Трехмерная графика

↑ Наверх

Трехмерная графика в отличие от двухмерной дает более реалистичное представление образов. Это вызвано тем, что мы воспринимаем мир как набор объемных объектов.

В большинстве подсистем трехмерной графики для построения изображений применяется графический конвейер.

Конвейер - это логическая группа вычислений, выполняемых последовательно, которые дают на выходе синтезируемую сцену.

Конвейер разделен на множество этапов, на каждом из которых выполняется некоторая функция. Каждая из функций может быть реализована программно или аппаратно. Таким образом, реализация конвейера может чисто программной, полностью аппаратной или смешанной (программно-аппаратной).

14.4. Основные этапы графического конвейера

Описание трехмерной сцены. До начала работы геометрических преобразований необходимо описать трехмерную сцену, изображение которой необходимо синтезировать. Трехмерное приложение оперирует объектами, описанными в некоторой глобальной системе координат. Чаще всего здесь используется ортогональная (декартова) система координат, в которой положение каждой точки задается ее расстоянием от начала координат по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y и Z. В глобальных координатах создаются объекты. В этом же пространстве располагаются источники освещения, а также определяется точка зрения и направление взгляда наблюдателя.

Приложение 3D графики создает модель, в котором объекты задаются как совокупность тел и поверхностей. Тела могут иметь разнообразную форму, описанную каким-либо математическим способом. Проще всего иметь дело с многогранниками, у которых каждая грань представляет собой часть плоскости, ограниченной полигоном. Грани - обычно треугольники. Описание такого тела относительно несложно - оно состоит из упорядоченного списка вершин. Чем мельче полигоны, тем ближе аппроксимация к модели, но и тем более громоздким становится описание объекта, а, следовательно, и больше времени требуется на его обработку.

Стадия геометрических преобразований состоит из четырех этапов. Первый этап заключается в описании каждого объекта группой треугольников (многоугольников). Треугольники формируются на основе множества вершин, заданных приложением. Объекты, сконструированные из треугольников или многоугольников, называются каркасной (проволочной) моделью. На втором этапе выполняются модельные преобразования, такие как перенос, вращение и изменение масштаба. На третьем этапе выбираются модели освещения и вычисляется освещенность объектов. Модель освещения описывает тип используемых источников света и затем, когда определены свойства освещаемого объекта, формируется эффект освещения. Общепринятые модели освещения включают рассеянный свет, направленный и точечный источники света. Отражающие свойства материала в сочетании с моделью освещения задают цвет объекта. Завершает стадию геометрических преобразований этап установки. На этапе установки изменяются размеры треугольников в зависимости от положения точки наблюдения сцены. Также удаляются невидимые грани.

Рендеринг - это процесс преобразования трехмерного объекта или сцены для вывода на экран монитора, который представляет собой двухмерную плоскость. На стадии рендеринга генерируются пиксели изображения. В отличие от механизма геометрических преобразований в процессе рендеринга объем операций с плавающей точкой не столь велик и в основном состоит из простых операций над пикселями.

Этапы стадии рендеринга.

· Первый этап: сортировка по Z-буферу.

· Второй этап на стадии рендеринга состоит в наложении текстурной карты на объект.

· Третий этап стадии рендеринга состоит в закраске треугольников.

· На заключительном этапе рендеринга примененяется алгоритм сглаживания (антиалайзинг) для устранения эффекта дискретизации, ступенчатости изображения на границе объектов.

Одним из недостатков традиционного подхода при формировании трехмерных изображений в современных компьютерных играх и даже в ряде профессиональных программ трехмерного моделирования и визуализации является приближенная модель освещения. Упрощенная модель принципиально не позволяет получить многих эффектов, необходимых для реалистичного с точки зрения освещения изображения сцены. В первую очередь — так называемого вторичного освещения, когда некоторые затененные части сцены слегка освещены отраженным светом. Преломления и отражения лучей света, распространение света в среде и другие световые эффекты тоже не рассчитываются. Одним из наиболее распространенных и наглядных методов построения реалистичных изображений является метод трассировки лучей (RayTracing, рэйтрейсинг), позволяющий строить фотореалистичные изображения сложных сцен с учетом таких эффектов как отражение и преломление. Алгоритмы метода трассировки лучей позволяют естественным образом отображать реалистичное освещение, но уступают традиционной технологии в других компонентах. Благодаря высокой реалистичности изображения этот метод будет непременно использоваться в профессиональных задачах — спецэффектах в кино, телевизионных роликах, мультфильмах, при моделировании проектируемых объектов, наконец (автомобили, интерьеры, здания и пр.). К сожалению, метод трассировки ориентирован на физическом моделировании, которое является сложной вычислительной задачей и его трудно реализовать на элементарных видео ускорителях, которые стали неотъемлемой частью персональных компьютеров.

Среди программ для создания и обработки трехмерной графики один из самых популярных пакетов в России 3D Studio Max (производитель – Discreet, ранее Kinetix) это. За рубежом более популярен пакет Maya - результат труда разработчиков компаний Alias, TDI и Wavefront.

Виртуальная реальность – это искусственная действительность, созданная с использованием программных и аппаратных средств.

При этом между искусственной действительностью и воспринимающим ее человеком образуется двусторонняя связь. Динамическая модель реальности создается средствами трехмерной компьютерной графики и обеспечивает взаимодействие пользователя с виртуальными объектами в режиме реального времени с эффектом его участия в конструируемых сценах и событиях. Термин "виртуальная реальность" вошел в наш лексикон в общем-то недавно (по некоторым данным, термин "виртуальная реальность" был придуман в Массачусетском Технологическом Институте в конце 1970-х годов, чтобы выразить идею присутствия человека в компьютерно-создаваемом пространстве). Большинство поклонников этой технологии вряд ли догадываются, что лет 25 - 30 назад устройства виртуальной реальности уже существовали. Это были тренажеры. Область их применения уже в те времена была достаточно обширна: подготовка танкистов, артиллеристов, моряков, подводников, космонавтов, авиадиспетчеров, операторов АЭС. Но наиболее массовыми и передовыми с технической точки зрения были и остаются авиационные тренажеры. Когда-то тренажеры и системы виртуальной реальности были по карману только крупным военным или исследовательским ведомствам. Ныне же эти средства становятся ключевым инструментом для делового успеха многих "обычных" фирм и организаций. Системы виртуальной реальности используются для научных исследований и оценки проектов в стадии разработки, в моделировании катастроф и образовании, для быстрого изготовления прототипов и фотопечати, при обучении управлению транспортом на земле, на воде, в воздухе и в космосе.

Поиск по сайту: