Основной недостаток алгоритма - большой объем требуемой памяти. Если сцена подвергается видовому преобразованию и отсекается до фиксированного диапазона координат z значений, то можно использовать z-буфер с фиксированной точностью. Информацию о глубине нужно обрабатывать с большей точностью, чем координатную информацию на плоскости (x, y); обычно бывает достаточно 20 бит. Буфер кадра размером 512х512х24 бит в комбинации с z-буфером размером 512х512х20 бит требует почти 1.5 мегабайт памяти. Однако снижение цен на память делает экономически оправданным создание специализированных запоминаю­щих устройств для z-буфера и связанной с ним аппаратуры.

Альтернативой созданию специальной памяти для z-буфера является использование для этой цели оперативной или массовой памяти. Уменьшение требуемой памяти достигается разбиением про­странства изображения на 4, 16 или больше квадратов или полос. В предельном варианте можно использовать z-буфер размером в одну строку развертки. Для последнего случая имеется интересный алго­ритм построчного сканирования. Поскольку каждый элемент сцены обрабатывается много раз, то сегментирование z-буфера, вообще говоря, приводит к увеличению времени, необхо­димого для обработки сцены. Однако сортировка на плоскости, по­зволяющая не обрабатывать все многоугольники в каждом из ква­дратов или полос, может значительно сократить этот рост.

Другой недостаток алгоритма z-буфера состоит в трудоемкости и высокой стоимости устранения лестничного эффекта, а так­же реализации эффектов прозрачности и просвечивания.

Более формальное описание алгоритма z-буфера таково:

Заполнить буфер кадра фоновым значением интенсивности или цвета.

Заполнить z-буфер минимальным значением z.

Преобразовать каждый многоугольник в растровую форму в произвольном порядке.

Для каждого Пиксел(x, y) в многоугольнике вычислить его глубину z (x, y).

Сравнить глубину z (x, y) со значением Z буфер(x, y), хранящимися в z-буфере в этой же позиции.

Если z (x, y) > zбуфер (x, y), то записать атрибут этого многоугольника (интенсивность, цвет и т. п.) в буфер кадра и заме­нить z-буфер(x, y) на z (x, y).

В противном случае никаких действий не производить.

В качестве предварительного шага там, где это целесообразно, применяется удаление нелицевых граней.

Если известно уравнение плоскости, несущей каждый многоугольник, то вычисление глубины каждого пиксела на сканирующей строке можно проделать пошаговым способом. Как известно уравнение плоскости имеет вид

ax + by + cz + d =0

z = - ( ax + by + d)/c ¹ 0

Для сканирующей строки y = const. Поэтому глубина пиксела наэтой строке, у которого x = x + Dx, равна

z1 - z = - (ax1 + d)/c + (ax + d)/c = a(x - x1)/c

или

z1 = z – (a/c)Dx

Но Dx = 1, поэтому z1 = - (а/с).

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

z(x, y) > z-буфер(x, y) andz(x, y) £ Zсечения

где Zсечения - глубина искомого сечения. Эффект заключается в том, что остаются только такие элементы поверхности, которые лежат на самом сечении или позади него.

3.4. Алгоритм определения видимых поверхностей путём трассировки лучей

Оценки эффективности всех алгоритмов удаления невидимых по­верхностей, изложенных ранее, зависят от определенных характеристик когерентности той сцены, для которой ведется поиск ее видимых участков. В отличие от них трасси­ровка лучей является методом грубой силы. Главная идея, лежа­щая в основе этого метода, заключается в том, что наблюдатель видит любой объект посредством испускаемого неким источником света, который падает на этот объект и затем каким-то путем доходит до наблюдателя. Свет может достичь наблюдателя, отразив­шись от поверхности, преломившись или пройдя через нее. Если проследить за лучами света, выпущенными источником, то можно убедиться, что весьма немногие из них дойдут до наблюдателя. Следовательно, этот процесс был бы вычислительно неэффективен. В следствии этого было предложено отслеживать (трассировать) лучи в обратном направлении, т. е. от наблюдателя к объекту, как пока­зано на рис. 3.11. В первом алгоритме трассировка прекращалась, как только луч пере­секал поверхность видимого непрозрачного объекта; т. е. луч использовался только для обработки скрытых или видимых поверхностей. С течением времени был реализован алгоритм трассировки лучей с использованием общих моделей ос­вещения. Эти алгоритмы учитывают эффекты отражения одного объекта от поверхности другого, преломления, прозрачности и затенения. Производится также устранение ступенчатости. Рассмотрим применением метода трассиров­ки лучей для определения видимых или скрытых поверхностей.

Рис.3.11 служит иллюстрацией алгоритма трассировки лучей. В этом алгоритме предполагается, что сцена уже преобразована в пространство изображения. Перспективное преобразование не используется. Считается, что точка зрения или наблюдатель находится в бесконечности на положительной полуоси z. Поэтому

все све­товые лучи параллельны оси z. Каждый луч, исходящий от наблю­дателя, проходит через центр пиксела на растре до сцены. Траекто­рия каждого луча отслеживается, чтобы определить, какие именно объекты сцены, если таковые существуют, пересекаются с данным лучом. Необходимо проверить пересечение каждого объекта сцены с каждым лучом. Если луч пересекает объект, то определяются всевозможные точки пересечения луча и объекта. Можно получить большое количество пересечений, если рассматривать много объек­тов. Эти пересечения упорядочиваются по глубине. Пересечение с максимальным значением z представляет видимую поверхность для данного пиксела. Атрибуты этого объекта используются для опре­деления характеристик пиксела.

Если точка зрения находится не в бесконечности, алгоритм трассировки лучей лишь незначительно усложняется. Здесь предполагается, что наблюдатель по-прежнему находится на положитель­ной полуоси z. Картинная плоскость, т. е. растр, перпендикулярна оси z, как показано на рис 3.12. Задача состоит в том, чтобы по­строить одноточечную центральную проекцию на картинную пло­скость.

Наиболее важным элементом алгоритма определения видимых поверхностей путем трассировки лучей, является процедура определения пересечений. В состав сцены можно включать любой объект, для которого можно создать процедуру построения пересечений. Объекты сцены могут состоять из набора плоских многоугольни­ков, многогранников или тел, ограниченных или определяемых ква­дратичными или биполиномиальными параметрическими поверхно­стями. Поскольку 75-95% времени, затрачиваемого алгоритмом трассировки лучей, уходит на определение пересечений, то эффек­тивность процедуры поиска пересечений оказывает значительно влияние на производительность всего алгоритма. Вычислительная стоимость определения пересечений произвольной пространствен­ной прямой (луча) с одним выделенным объектом может оказаться высокой. Чтобы избавиться от ненужного поиска пересечений, производится проверка пересечения луча с объ­емной оболочкой рассматриваемого объекта. И если луч не пересе­кает оболочки, то не нужно больше искать пересечений этого объекта с лучом. В качестве оболочки можно использовать прямоугольный параллелепипед или сферу. Хотя, как показано, на рис. 3.13, использование сферы в качестве оболочки может оказаться неэффективным, факт пересечения трехмерного луча со сферой определяется очень просто. В частности, если расстояние от центра сферической оболочки до луча превосходит радиус этой сферы, луч не пересекает оболочки. Следовательно, он не может пересекаться и с объектом.