омп'ютерн≥ науки > ўо таке 3D граф≥ка

ќсновною тенденц≥Їю при переход≥ в≥д VGA до малтимед≥а прискорювач≥в була можлив≥сть розм≥щенн¤ ¤кнайб≥льше в≥зуальноњ ≥нформац≥њ на мон≥тор≥ комп'ютера. ¬икористанн¤ 3D граф≥ки Ї лог≥чним розвитком ц≥Їњ тенденц≥њ. ¬елик≥ обс¤ги в≥зуальноњ ≥нформац≥њ можуть бути утиснут≥ в обмежений прост≥р екрана мон≥тора, ¤кщо вона представл¤Їтьс¤ в тривим≥рному вид≥. ќбробка тривим≥рноњ граф≥ки в режим≥ реального часу даЇ можлив≥сть користувачу легко оперувати даними, що представл¤ютьс¤.

≤гров≥ двигуни (Games engines)

ѕерше правило комп'ютерних ≥гор - немаЇ н≥¤ких правил. “радиц≥йно, розроблювач≥ ≥гор б≥льше зац≥кавлен≥ в крут≥й граф≥ц≥ своњх програм, чим проходженню рекомендац≥й технарей. Ќе дивл¤чись на те, що в розпор¤дженн≥ розроблювач≥в маЇтьс¤ безл≥ч тривим≥рних API, наприклад - Direct3D, де¤к≥ програм≥сти йдуть по шл¤ху створенн¤ власного 3D ≥гров≥ чи ≥нтерфейси двигуна. ¬ласн≥ ≥гров≥ двигуни - один з≥ шл¤х≥в дл¤ розроблювач≥в домогтис¤ неймов≥рноњ реал≥стичност≥ зображенн¤, фактично на меж≥ можливостей граф≥чного програмуванн¤.

ЌемаЇ н≥чого б≥льш бажаного дл¤ розроблювача, чим мати пр¤мий доступ до апаратних функц≥й компонент≥в системи.  ≥лька в≥домих розроблювач≥в створили своњ власн≥ ≥гров≥ двигуни, що працюють з оптимальним використанн¤м апаратних прискорювач≥в граф≥ки, що принесли њм попул¤рн≥сть ≥ грош≥. Ќаприклад, двигуни Interplay дл¤ Descent II ≥ id Software дл¤ Quake, забезпечують щиру тривим≥рн≥сть д≥њ, використовуючи наповну апаратн≥ функц≥њ 3D, ¤кщо вони доступн≥.

√раф≥ка без компромисов

–озмови, що ведутьс¤ вже досить довгий час, про перспективи застосуванн¤ тривим≥рноњ граф≥ки в таких област¤х, ¤к розваги ≥ б≥знес, допредела п≥д≥гр≥ли ≥нтерес потенц≥йних користувач≥в, на ринку вже з'¤вивс¤ новий тип продукт≥в. ÷≥ нов≥ технолог≥чн≥ р≥шенн¤, сполучають у соб≥ чудову п≥дтримку 2D граф≥ки, що в≥дпов≥даЇ сьогодн≥шн≥м вимогам до Windows акселлераторам, апаратну п≥дтримку функц≥й 3D граф≥ки ≥ програють цифрове в≥део з необх≥дною частотою зм≥ни кадр≥в.
” принцип≥, ц≥ продукти можна змело в≥днести до нового покол≥нн¤ граф≥чних п≥дсистем, що забезпечують граф≥ку без компром≥с≥в, що займають г≥дне м≥сце стандартного устаткуванн¤ в наст≥льних обчислювальних системах.
—еред представник≥в нового покол≥нн¤ можна назвати, ¤к приклад, що випливають продукти:

процесор Ticket-To-Ride компан≥њ Number Nine Visual Technologies

сер≥¤ процесор≥в ViRGE компан≥њ S3 Inc.

процесор RIVA128, розроблений сп≥льно компан≥¤ми SGS Thomson ≥ nVidia

“ехнолог≥¤ 3D-граф≥ки

Ќехай нам все-таки удалос¤ переконати ¬ас спробувати тривим≥рну граф≥ку в д≥њ (¤кщо ¬и дотепер не зробили це), ≥ ¬и вир≥шили з≥грати в одну з тривим≥рних ≥гор, призначених дл¤ застосуванн¤ 3D-в≥деокарти.

ƒопустимо, такою грою ви¤вивс¤ симул¤тор автомоб≥льних гонок, ≥ ¬аша машина вже коштуЇ на старт≥, готова кинутис¤ до скоренн¤ нових рекорд≥в. …де передстартовий зворотний в≥дл≥к, ≥ ¬и зауважуЇте, що вид з каб≥ни, в≥дображуваний на екран≥ мон≥тора, небагато в≥др≥зн¤Їтьс¤ в≥д звичного.

¬и ≥ колись брали участь у под≥бних гонках, але вперше зображенн¤ уражаЇ ¬ас вин¤тковим реал≥змом, змушуючи пов≥рити в д≥йсн≥сть що в≥дбуваЇтьс¤. ќбр≥й, разом з вилученими об'Їктами, тоне в ранковому серпанку. ƒорога вигл¤даЇ надзвичайно р≥вно, асфальт ¤вл¤Ї собою не наб≥р гр¤зно-с≥рих квадрат≥в, а однотонне покритт¤ з нанесеною дорожньою розм≥ткою. ƒерева уздовж дорог≥ д≥йсно мають лист¤н≥ крони, у ¤ких, здаЇтьс¤, можна розр≥знити окрем≥ листи. ¬≥д всього екрана в ц≥лому складаЇтьс¤ враженн¤ ¤к в≥д ¤к≥сноњ фотограф≥њ з реальною перспективою, а не ¤к в≥д жалюг≥дноњ спроби змоделювати реальн≥сть.

—пробуЇмо роз≥братис¤, ¤к≥ ж техн≥чн≥ р≥шенн¤ дозвол¤ють 3D-видеокартам передавати в≥ртуальну д≥йсн≥сть з такою реал≥стичн≥стю. яким образом образотворчим засобам PC удалос¤ дос¤гти р≥вн¤ профес≥йних студ≥й, що займаютьс¤ тривим≥рною граф≥кою.

„астина обчислювальних операц≥й, зв'¤заних з в≥дображенн¤м ≥ моделюванн¤м тривим≥рного св≥ту перекладено тепер на 3D-акселератор, що Ї серцем 3D-видеокарты. ÷ентральний процесор тепер практично не зайн¤тий питанн¤ми в≥дображенн¤, образ екрана формуЇ в≥деокарта. ¬ основ≥ цього процесу лежить реал≥зац≥¤ на апаратному р≥вн≥ р¤ду ефект≥в, а також застосуванн¤ нескладного математичного апарата. —пробуЇмо роз≥братис¤, що ж конкретно вм≥Ї граф≥чний 3D-процесор.

ѕовертаючи до нашого приклада ≥з симул¤тором гонок, задумаЇмос¤, ¤ким чином дос¤гаЇтьс¤ реал≥стичн≥сть в≥дображенн¤ поверхонь чи дороги будинк≥в, що коштують на узб≥чч≥. ƒл¤ цього застосовуЇтьс¤ розповсюджений метод, називаний текстурирование (texture mapping).

÷е найпоширен≥ший ефект дл¤ моделюванн¤ поверхонь. Ќаприклад, фасад будинку зажадав би в≥дображенн¤ безл≥ч≥ граней дл¤ моделюванн¤ безл≥ч≥ цеглин, в≥кон ≥ двер. ќднак текстура (зображенн¤, що накладаЇтьс¤ на всю поверхню в≥дразу) даЇ б≥льше реал≥зму, але вимагаЇ менше обчислювальних ресурс≥в, тому що дозвол¤Ї оперувати з ус≥м фасадом ¤к з Їдиною поверхнею. ѕеред тим, ¤к поверхн≥ попадають на екран, вони текстурируютс¤ ≥ зат≥нюютьс¤. ”с≥ текстури збер≥гаютьс¤ в пам'¤т≥, звичайно встановленоњ на в≥деокарт≥. ƒо реч≥, тут не можна не пом≥тити, що застосуванн¤ AGP уможливлюЇ збереженн¤ текстур у системн≥й пам'¤т≥, а њњ обс¤г набагато б≥льше.

ќчевидно, що коли поверхн≥ текстурируютс¤, необх≥дний обл≥к перспективи, наприклад, при в≥дображенн≥ дороги з розд≥ловою смугою, що ≥де за обр≥й. ѕерспективна корекц≥¤ необх≥дна дл¤ того, щоб текстурован≥ об'Їкти вигл¤дали правильно. ¬она гарантуЇ, що б≥тмеп правильно наложитс¤ на р≥зн≥ частини об'Їкта - ≥ т≥, котр≥ ближче до спостер≥гача, ≥ на б≥льш далек≥.

 орекц≥¤ з урахуванн¤м перспективи дуже трудом≥стка операц≥¤, тому нер≥дко можна зустр≥ти не зовс≥м в≥рну њњ реал≥зац≥ю.

ѕри накладенн≥ текстур, у принцип≥, також можна побачити шви м≥ж двома найближчими б≥тмепами. „и, що буваЇ част≥ше, у де¤ких ≥грах при зображенн≥ чи дороги довгих коридор≥в пом≥тне мерехт≥нн¤ п≥д час руху. ƒл¤ придушенн¤ цих труднощ≥в застосовуЇтьс¤ ф≥льтрац≥¤ (звичайно Bi- чи tri-л≥н≥йна).

Ѕ≥л≥н≥йна ф≥льтрац≥¤ - метод усуненн¤ перекручувань зображенн¤. ѕри пов≥льному чи обертанн≥ рус≥ об'Їкта можуть бути пом≥тн≥ перескакуванн¤ п≥ксел≥в з одного м≥сц¤ на ≥нше, що ≥ викликаЇ мерехт≥нн¤. ƒл¤ зниженн¤ цього ефекту при б≥л≥н≥йн≥й ф≥льтрац≥њ дл¤ в≥дображенн¤ крапки поверхн≥ беретьс¤ зважене середнЇ чотирьох сум≥жних текстурних пикселов.

“рил≥н≥йна ф≥льтрац≥¤ трохи складн≥ше. ƒл¤ одержанн¤ кожного п≥ксела зображенн¤ беретьс¤ зважене середнЇ значенн¤ результат≥в двох р≥вн≥в б≥л≥н≥йноњ ф≥льтрац≥њ. ќтримане зображенн¤ буде ще б≥льш ч≥тке ≥ менш мерехтливе.

“екстури, за допомогою ¤ких формуЇтьс¤ поверхн¤ об'Їкта, зм≥нюють св≥й вид у залежност≥ в≥д зм≥ни в≥дстан≥ в≥д об'Їкта до положенн¤ очей гл¤дача. ѕри зображенн≥, що рухаЇтьс¤, наприклад, у м≥ру того, ¤к об'Їкт в≥ддал¤Їтьс¤ в≥д гл¤дача, текстурний повинний зменшуватис¤ в розм≥рах разом з≥ зменшенн¤м розм≥ру в≥дображуваного об'Їкта. ƒл¤ того щоб виконати це перетворенн¤, граф≥чний процесор перетворить битмэпы текстур аж до в≥дпов≥дного розм≥ру дл¤ покритт¤ поверхн≥ об'Їкта, але при цьому зображенн¤ повинне залишатис¤ природним, тобто об'Їкт не повинний деформуватис¤ непередбаченим чином.

ƒл¤ того щоб уникнути непередбачених зм≥н, б≥льш≥сть керуючих граф≥к процес≥в створюють сер≥њ передф≥льтрован≥х б≥тмепов текстур з≥ зменшеним дозволом, цей процес називаЇтьс¤ mip mapping. ѕот≥м, граф≥чна програма автоматично визначаЇ, ¤ку текстуру використовувати, ірунтуючись на детал¤х зображенн¤, що уже виведено на екран. ¬≥дпов≥дно, ¤кщо об'Їкт зменшуЇтьс¤ в розм≥рах, розм≥р його текстурного б≥тмепа теж зменшуЇтьс¤.

јле повернемос¤ в наш гоночний автомоб≥ль. —ама дорога уже вигл¤даЇ реалистично, але проблеми спостер≥гаютьс¤ з њњ кра¤ми! «гадаЇте, ¤к вигл¤даЇ л≥н≥¤, проведена на екран≥ не паралельно його краю. ќт ≥ в нашоњ дороги з'¤вл¤ютьс¤ "рван≥ крањ". ≤ дл¤ боротьби з цим недол≥ком зображенн¤ застосовуЇтьс¤ anti-aliasing.

–ван≥ крањ

–≥вн≥ крањ

÷е спос≥б обробки (≥нтерпол¤ц≥њ) пикселов дл¤ одержанн¤ б≥льш ч≥тких крањв (границь) зображенн¤ (об'Їкта). Ќайб≥льше часто використовувана техн≥ка - створенн¤ плавного переходу в≥д кольору чи л≥н≥њ краю до кольору тла.  ол≥р крапки, що лежить на границ≥ об'Їкт≥в визначаЇтьс¤ ¤к середнЇ кольор≥в двох граничних крапок. ќднак у де¤ких випадках, поб≥чним ефектом anti-aliasing Ї змазуванн¤ (blurring) крањв.

ћи п≥дходимо до ключовому моменту функц≥онуванн¤ вс≥х 3D-алгоритм≥в. ѕрипустимо, що трек, по ¤кому њздить наша гоночна машина, оточений великою к≥льк≥стю р≥зноман≥тних об'Їкт≥в - буд≥вель, дерев, людей.

ќтут перед 3D-процесором устаЇ головна проблема, ¤к визначити, ¤к≥ з об'Їкт≥в знаход¤тьс¤ в област≥ видимост≥, ≥ ¤к вони осв≥тлен≥. ѕричому, знати, що очевидно в даний момент, недостатньо. Ќеобх≥дно мати ≥нформац≥ю ≥ про взаЇмне розташуванн¤ об'Їкт≥в. ƒл¤ р≥шенн¤ ц≥Їњ задач≥ застосовуЇтьс¤ метод, називаний z-буферизаци¤. ÷е самий над≥йний метод видаленн¤ схованих поверхонь. ” так називаному z-буфер≥ збер≥гаютьс¤ значенн¤ глибини вс≥х пикселей (z-координати).  оли розраховуЇтьс¤ (рендеритс¤) новий пиксел, його глибина пор≥внюЇтьс¤ з≥ значенн¤ми, збереженими в z-буфере, а конкретн≥ше з глибинами вже срендеренных пикселов з тими ж координатами x ≥ y. якщо новий пиксел маЇ значенн¤ глибини б≥льше ¤кого-небудь значенн¤ в z-буфер≥, новий пиксел не записуЇтьс¤ в буфер дл¤ в≥дображенн¤, ¤кщо менше - те записуЇтьс¤.

1	2	3

Ќазва: ўо таке 3D граф≥ка
ƒата публ≥кац≥њ: 2005-02-22 (1544 прочитано)