Síntese de fenômenos naturais através do traçado de raios usando "height fields"

Abstract

A síntese de imagens é uma ferramenta valiosa na compreensão de diversos fenômenos da natureza. Nos últimos anos várias abordagens têm sido propostas para sintetizar tais fenômenos. A grande maioria de tais abordagens têm se centralizado no desenvolvimento de modelos procedurais. Porém, cada uma destas técnicas simula exclusivamente um fenômeno natural. Um dos métodos de síntese de imagens fotorealísticas mais proeminente é denominado de Traçado de Raios (Ray Tracing). Contudo, apesar de produzir imagens de excelente qualidade, este método é computacionalmente muito oneroso. A síntese de fenômenos naturais utilizando-se o traçado de raios é um desafio. É importante que este problema seja abordado, apesar da sua complexidade, pois a simulaçao fotorealista da natureza é muito importante para os cientistas e pesquisadores desde o surgimento dos computadores. Um algoritmo versátil e rápido para a síntese de fenômenos da natureza através do traçado de raios utilizando campos de altitude é proposto. O algoritmo utiliza uma modificação do algoritmo do Analisador Diferencial Digital de Bresenham para atravesar uma matriz bidimensional de valores de altitude. A determinação das primitivas geométricas a serem interseccionadas por um raio é obtida num tempo ( N ) , sendo N o número de altitudes no campo de altitude. Este trabalho faz uma comparação em termos de velocidade e realismo deste método com outras abordagens convencionais; e discute as implicações que a implementação deste método traz. Finalmente, destaca-se a simplicidade e versatilidade que este método proporciona devido à pequena quantidade de parâmetros necessária para a síntese de fenômenos naturais utilizando o traçado de raios. Para a criação de animações basta a especificação de novos parâmetros num intervalo de tempo diferente.

Visualization is a powerful tool for better undestanding of several natural phenomena. In recent years, several techniques have been proposed. Considerable interest in natural scene synthesis has focused on procedural models. However, these techniques produce synthetic scenes of only one natural phenomenon. Ray tracing is one of the most photorealistic methods of image syntesis. While providing images of excellent quality, ray tracing is a computationally intensive task. Natural scene synthesis is a challenging problem within the realm of ray tracing. It is important to tackle this problem, despite of its complexity, because photorealistic simulation have been important to scientific community since the appearance of computers. A fast and versatile algorithm for ray tracing natural scenes through height fields is presented. The algorithm employs a modified Bresenham DDA to traverse a two dimensional array of values. The objects tested for intersection are located in ( N ) time where N is the number of values in the field. This work compares the speed-up and photorealism achieved in natural scene synthesis using this method with other algorithms and discusses the implications of implementing this approach. As a final point, the simplicity and versatility of synthesizing complex natural scenes from a few parameters and data is especially attractive. Animated sequences require only the additional specifications of time modified parameters or data.