
}
}
classMaterial
{
publicVector Ambient;
publicVector Diffuse;
publicVector Mirror;
public Material(Vector Ambient, Vector Diffuse, Vector Mirror)
{
this.Ambient = Ambient;
this.Diffuse = Diffuse;
this.Mirror = Mirror;
}
}
classPerlinNoise
{
int TableSize;
int TableMask;
structvec2
{
publicdouble x, y;
public vec2(double x, double y) { this.x = x; this.y = y; }
};
vec2[] VectorTable;
byte[] lut;
public PerlinNoise(int TableSize)
void setup()
// вычисляется значение шумовой функции (в данной программе высота) с коэффициентом scale (чем больше scale, тем более изломанная карта) в координате xy
publicdouble Generate(double x, double y, double scale)
publicdouble Generate(int x, int y, double scale)
}
classLandscape
{
GenMethod LandGenMethod;
Convolution[] Convs;
bool Smoothing;
bool Valley;
bool Island;
publicdouble[,] Heightmap;
int[,] Lightmap;
int[,] Colormap;
publicint SizeX, SizeY;
int LSizeX, LSizeY;
int CSizeX, CSizeY;
Vector[,] Points;
int[] Indexes;
Vector[] FaceNormals;
Vector[,] VertexNormals;
Vector Pos;
Vector Dimen;
publicMaterial Ground;
public Landscape() { }
// генерирует карту высот с размером SizeX, SizeY, по методу LandGenMethod c коэффициентами Convs, со сглаживанием или нет (Smoothing) с долинизацией (Valley)
publicvoid GenerateHeightmap(int SizeX, int SizeY, GenMethod LandGenMethod, Convolution[] Convs, bool Smoothing, bool Valley, bool Island)
// строить трехмерную модель ландшафта с размерами Dimen.X Dimen.Y Dimen.Z
// Также просчитываются нормали к граням FaceNormals и к вершинам VertexNormals
publicvoid BuildMesh(Vector Dimen)
// Цвет данной точки ландшафта с координатами Pos нормальную Normal добавляетсякрезультирующему Color
publicvoid AddColor(Vector Pos, Vector Normal, Light Source, refint Color)
// построение карты освещенности с учетом Sources источников света. Размеркарты SizeX*Size SizeY*Size
publicvoid BuildLightmap(Light[] Sources, int Size)
// построение карты теней и смешение ее с картой освещенности
publicvoid BuildShadowmap(Light[] Lights, int Size)
// построение "цветовой" карты (или текстуры) на основе массива Colors
publicvoid GenerateColormap(Color[] Colors, int Size)
// сохранение карты высот в файл BMP
publicvoid SaveHeightmap(string FileName, outBitmap Result)
// сохранение карты освещенности в файл BMP
publicvoid SaveLightmap(string FileName, outBitmap Result)
// сохранениетекстурывфайл BMP
publicvoid SaveColormap(string FileName, outBitmap Result)
}
Пользовательский интерфейс
Редактор ландшафта
Эта программа позволяет настроить загрузку изображений карты высот и текстуры, а также текстур неба и воды из файла или сгенерировать их автоматически.
Параметры генерации карты высот настраиваются в разделе «Параметры генерации». В этом разделе можно загрузить готовый шаблон или установить параметры вручную.
Поле размер – установка ширины, длины карты высот, а высота нужна для дальнейшего построения карты освещенности (регулирование пропорций ландшафта)
Поле материал – установка отражающей способности материала ландшафта для фонового и диффузного отражений соответственно (белый цвет – отражение всех цветов)
Шкала цветов используется при построении текстуры ландшафта (каждому значению высоты соответствует цвет из этой шкалы цветов)
Далее можно выбирать алгоритм генерации ландшафта: с помощью шума Перлина или простого холмового алгоритма
Флажок «Остров» используется для генерации таких типов ландшафтов, на границе которых высота равна нулю (для плавного спуска в воду)
Флажок «Долина» используется для долинизации ландшафта
В данной программе можно создавать карту освещенности с различно настроенными источниками света в количестве не более 5.
Для каждого источника света также можно настривать цвет фонового освещения, диффузного освещения, вектор направления (или позицию с коэффициентами угасания c1 c2 c3 для точечных источников)
Создание карт
Создать карту высот можно двумя способами:
· загрузить уже имеющееся изображение в формате BMP (поддерживается работа только с 24-битным цветом).
· сгенерировать новую карту
При создании карты высот, автоматически создаются карта освещенности и текстура.
Сохранение карт
Сохранение производится автоматически при нажатии на кнопку «Генерировать». При сохранении создаются 3 файла:
· карта высот *.bmp
· карта освещенности *.bmp
· текстура *.bmp
Программа LandViewer
Эта программа позволяет просматривать ландшафты в интерактивном режиме, построенные из ранее сгенерированных карты высот, текстур и карт освещенности. Также в этой программе есть поддержка неба, водной поверхности, отражений от воды.
W, A, S, D – навигация по пространству
[ ] – увеличение/уменьшение уровня моря.
z, x, c – включение/отключение соответственно текстуры, карты освещенности и карты деталей.
v – привязка камеры к поверхности ландшафта (нельзя будет опуститься под поверхность) .
Входные и выходные данные
Входными данными для данной программы является карта высот, карта освещенности и текстура ландшафта, 5 кубических текстур неба и текстура воды в графических файлах в формате “.bmp”, также файл конфигурации, где указаны пути к этим ресурсам. В нем содержится вся информация, необходимая для работы программы. Так же при изображении ландшафта принимаются данные с клавиатуры и мышки, которые интерпретируются как команды пользователя, и в зависимости от них строится последующее изображение.
Выходными данными программы является анимационный ряд с изображением трехмерного ландшафта, построенного и отображенного на основании входных данных. Также выходными данными является информация о количестве кадров, выводимых на экран за секунду.
Системные требования
Рекомендуемые требования к аппаратному обеспечению:
· x86-совместимый процессор Intel или AMD с тактовой частотой 1 ГГц и выше;
· Оперативная память объемом от 512 Гб и выше;
· Видеоадаптер, совместимый с OpenGL 1.2.
· Операционная система: WindowsXPили выше
Исследовательский раздел
Тестирование проводилось на компьютере IntelCore 2 Duo 3 Hz, 1 GbRAM, GeForce 8800 Gts 320 Mb.
Были проведены следующие исследования:
Зависимость времени построение карты освещенности от количества источников света
Из данного графика видно, что скорость просчета карты освещенности прямо пропорциональна количеству источников света на сцене. Это соответствует и теоретическим расчетам: каждый пиксель карты освещенности обрабатывается от одного источника освещения только один раз.
Зависимость времени построения карты освещенности от ее размера
Из данной зависимости становится понятным, что затрачиваемое время на просчет карты освещенности ~ 2^N, где N – размер карты.
Эффективность использования карт освещения
Следующие графики показывают зависимости числа кадров в секунду, генерируемых программой, от числа граней с наложением карт освещения и без него, для двух способов наложения карт освещения – двухпроходного рисования и мультитекстурирования.
 |  |
| Двухпроходное рисование | Мультитекстурирование |
Суть двухпроходного рисования в том, что каждая грань рисуется два раза – один раз с основной текстурой, второй раз с картой освещения в режиме «смешивания» - поэтому скорость рисования сцены падает в два раза. Мультитекстурирование – операция, реализованная аппаратно и позволяющая наложить несколько текстур в один проход, поэтому скорость рисования сцены падает очень незначительно. В обоих случаях число кадров в секунду выше требуемого для интерактивных программ уровня в 25 кадров/с.
Сравним использование карт освещения с простой моделью освещения, реализованной программно (освещенность вычисляется для каждой грани в момент рисования):