Трехмерная графика - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов (рис. 3). В качестве примера рассмотрим наиболее сложный вариант трехмерного моделирования - создание подвижного изображения реального физического тела.
В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется:
- - спроектировать и создать виртуальный каркас ("скелет") объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме; - спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные; - присвоить материалы различным частям поверхности объекта (на профессиональном жаргоне - "спроектировать текстуры на объект"); - настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, - задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей; - задать траектории движения объектов; - рассчитать результирующую последовательность кадров; - наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.
Для создания реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности. В последнем случае применяют чаще всего метод бикубических рациональных В-сплайнов на неравномерной сетке (NURBS). Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек. Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и "гладкость" поверхности в целом.
После формирования "скелета" объекта необходимо покрыть его поверхность материалами. Все многообразие свойств в компьютерном моделировании сводится к визуализации поверхности, то есть к расчету коэффициента прозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала и окружающего пространства.
Закраска поверхностей осуществляется методами Гуро (Gouraud) или Фонга (Phong). В первом случае цвет примитива рассчитывается лишь в его вершинах, а затем линейно интерполируется по поверхности. Во втором случае строится нормаль к объекту в целом, ее вектор интерполируется по поверхности составляющих примитивов и освещение рассчитывается для каждой точки.
Свет, уходящий с поверхности в конкретной точке в сторону наблюдателя, представляет собой сумму компонентов, умноженных на коэффициент, связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке. К таковым компонентам относятся:
- - свет, пришедший с обратной стороны поверхности, то есть преломленный свет (Refracted); - свет, равномерно рассеиваемый поверхностью (Diffuse); - зеркально отраженный свет (Reflected); - блики, то есть отраженный свет источников (Specular); - собственное свечение поверхности (Self Illumination).
Следующим этапом является наложение ("проектирование") текстур на определенные участки каркаса объекта. При этом необходимо учитывать их взаимное влияние на границах примитивов. Проектирование материалов на объект - задача трудно формализуемая, она сродни художественному процессу и требует от исполнителя хотя бы минимальных творческих способностей.
После завершения конструирования и визуализации объекта приступают к его "оживлению", то есть заданию параметров движения. Компьютерная анимация базируется на ключевых кадрах. В первом кадре объект выставляется в исходное положение. Через определенный промежуток (например, в восьмом кадре) задается новое положение объекта и так далее до конечного положения. Промежуточные значения вычисляет программа по специальному алгоритму. При этом происходит не просто линейная аппроксимация, а плавное изменение положения опорных точек объекта в соответствии с заданными условиями.
Эти условия определяются иерархией объектов (то есть законами их взаимодействия между собой), разрешенными плоскостями движения, предельными углами поворотов, величинами ускорений и скоростей. Такой подход называют методом инверсной кинематики движения. Он хорошо работает при моделировании механических устройств. В случае с имитацией живых объектов используют так называемые скелетные модели. То есть, создается некий каркас, подвижный в точках, характерных для моделируемого объекта. Движения точек просчитываются предыдущим методом. Затем на каркас накладывается оболочка, состоящая из смоделированных поверхностей, для которых каркас является набором контрольных точек, то есть создается каркасная модель. Каркасная модель визуализуется наложением поверхностных текстур с учетом условий освещения. В ходе перемещения объекта получается весьма правдоподобная имитация движений живых существ.
Наиболее совершенный метод анимации заключается в фиксации реальных движений физического объекта. Например, на человеке закрепляют в контрольных точках яркие источники света и снимают заданное движение на видео - или кинопленку. Затем координаты точек по кадрам переводят с пленки в компьютер и присваивают соответствующим опорным точкам каркасной модели. В результате движения имитируемого объекта практически неотличимы от живого прототипа.
Процесс расчета реалистичных изображений называют рендерингом (визуализацией). Большинство современных программ рендеринга основаны на методе обратной трассировки лучей (Backway Ray Tracing). Применение сложных математических моделей позволяет имитировать такие физические эффекты, как взрывы, дождь, огонь, дым, туман. По завершении рендеринга компьютерную трехмерную анимацию используют либо как самостоятельный продукт, либо в качестве отдельных частей или кадров готового продукта.
Особую область трехмерного моделирования в режиме реального времени составляют тренажеры технических средств - автомобилей, судов, летательных и космических аппаратов. В них необходимо очень точно реализовывать технические параметры объектов и свойства окружающей физической среды. В более простых вариантах, например при обучении вождению наземных транспортных средств, тренажеры реализуют на персональных компьютерах.
Самые совершенные на сегодняшний день устройства созданы для обучения пилотированию космических кораблей и военных летательных аппаратов. Моделированием и визуализацией объектов в таких тренажерах заняты несколько специализированных графических станций, построенных на мощных RISC-процессорах и скоростных видеоадаптерах с аппаратными ускорителями трехмерной графики. Общее управление системой и просчет сценариев взаимодействия возложены на суперкомпьютер, состоящий из десятков и сотен процессоров. Стоимость таких комплексов выражается девятизначными цифрами, но их применение окупается достаточно быстро, так как обучение на реальных аппаратах в десятки раз дороже.
Похожие статьи
-
Виды компьютерной графики, Фрактальная графика, Трехмерная графика - Компьютерная графика
Фрактальная графика Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая...
-
Полигоны и остальное Вот с полигоном сложилась некая путаница. Классики учат, что полигон -- это любой выпуклый многоугольник, а, программисты, которые...
-
Растеризация - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Последний этап конвейера называется растеризацией и обозначается буквой "R". Это единственный этап конвейера, который даже в старых акселераторах...
-
Пиксели в 3D - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Как известно, любая двумерная картинка, которая выводится на экран монитора, состоит из пикселей. Само слово pixel происходит от picture element --...
-
Где не ступала нога Безье... Какими бы безумно-заоблачными не были мощности акселераторов, все равно они смогут обработать только ограниченное число...
-
Текстура как она есть - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
При описании процесса рендеринга не был затронут один важный этап -- текстурирование. Не будь текстур, играли бы мы сейчас с вами в экшены с квадратными...
-
Как так получается, что на экране оживает почти настоящий, реальный мир, да еще и в 3D? Люди, которые в первый раз встречаются с интерактивным 3D, обычно...
-
Векторная графика - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Если в растровой графике базовым элементом изображения является точка, то в векторной графике - линия. Линия описывается математически как единый объект,...
-
Цветовая модель HSB - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Цветовая модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприятия цвета человеком. Она построена на основе цветового круга Манселла. Цвет...
-
9. Антиалиасинг - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Ну и напоследок о том, о чем мы упомянули в начале, о том красивом слове, которым очень часто любят щегольнуть игроки, причем далеко не всегда понимая...
-
Фильтрация и MIP Mapping - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
При работе с текстурами существует немало проблем. У экрана есть свое разрешение и определенное количество пикселей, которые на нем можно отобразить в...
-
В 1920 году была разработана цветовая пространственная модель CIE Lab (Communication Internationale de I'Eclairage - международная комиссия по совещанию....
-
Фрактальная графика Фрактальная графика основана на математических вычислениях. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая...
-
Цвет и цветовые модели - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
В компьютерной графике применяют понятие цветового разрешения (другое название - глубина цвета). Оно определяет метод кодирования цветовой информации для...
-
Процедурные текстуры - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Наверняка вы видели так называемые "демки" (речь идет не о демо-версиях игр, а о своеобразных программах очень маленького размера (до 64 кб), которые...
-
Вместо эпилога: год 2004 - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
NVIDIA GeForce256, GeForce2 В новых драйверах Detonator, серии 5.хх, NVIDIA раньше конкурентов реализовала возможность принудительного включения...
-
Первый акселератор Сегодня разница между словами видеокарта и видеоакселератор нивелировалась, и эти слова стали синонимами. Так было не всегда. Давайте...
-
Некоторые хитрости - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Для повышения реалистичности изображения разработчики игр. Сперва эта технология применялась для уменьшения нагрузки на акселератор или процессор (когда...
-
Каждый этап конвейера обозначается какой-то буквой. Официально первый этап конвейера называется тесселяция и обозначается буквой "T". Однако программисты...
-
OpenGL - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
OpenGL -- это универсальная, аппаратно - независимая библиотека, которая поддерживает разнообразные 3D-объекты и конструкции, начиная с примитивов и...
-
Что это такое 3D-акселератор -- сложная штуковина. Несколько десятков миллионов вентилей в основном кристалле, еще несколько -- в сервисных (DDR, RAMDAC...
-
Видеокарта Видеокарта состоит из двух частей. Это графический процессор (самая большая микросхема видеокарты) и память. Практически это такая же память,...
-
Графика в компьютере - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и...
-
Фрактал - это рисунок, который состоит из подобных между собой элементов. Существует большое количество графических изображений, которые являются...
-
Революция в технологии - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Компания 3dfx выпускает карту VooDoo Banshee, в которой 3D-часть от VooDoo2 была дополнена 2D. Скорость нового творения оставалась по-прежнему высокой,...
-
Компания nVidia - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
NVidia Corporation (американская компания) была основана в январе 1993 года Дженсеном Хуангом, Крисом Малаховски и Куртисом Приэмом. Штаб-квартира...
-
Glide, Direct3D - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
В 1995 году на свет появился легендарный 3D-акселератор 3dfx Voodoo. Это был первый массовый акселератор. Но на старых играх, не созданных для Voodoo,...
-
Форматы графических данных В компьютерной графике применяют, по меньшей мере, три десятка форматов файлов для хранения изображений. Но лишь часть из них...
-
Компания ATI - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
Самым старым игроком на рынке видеокарт является компания ATI (Array Technology Industry). Основана она была в 1985 году эмигрантом из Китая Квок-Юэн Хо....
-
Литература - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)
1. http://www. worldofpc. ru/vhis. html 2. http://www. izcity. com/data/hard/print_article528.htm 3. http://www. comprice. ru/arch/2005-14.phtml 4....
-
Все мы пользуемся продуктами высоких технологий. Прогресс -- вещь замечательная. Не будь прогресса, не было бы новых интересных компьютерных игр, не...
-
В качестве доступного инструментария были рассмотрены две открытые кроссплатформенные библиотеки для разработки C++ приложений WxWidgets и Boost ,...
-
Обоснование выбранного метода При дизайне системы согласно требованиям или при оптимизации существующей необходимо ввести модель, позволяющую не только...
-
В работе возникает необходимость выбора предметной области, в которой будет тестироваться каскадный классификатор. Главными вопросами на данном этапе...
-
Что лучше: вектор или растр? - Компьютерная графика
Однозначного ответа на этот вопрос нет. Лучшее качество отображения цветов и текстуры обеспечивают растровые изображения, но вместе с тем они занимают...
-
Этапы компьютерного моделирования при исследовании термодинамических процессов в композиционных материалах Композиционные материалы, состоящие из...
-
Основные параметры и характеристики монитора - Аппаратные средства IBM PC
Рассмотрим основные параметры, характеристики и показатели качества мониторов. Физические Размер рабочей области экрана Размер экрана - это размер по...
-
Приложение, которое необходимо разработать, должно производить геометрическую реконструкцию сцены и вычисление цвета вершин модели. Для геометрической...
-
Введение - Компьютерная графика
Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и...
-
Метод конечных элементов (МКЭ) жесткости возник в аэрокосмической отрасли. Исследователи рассматривали различные подходы к анализу сложных частей...
Трехмерная графика - Компьютерная графика и ее аппаратная реализация (обзор видеокарт)