Описание основных понятий компьютерной графики для студентов Гуманитарного факультета

 

Дисплейные  Режимы

1. Проволочная скульптура (Wireframe) - Первичный объект, для образования  которого применяются линии краев многоугольников, придающие объекту сходство со скульптурой, сделанной из проволочной сетки.

2. Окрашивание плоскостей (Flat Shaded) - Поверхность многоугольников (треугольников)  окрашена определенным цветом, однако  поверхность объекта все еще  выглядит дробной.

3. Плавное окрашивание (Smooth Shaded) - Поверхности образующих объект  многоугольников окрашены, а границы  между ними сглажены. В настоящее  время этот метод стал весьма  распространен, так как современные  аппаратные средства позволяют  им пользоваться, хотя метод требует высокой интенсивности вычислений.

4. Текстурирование поверхностей (Smooth Textured) - Объект начинает выглядеть  волне реалистично. Характер поверхностей  отражен максимально точно. Метод  требует массы усилий процессора  и памяти.

Примечание: рассматривая тот или иной режим необходимо помнить, что более долгий из них тот, что приводит к перерисовке всей сцены или объекта.

 

Освещение

Объемность, реалистичность трехмерных объектов часто достигается за счет игры света и тени, а, следовательно, и от источников света, огней, которые освещают объект. При создании трехмерных образом используются четыре типа источников света:

Omni lights - общее освещение, подобно  лампочке, освещающее предметы со  всех направлений. 

Spot lights - точечные источники света, выделяющие только часть объекта.

Ambient light - отдаленные источники  света. Используются для того, чтоб сымитировать далекие источники  света, которые подобно луне, заставляют  предметы отбрасывать параллельные  тени.

Световое пятно (Specular Highlight) - яркое отражение света от глянцевой поверхности.

 

Рендеринг (иначе, растеризация)

Процесс интерпретации всего объекта  и данные о его освещении для  создания, затем, завершенной картины  в том виде, в каком она должна выглядеть на перспективе с  выбранной точки зрения. Однако рендерить можно по-разному - можно хорошо, можно плохо, можно правильно и неправильно. Качеству рендеринга, то есть тому, насколько правильным, красивым и без изъянов получается изображение, придается особенно важное значение.

 

Типы рендеринга

1. Плоскостной рендеринг (Flat Render) - Создание четко разграниченных  многоугольников, поверхность каждого  из которых окрашена одним  однотонным цветом. Самый быстрый  способ представления поверхностей.

2. Мягкое закрашивание (Gouraud Shading) - Смешение объектов образующих поверхность. Более реалистично, чем плоскостное представление. Используется во многих новых играх, где трехмерные поверхности преобразуются в реальном масштабе времени, например, в авиационных симуляторах.

3. Phong Shading - Более реалистичная и сложная форма закрашивания, чем предыдущий вариант. Предъявляет большие требования к аппаратным ресурсам компьютера вообще и к производительности в частности.

4. Трассировка луча (Ray Tracing) - Наиболее  качественный уровень представления трехмерных поверхностей, доступный для настольных компьютеров. Состоит в том, что "нарисованный" луч света, попадая на такую же искусственную поверхность, ведет себя точно так же, как и настоящий - отражается и меняет свое направление. Результат очень реалистичен, с чрезвычайно точными тенями, отражениями и даже преломлением

Превращения (Transforms)

Операции изменения позиции, размера, или ориентации объекта в пространстве. В общем случае - перемещение, масштабирование  и вращение.

 

Деформации (Deforms)

Операции подобные превращениям, однако, более сложные, так как их исполнение приводят к перемене внешнего вида объекта. К деформациям можно  отнести искривление, поворот, рассогласование  и т. п.

 

Отсечение (Clipping)

Отсечение тех многоугольников, которые не попадают в поле зрения пользователя.

 

Распределение (Mapping)

Распределение, (иначе - распределение  текстур, Texture Mapping) - процесс назначения объекту атрибутов придающих  ему реалистичность. До того, как  объекту будет назначена определенная текстура, его составляющие окрашены либо в несколько простейших цветов, либо в серый цвет. Распределение придает объекту или поверхности специфический цвет или назначает текстуру.  
Важнейшая характеристика для оценки трехмерных сцен - реалистичность, однако, простое моделирование трехмерных объектов не всегда позволяет добиться реалистичности. В этом случае, на помощь приходит распределение текстур. Представьте себе скалу - стена из нескольких прямоугольников разной величины с плоскими серыми поверхностями, выглядит весьма неубедительно, будто это стена сложенная из стандартных бетонных плит. Но стоит только добавить к ним текстуру, имитирующую поверхность скалы, как прежние блоки действительно выглядят похожими на скалу.

 

Дизеринг (dithering) механизм получения изображения в HiColor-режимах.

 

Мультитекстурирование

Мультитекстурирование (multitexturing) - метод  рендеринга с использованием нескольких текстур за минимальное число  проходов. Мультитекстурирование позволяет  конвейеризировать наложение текстур с использованием нескольких (обычно двух) блоков текстурирования.

 

Конвейер рендеринга

Рендеринг выполняется по многоступенчатому  механизму, называемому конвейером рендеринга. Конвейер рендеринга может  быть разделен на три стадии: тесселяция, геометрическая обработка и растеризация. Если взять произвольный 3D-ускоритель, то он не будет ускорять все стадии конвейера, и даже более того, стадии могут лишь частично ускоряться им. Тесселяция - процесс разбиения поверхности объектов на треугольники. Эта стадия проводится полностью программно вне зависимости от технического уровня и цены 3D-аппаратуры. Геометрическая обработка делится на несколько фаз и может частично ускоряться 3D-ускорителем. Трансформация - преобразование координат (вращение, перенос и масштабирование всех объектов). Расчет освещенности - определение цвета каждой вершины с учетом всех световых источников. Проецирование - преобразование координат в систему координат экрана. Triangle setup - предварительная обработка потока вершин перед растеризацией. Растеризация наиболее интенсивная операция, обычно реализуемая на аппаратном уровне. Растеризатор выполняет непосредственно рендеринг и является нaиболее сложной ступенью конвейера. Если стадия геометрической обработки работает с вершинами, то растеризация включает операции над пиксела-ми. Растеризация включает в себя затенение и дизеринг.

 

Z-буферизция (Z-Buffering)

Сравнительно новое свойство, применяемое  для облегчения управлением положения  трехмерных объектов в пространстве. Часто используется для затуманивания. Состоит в том, что кроме двумерных координат (x, y) пиксела, хранится еще и значение его глубины. Область видеопамяти, в которой хранятся значения глубины для каждого пиксела, называется z-буфер.

 

Фреймбуфер 

Фреймбуфер - понятие путанное, так как может означать несколько вещей в зависимости от контекста. Обычно фреймбуфер - это область памяти, где хранятся пикселы. Фреймбуфер в этом случае делится (обычно пополам) на передний и обратный буфер. Передний буфер - это то, что видит пользователь в конкретный момент. При рендеринге передний буфер остается неизменным до полного формирования нового кадра. При этом вся работа ведется с невидимым обратным буфером, который как бы хранит будущий кадр, который пользователь увидит через долю секунды. Когда новый кадр отрисован, то обратный буфер становится передним, и 3D-ускоритель приступает к новому кадру. Такая работа называ-ется двойной буферизацией. Иногда фреймбуфером называют всю видеопамять (когда говорят "эта плата имеет фреймбуфер 8 Мбайт"), иногда - видеопамять для z-буфера, переднего буфера и обратного буфера (фреймбуфер Voodoo 2).

 

2D-разрешение 

2D-разрешение - это то разрешение, которое стоит, к примеру, на  экране (desktop) Windows 95. Для расчета того, сколько видеопамяти требуется  для какого-либо 2D-разрешения, нужно умножить ширину экрана в точках на его высоту и на размер одного пиксела в байтах. 3D-разрешение - это то разрешение, на котором 3D-ускоритель может выполнять рендеринг трехмерной сцены. Расчеты в 3D более сложны, так как, кроме переднего буфера, здесь есть еще обратный буфер, z-буфер и в некоторых случаях другие буферы. Рендеринг может выполняться по-разному, в одном случае z-буфера не будет, в другом случае будет два обратных буфера. Но, традиционно говоря о 3D-разрешении, имеется в виду ситуация "по умолчанию": передний буфер, обратный буфер и z-буфeр

 

Коррекция перспективы

Способность корректировать текстуры таким образом, чтобы у наблюдателя  создавалось впечатление перспективы.

Сегодня, при создании игр используют сравнительно большие треугольники, а для придания реалистичности изображения применяют карты текстур, что более эффективно, нежели использование огромной массы мелких треугольников. Хотя такой подход требует от компьютера весьма интенсивной работы, он все же выгоднее альтернативных методов, которые так и не избавились от видимых искажений и "плавающих" текстур.

 

Мипмэппинг (MIP-mapping)

Текстура, нарисованная с несколькими  уровнями детализации. Чем дальше от наблюдателя накладывается текстура, тем меньший уровень детализации используется. Это дает, во-первых, уменьшение времени обработки - обрабатывать текстуру с низкой детализацией гораздо легче. Во-вторых, текстура, нарисованная художником, всегда будет выглядеть лучше, чем сильно сжатая или силь-но растянутая.

 

Билинейная фильтрация

Билинейная фильтрация (bi-linear filtering) - метод текстурирования, при котором  выполняется интерполя-ция текстуры. Смысл билинейной фильтрации состоит  в том, что каждый тексел данной структуры  окрашивается в цвет, полученный, как средне взвешенное от значений цветов четырех соседних текселей.

 

Трилинейная фильтрация (tri-linear filtering)

Более сложный метод текстурирования, при котором помимо интерполяции текстуры выполняется интерполяция между уровнями детализации текстуры. Трилинейная фильтрация дает более качественное изоб-ражение, чем обычная билинейная с мипмэппингом.

 

Антиалиасинг (Anti-Aliasing)

Поскольку цифровые изображения, в  основном, представляют собой матрицу  из точек, строки этой матрицы, будучи проведенными не строго по горизонтали или вертикали прорисовывают объект неровными, зубчатыми линиями (этот эффект еще называют stairstepping). Наиболее распространенный метод борьбы с этим эффектом состоит в том, что пикселы в зубчиках заполняются цветом представляющим собой смесь цвета самой линии и цвета фона. Края линии, таким образом, смягчаются, и она выглядит более чистой, лишенной зубчиков.

 

Затуманивание (Fogging)

Один из наиболее распространенных эффектов. Отдаленные объекты или  их детали, как бы скрываются в тумане и проясняются по мере приближения зрителя к ним. Эффект используется не только для моделирования атмосферного явления - уменьшая число деталей разработчики делают сцену менее сложной, тем самым снижая нагрузку на процессор и графический акселератор.

 

Альфа-смешение (Alpha Blending)

Техника создания эффекта полупрозрачности путем объединения исходного  пиксела с пикселом, уже находящимся  во фреймбуфере. Применяется для  создания многочисленных визуальных эффектов, так или иначе обыгрывающих полупрозрачность каких-либо объектов, например воды, стекла или ударной волны от взрыва, тени, тумана, бликов, всполохов света, огня. Это очень общий термин, многие другие функции, где нужно объединять пикселы, такие как прозрачные текстуры, мультитекстурирование, антиалиасинг, также используют альфа-смешение.

 

Наложение рельефа (bump-mapping)

Продвинутая методика моделирования  рельефных поверхностей. Для того чтобы подчеркнуть бугорки и  впадины рельефа с помощью  светотени, то надо затемнить либо осветлить  стенки этих бугорков и впадин. Другой метод состоит в симуляции рельефности глянцевой или зеркальной поверхности отражением окружающей среды. Это и делает техника наложения рельефа.

 

Геометрический процессор

Геометрическим процессором называется ускоритель, который ускоряет всю стадию геометрической обработки, в том числе трансформацию и освещение. Реализация геометрического процессора довольно дорога, и, как уже было сказано, он является объектом реклам-ных спекуляций. Определить, реализован ли геометрический процессор, довольно легко - надо выяснить, поддерживает ли 3D-ускоритель операции с матрицами. Без такой поддержки не может идти речи об ускорении фазы трансформации. Геометрическими процессорами являются, например, FGX-1.

 

В большинстве приложений использующих трехмерную графику 3D-объекты состоят из множества многоугольников размещенных таким образом, что создается реалистичный образ. Сотни или тысячи многоугольников необходимых для единственного 3D- объекта, образуют огромный массив данных, которые надо создать и которыми необходимо управлять.

 

Средства обработки трехмерной графики  

 

Компания AMD предложила новую технологию 3DNow!(TM), используемую в процессоре AMD-K6-2®. Преимущества новой технологии заключаются  в более быстрой смене кадров в графике с высоким разрешением, значительно улучшенным моделированием физических сред, четкое и более детальное формирование трехмерных изображений, лишенным характерных скачков воспроизведением видео и звуком театрального качества. Среди наиболее важных из вышеназванных свойств - значительное улучшение в работе с трехмерной графикой.