1.6 Порядок контроля и приемки системы

Испытание, проверка и прием системы проводятся путем визуально-дилогиального просмотра готового проекта, сопоставления схем и диаграмм с первоначальным заданием, известными алгоритмами, а также убеждения в алгоритмической полноте системы на данном уровне, включая перспективу переложения проекта на один из объектно-ориентированных языков программирования.

1.7 Требования к составу и содержанию работ по подготовке объекта автоматизации к вводу системы в действие

В состав работ по подготовке к сдаче проекта входят:

- создание пояснительных диаграмм (UML);

- создание пояснительной записки к проекту;

- вывод на печать подготовленных диаграмм и записки;

- доставка печатной продукции до принимающего лица.

1.8 Требования к документированию

Пояснительная записка

- Объем: не более 30 стр. (шрифт - Times New Roman - 12 пт, интервал - Обычный)

- Техническое задание (ГОСТ 34.602-89).

- Руководство программиста (ГОСТ 19.504-79).

- Руководство пользователя (ГОСТ 19.505-79).

Графическая часть

- Объем: 2 листа А1.

- Диаграмма вариантов использования (UML).

- Диаграммы классов (UML).

- Диаграмма деятельности (UML).

- Диаграмма кооперации (UML) - при необходимости.

1.9 Источники разработки

Освещенность произвольно взятой точки P, появившуюся из-за источника света, излучающего во все стороны (omnilight) в общем случае будем вычислять по уравнению Фонга:

ambient = Ka,

diffuse = Kd * cos(N, L),

specular = Ks * pow(cos(R, V), Ns),

intensity = ambient + amp * (diffuse + specular).

Где:

Ka коэффициент фоновой интенсивности (характеристика окружающей среды)

Kd коэффициент рассеяния (характеристика поверхности)

Ks коэффициент отражения (характеристика поверхности)

Ns коэффициент вида отражения (характеристика поверхности)

amp "мощность" источника света

P рассматриваемая точка

N нормаль к поверхности изображаемого объекта в точке P

L вектор, проведенный из точки P в источника света (луч света)

V вектор, проведенный из точки P в "точку зрения" камеры

R отраженный луч света (отражение L относительно N)

ambient "фоновая" освещенность

diffuse "рассеянная" освещенность

specular "отраженная" освещенность

intensity освещенность (суммарная)

cos(A,B) косинус угла между векторами A и B

Это уравнение даже поддается относительно простому объяснению - освещенность как бы складывается из фонового уровня освещенности, рассеянного (по всем направлениям - а значит, и по направлению глаза) в этой точке света от источника и отраженного (тоже в глаз) света от источника.

Как обычно, расчеты по этой формуле дадут довольно реалистичный результат, но считать все это для каждой точки грани слишком медленно.

Да, косинус угла между векторами считается как cos(A,B) = A*B/(|A|*|B|),

где A*B - скалярное произведение векторов, |A| и |B| - их длины. Поэтому имеет смысл все векторы перед использованием привести к длине 1, тогда косинус угла между векторами будет равен их скалярному произведению. Небольшая оптимизация.

2.1.2 Модель освещения Блинна

Блинн сформулировал формулу отраженного света с использованием промежуточного вектора Н:

2.1.3 Модель Ламберта

Закон Ламберта - падающий свет рассеивается во все стороны с одинаковой интенсивностью. Освещенность точки пропорциональна доле ее площади, видимой от источника.

Делаются такие предположения:

1. V не сильно зависит от Р, т.о. V принимается постоянным для всей грани.

2. L не сильно зависит от Р, т.о. L принимается постоянным для всей грани.

3. K_спектр = 0 (то есть грань не отражает свет, а только рассеивает).

4. Нормаль к объекту N равна нормали и к грани в любой точке грани Р.

В этом случае формула принимает вид:

где:

- угол между направлением света и нормалью к поверхности.

Причем в этой формуле, по предположениям, нет величин, зависящих от Р. Так что освещенность равна константе для всей грани, то есть все точки грани освещены одинаково. Тогда достаточно посчитать ее лишь один раз на грань.

2.2 Трассировка

2.2.1 Прямая трассировка лучей

Расчет освещения сцены проходит по следующему алгоритму:

1. От всех источников света испускаются лучи во всех направлениях.

2. Рассчитываются преломление и отражение каждого луча, в том числе и отраженного, т.е. каждая точка сцены может освещаться либо напрямую источником, либо отраженным светом.

3. Часть лучей, попавшая в глаз наблюдателя, сформирует в нем изображение сцены.

где:

S1--блестящая прозрачная поверхность

S2 и S4--рассеивающие непрозрачные поверхности,

S3--блестящая непрозрачная поверхность

2.2.2 Обратная трассировки лучей

где:

S1--блестящая прозрачная поверхность

S2 и S4--рассеивающие непрозрачные поверхности,

S3--блестящая непрозрачная поверхность

Расчет освещения сцены проходит по следующему алгоритму:

1. Отслеживаются лучи, проходящие из глаза наблюдателя через каждый пиксел экрана в сцену.

2. На каждой поверхности сцены, на которую попадает луч. формируются отраженный и преломленный лучи.

3. Каждый такой луч рекурсивно отслеживается, чтобы определить пересекаемые поверхности.

4. Ветвление прекращается если:

- луч вышел за пределы сцены;

- луч пришел на источник света;

- луч попал на непрозрачный диффузный рассеиватель;

- исчерпана память.

5. В результате дня каждого пиксела строится дерево пересечений. Для каждого пиксела каждый луч должен быть проверяться на пересечение с каждой поверхностью. Ветви такого дерева -- распространение луча, а узлы -- пересечения с поверхностями.

6. Закраска пиксела определяется прохождением по дереву и вычислением вклада каждой пересеченной поверхности в соответствии с используемыми моделями отражения.

Основные характеристики обратной трассировки:

1. Высокий реализм.

2. Учет отражения, преломления, затухания.

3. Проблемы с диффузным отражением и преломлением. Так как диффузное отражение ведет к бесконечному числу лучей, то диффузное отражение и преломление или не учитывают или рассчитывают только для ближайшей к глазу поверхности.

4. Большой объем вычислений.

5. Интенсивность точки и глобальная освещенность вычисляются совместно, поэтому при смене точки наблюдений сцена должна быть перевычислена.

6. Затруднено моделирование распределенных источников света, т.к. расчет поточечный.

7. Используемые модели отражения -- эмпирические и не обеспечивают сохранение энергии.

3. Технологическая часть

3.1.1 Назначение и условия применения программ

Основным назначением программы является отображение на экране заданной сцены методом обратной трассировки лучей. К дополнительным функциям относятся загрузка файла со сценой, возможность поворота и масштабирования отображаемой сцены.

Минимальные системные требования для реализующей машины:

- процессор Pentium II 300 MHz;

- 32 Мб RAM;

- видео 4 Мб;

- HDD 100 Mб;

- монитор;

- клавиатура;

- мышь.

На скорость построения изображения в первую очередь влияет скорость работы процессора. Однако на качество получаемой сцены главную и очень существенную роль играет объем оперативной памяти компьютера. Этот факт основан на том, что реализуемый алгоритм имеет сложные математические вычисления, которые требуют хранения больших объемов информации различных типов данных.

Реалистичность конечного изображения будет напрямую зависеть от объемов свободной оперативной памяти. Вследствие чего рекомендуется перед запуском программы выгружать из памяти компьютера приложения, которые явно могут использовать большое количество памяти.

3.1.2 Характеристика программы

- язык написания - объектно-ориентированный;

- программа реализует алгоритм обратной трассировки лучей;

- поддержка графических форматов DXF, 3DSMax и др.;

- относительно невысокая скорость работы;

- требует больших объемов оперативной памяти.

3.1.4 Логическая структура классов

В наборе классов по реализации алгоритма объявлен 21 класс. Среди них имеется иерархия графических классов (рис.1), незаконченные иерархии классов типа «файл» (рис.2) и «модель освещения» (рис.3), также присутствуют в наличии дополнительно неиерархированные классы.

рис.1

рис.2 рис.3

Две последних иерархии классов являются незаконченными. В иерархии классов файлов возможны другие или новые классы, отражающие суть хранения графической информации в других существующих или разрабатываемых графических форматах данных.

То же относится и к моделям освещения. Кроме представленных моделей Фонга и Ламберта возможна разработки и совершенно новых или забытых моделей освещения, которые не включены в иерархию.

TInterface, который, ведя диалог с внешней программной средой, управляет реализацией алгоритма. С помощью функции void ChooseLightModel() устанавливается поле TModel&model этого класса, как выбранная модель освещения. Потомками абстрактного класса TModel являются два класса-уточнения TFong и TLambert, отражающие особенности различных моделей освещения, и которые на самом деле и становятся элементами класса TInterface.

Функция bool LoadFile(_fn : string) проверяет верность файла, указанного в параметре, и в верном случае, возвращая истину, присваивает полю fname объекта абстрактного класса TFile с помощью функции Void SetFileName(_fn : string) имя файла (но на самом деле необходимо оперировать с потомками этого класса (TDXF и T3DSM), которые содержат в себе необходимые особенности реализации на практике форматов графических файлов). В противном случае полю int err этого же объекта присваивается номер ошибки при загрузке файла.

После загрузки файла вызывается функция класса TInterface Void Go(&_fn), в параметрах которой стоит адрес объекта типа TFile. Эта функция, читая из файла информацию, последовательно выполняет различные действия.

Сначала создает объект «камера» и автоматически устанавливает ее в положение, по умолчанию заданное в файле, используя конструктор с параметром. Положение камеры задает матрица преобразований типа float и размером 4х4, которая хранится в поле этого класса matrix.

Устанавливается объект типа TScreen, имеющий поля длины и ширины (height, width) экрана и динамический массив точек типа TColorPoint.

Далее происходит конструирование сцены: создается объект типа TScene, который представляет собой список объектов сцены (TMesh), которые в свою очередь состоят из списков треугольных поверхностей (TSurface), имеющих специфические для каждого объекта сцены коэффициенты преломления, отражения и поглощения света (за это отвечают поля типа int объектов класса TSurface: kot, kpr, kps).

После выполнения подготовительных действий функция Go вызывает метод объекта класса TCamera void sendbeem(TScreen&scr,TScene&scene), который в цикле начинает через все точки экрана выпускать из объекта камеры лучи, представляемые классом TBeam. Для каждого нового испускаемого луча его объекту в поле double bright устанавливается максимальная яркость, равная 1. Также создается ссылка на объект типа TTree tree - дерево.

Метод void sendbeam(int _x, int _y, int _z), параметры которого определяют координаты начала движения луча, двигает луч в пространстве до тех пор, пока не встретит какой либо объект сцены (Mesh). Функция TSurface Check (int _x, int _y, int _z) на каждом этапе продвижения луча возвращает тип поверхности, по которой движется луч. Движение по пустому пространству не вызывает ответных действий.

В случае, когда луч натыкается на объект сцены, вызывается функция void Divide(TTree&tree), имеющая в параметре предыдущее дерево пересечений. Вначале эта функция заносит в свое поле TTree&tree в качестве узла новый узел пересечения, а потом в зависимости от параметров пересеченного объекта (поверхности) отражает луч, преломляет или затухает его, уменьшая яркость. Для отраженных и преломленных лучей выполняются те же операции по продвижению их в пространстве сцены.

Ветвление лучей по сцене продолжается до тех пор, пока не будет выполнено одно из условий:

- луч вышел за пределы сцены;

- луч попал на непрозрачный диффузный рассеиватель;

- при затухании луча его яркость стала меньше минимально чувствительной;

- луч пришел на источник света;

- закончилась отведенная память.

Объект класса TTree (а точнее его потомка TBinTree) имеет поле TMesh mesh и ссылки на объекты этого же класса - левые и правые ветви дерева. Для добавления новых ветвей используют специально определенные для этого функции void addleft(TMesh _tm) и addright(TMesh _tm).

В итоге для каждого выпущенного из камеры луча мы получаем дерево его пересечений с объектами сцены.

По завершении ветвления одного луча (т. е. того, который выпустился из камеры через одну точку экрана) соpдается объект типа TMath, поле TTree&tree которого содержит адрес того самого дерева пересечений одного луча. Используя его, функция этого же класса void calcul(TModel _model), в параметрах которой стоит модель освещения из класса TInterface, получаемая методом TModel GetLightModel(), вычисляет яркость точки в параметрах типа rgb и устанавливает соответствующим образом поле TColorPoint scr [0..][0..] класса TScreen для точки с выбранными координатами.

После определения массива точек вызывается функция класса void draw(), которая, используя вышеописанный массив, отображает на экране компьютера все точки.

Отдельно следует отметить наличие среди множества классов свободного типа TColor, определяющего цвет в системе RGB, для чего и содержит в себе три целочисленных поля r, g и b.

3.1.5 Входные и выходные данные

Для данной системы классов входными данными можно считать:

- файл, содержащий графическую информацию для отображения на экране, включая каждый объект сцены файла;

- задаваемые интерактивно пользователем модели освещения и поступающие в программу перед этапом рисования;

- задаваемые интерактивно пользователем положения камеры наблюдателя, в том числе всевозможные повороты, движения ее в различные стороны и масштабирование проекции.

Выходные данные представляют собой только массив точек экрана, полученных в результате чтения сцены из файла и преобразованных с помощью различных функций на плоскость для представления пользователю.

3.2 Руководство оператора

3.2.1 Назначение программы

Основным назначением программы является отображение на экране заданной из файла сцены одним из реалистичных методов - методом обратной трассировки лучей. К дополнительным функциям программы относятся загрузка файла со сценой, возможность поворота и масштабирования отображаемой сцены, осуществляемым пользователем интерактивно.

3.2.2 Условия выполнения программы

- процессор Pentium II 300 MHz;

- 32 Мб RAM;

- видео 4 Мб;

- HDD 100 Mб;

- монитор;

- клавиатура;

- мышь.

На скорость построения изображения в первую очередь влияет скорость работы процессора. Однако на качество получаемой сцены главную и очень существенную роль играет объем оперативной памяти компьютера. Этот факт основан на том, что реализуемый алгоритм имеет сложные математические вычисления, которые требуют хранения больших объемов информации различных типов данных.

Реалистичность конечного изображения будет напрямую зависеть от объемов свободной оперативной памяти. Вследствие чего рекомендуется перед запуском программы выгружать из памяти компьютера приложения, которые явно могут использовать большое количество памяти.

Возможен отказ в запуске программы при очень маленьком значении оперативной памяти и/или больших размерах требуемого изображения.

3.2.3 Выполнение программы

Для правильного функционирования программы необходимо строго соблюдать последовательность действий по подготовке данных для работы программы с ними и запуска самого отображения.

1. Включить питание компьютера, нажав на кнопку OPERATE на передней стенки компьютера или переключив тумблер из положения OFF в положение ON, который также расположен на передней стенке компьютера.

2. Дождаться запуска операционной системы. Показателем этого обычно являются отсутствие скрежетаний из системного блока и приглашение компьютера к работе, отображенное на мониторе.

3. Откройте папку с программой, в которой найдите исполнительный файл программы и двойным щелчком мыши запустите его.

4. Для загрузки файла с изображением следует нажать на клавишу «Load file», затем из предложенных каталогов и различных файлов выбрать графический файл, который необходимо отобразить, и нажмите на кнопку ОК.

5. Выбрать одну из предложенных моделей освещения, характеризуемых различными параметрами освещенности сцены.

6. Нажать на кнопку Draw для получения изображения сцены на экране программного монитора.

3.2.4 Сообщения оператору

Во время работы с программой пользователь может получать от компьютера следующие сообщения:

«Неверный формат файла» - попытка открыть неграфический файл или файл неизвестного формата.

«Файл удачно загружен» - при открытии графического файла программа не обнаружила никаких несоответствий.

«Недостаточно памяти для выполнения программы» - т. к. выполнение программы требует больших ресурсов оперативной памяти, то некоторые машины могут не соответствовать требованиям по объемам. Поэтому выполнение программы бывает невозможно даже при невысоком качестве изображения.

Список литературы

1. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на C++, 2-е изд./Пер. с англ. - М.: "Издательства Бином", СПб: "Невский диалект", 1998 г. - 560 с., ил.

2. Наумов К. Е. Лекции по курсу машинной графики.

3. Неизвестный автор Uml_book.

4. К. Ю. Романовский, С. В. Кузнецов, Дм. В. Кознов Объектно-ориентированный подход и диаграммы классов в uml.

Размещено на Allbest.ru