Grafika Komputerowa Wykład 4 Synteza grafiki 3Dmchwesiuk.pl/wp-content/uploads/2019/03/Grafika...Grafika Komputerowa Michał Chwesiuk Rendering 4/30 Synteza grafiki 3D Grafika realistyczna

Grafika Komputerowa Michał Chwesiuk

mgr inż. Michał Chwesiuk

1/30

Grafika KomputerowaWykład 4

Synteza grafiki 3D


Synteza grafiki 3D

2/30

Synteza grafiki 3D

Grafika realistyczna

Grafika czasu rzeczywistego

Scena

Modele 3D

Przekształcenia geometryczne

Kamera

Rzut perspektywiczny

● Synteza grafiki polega na stworzeniu obrazu w oparciu o jego opis.

● Synteza obrazu w grafice komputerowej polega na wykorzystaniu algorytmów komputerowych do uzyskania obrazu cyfrowego na podstawie opisu zawartości.

● Synteza grafiki 3D polega na rekonstrukcji obrazu zawierającego elementy umieszczone w przestrzeni trójwymiarowej.

○ Opis elementów obrazu nazywany jest sceną.

○ Celem syntezy grafiki 3D jest uzyskanie obrazu dwuwymiarowego będącego wizualizacją trójwymiarowej sceny przy ustalonych parametrach.


Synteza grafiki 3D

3/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Scena

Zawiera w sobie opis i położenie brył, kamerę,źródła światła itd.

● Algorytm

Proces przetwarzaniasceny i generowanie najego podstawie nazywamyrenderingiem.

● Obraz

Wynik w postacidwuwymiarowegoobrazu rastrowego.


Rendering

4/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


Grafika rzeczywista

● Celem jest wyrenderowanie trójwymiarowej sceny w najlepszej jakości.

● Nieograniczony czas na renderowanie!

● Próba implementacji zjawisk optycznych występujących w rzeczywistości w taki sposób, aby były bardzo podobne, lub wręcz idealnie odwzorowane.

● Wykorzystywana w filmach, reklamach, komputerowo generowanych obrazach, w sztuce


● Celem jest wyrenderowanie danego obrazu w jak najkrótszym czasie (np. 16ms - 60 klatek na sekundę).

● W celu przyspieszenia obliczeń stosuje się uproszczenia w implementacji zjawisk zachodzących w prawdziwym świecie.

● Upraszcza się jakość renderowanej sceny, obiektów 3D, modelu oświetlenia, nie symuluje się także części zjawisk.

● Wykorzystywana w grach komputerowych, symulacjach, wirtualnej rzeczywistości.



5/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Brak ograniczeń czasowych w czasie procesu renderingu.

○ Generowanie pojedynczej klatki obrazu może trwać od kilku sekund do nawet kilku dni!

● Algorytmy używane mają za zadanie naśladować rzeczywiste zjawiska optyczne.

○ Przykładowe algorytmy :

■ Ray Tracing

■ Photon Mapping



6/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Konieczność uzyskania płynnych animacji

○ Najczęściej 60 klatek na sekundę, często nawet krócej.

● Użycie uproszczeń w celu przyspieszenia renderingu.

○ Redukcja szczegółowości

○ Uproszczony model oświetlenia

○ Ograniczona symulacja zjawisk wizualnych


Scena

7/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Scena zawiera opis elementów wirtualnego świata. Składa się z :

○ Obiekty geometryczne■ Bryła, położenie, kierunek obrotu, skala itd.

○ Cechy obiektów■ Kolor i typ materiału, tekstura.

○ Kamera■ Położenie, kierunek widzenia, kąt widzenia, typ.

○ Źródła światła■ Rodzaj, intensywność, położenie.

○ Parametry środowiska■ Mgła, dym itd.


Modele 3D

8/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Obiekty geometryczne zawarte w scenie nazywamy modelami.

● Modele to geometryczna reprezentacja obiektów.

● Sam model nie jest grafiką, jest opisem obiektu.

○ Podobieństwo do grafiki wektorowej.


Modele 3D

9/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Model składa się z wierzchołków.

● Wierzchołki te łączą się w wielokąty (ang. Polygons), które tworzą powierzchnię obiektu.

○ Wierzchołki mogą się różnie łączyć w poligony, zależnie od zastosowania.

○ Mogą to być trójkąty, czworokąty itd.


Modele 3D

10/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


Model High-poly

● Stosuje się w grafice realistycznej z uwagi na dużą ilość szczegółów.

Model Low-poly

● Stosuje się w grafice czasu rzeczywistego z uwagi na dokonane uproszczenia.


Modele 3D

11/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Modele tworzy się w wyspecjalizowanym oprogramowaniu do tworzenia grafiki 3D, np :

○ Blender

○ 3ds Max

○ Maya

○ Google SketchUp


Układ współrzędnych

12/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Obiekty są zawarte w układzie współrzędnych kartezjańskich.

● Jednostki w tych układach są arbitralne, można przyjąć dowolną wartość, np. jednostka to jeden metr, jeden cal, 24 cm, 2 ft ...

● Układ osii może się różnić w zależności od użytego oprogramowania.

○ Układ prawoskrętny - np. OpenGL

○ Układ lewoskrętny - np. Blender



13/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Często zdarza się, że na scenie występuje więcej niż jedna instancja obiektu różniąca się położeniem, orientacją i wielkością.

● Kopiowanie wszystkich wierzchołków z jednego obiektu do drugiego nie jest optymalne.

● Przesuwanie obiektów za pomocą edytowania wszystkich wierzchołków także nie jest optymalne.

● Do obydwóch przytoczonych sytuacji stosuje się przekształcenia geometryczne.


Przekształcenia modelu

14/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● W procesie renderowania mnoży się każdy wierzchołek przez macierz modelu (ang. model matrix).

● Macierz modelu to iloczyn macierzy transformujących bryłę.

● Każda z tych macierzy wykonuje jedną z podstawowych transformacji geometrycznych.

○ Translację - przesunięcie obiektu.

○ Rotację - zmianę orientacji obiektu o daną oś.

○ Skalowanie - zmiana wielkości obiektu.



15/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera




16/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera



Kamera

17/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Ważnym elementem sceny jest także kamera.

● Kamera sceny jest to “wirtualne oko”, z którego obserwujemy świat .

● Kamera posiada swoje położenie w przestrzeni sceny, a także punkt patrzenia.

● Manipulacja kamerą pozwala nam wyświetlić tę samą scenę z wielu innych punktów odniesienia.


Kamera

18/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Różne punkty widzenia w zależności od położenia kamery.

● Nieodpowiednie operowanie kamerą skutecznie zapobiegnie poprawnemu przedstawienie wyrenderowaniem sceny.

● Ekipy filmowe tworzące animacje zatrudniają specjalistów od wykorzystywania wirtualnych kamer.


Kamera

19/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Pojedynczy rzut kamery nie jest w stanie wyświetlić wszystkich szczegółów sceny.

● W grafice czasu rzeczywistego często pozwala się graczowi na manipulację kamerą.

● Należy poprawnie zaprojektować obsługę kamery w sposób poprawny dla wyświetlanej sceny.


Kamera

20/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Kamerę opisujemy za pomocą trzech parametrów :

○ Pozycja (p) - współrzędne położenia kamery w przestrzeni sceny.

○ Kierunek (d) - wektor patrzenia kamery.

○ Wektor góry (u) - wektor wskazujący pion.


Kamera

21/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Wektor góry jest także ważnym elementem kamery, dzięki niemu możemy dobrać pion.

○ Najczęściej ustawiany jako wektor (0, 1, 0)


Macierz widoku

22/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● W OpenGL stosuje się parametry kamery w postaci macierzy widoku.


Rzut kamery

23/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Wyróżniamy dwa rzuty kamery.

○ Rzut perspektywiczny (po lewej)

○ Rzut ortogonalny (po prawej)



24/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● W rzucie perspektywicznym kamery występują cztery parametry.

○ Kąt widzenia (ang. field of view - FOV)

○ Aspekt (ang. aspect) - proporcje ekranu

○ Odległość płaszczyzny bliskiego odcinania (ang. near clipping plane)

○ Odległość płaszczyzny dalekiego odcinania (ang. far clipping plane)


Rzut perspektywicznyKąt widzenia

25/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Kąt widzenia wyrażany w stopniach (70° po lewej, 35° po prawej).

● Jest tożsamy ze zmianą ogniskowej obiektywu.

● Nie jest tożsamy z przybliżeniem/oddaleniem kamery!


Rzut perspektywicznyAspekt

26/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera

Rzut perspektywiczny● Aspekt - proporcje boków podstawy ściętego ostrosłupa (ang. frustum).

● Stosunek szerokości do wysokości.

● 4:3, 16:9, 16:10 ...


Rzut perspektywicznyPłaszczyzny odcinania

27/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera

Rzut perspektywiczny● Odległość płaszczyzn przycinania :

○ Bliskiej - n

○ Dalekiej - f

● Określają zakres odległości, w jakiej będzie renderowana scena.

● Ma związek z precyzją bufora głębokości - im większy zakres, tym większa szansa powstania problemu z-fighting.


Macierz projekcji

28/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● W OpenGL stosuje się parametry związane z rzutem kamery w postaci macierzy projekcji.

● Rzut perspektywiczny opisuje się za pomocą macierzy perspektywy.

● Można zastosować także rzut ortogonalny za pomocą macierzy ortogonalnej.


Podsumowanie

29/30

Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


● Do przekształceń związanych z modelem stosujemy :○ Macierz modelu, która składa się z :

■ Translacji■ Rotacji■ Skalowania

● Do przekształceń związanych z kamerą stosujemy :○ Macierz widoku, która składa się z :

■ Pozycji kamery■ Kierunku patrzenia kamery■ Wektora góry

○ Macierz projekcji, która składa się z :■ Kąt widzenia■ Aspektu■ Odległość płaszczyzny bliskiego odcinania■ Odległość płaszczyzny dalekiego odcinania


mgr inż. Michał Chwesiuk

30/30

Grafika KomputerowaWykład 4

Dziękuję za uwagę :)Synteza grafiki 3D



Scena

Modele 3D


Kamera


Documents

Grafika Komputerowa Wykład 4 Synteza grafiki 3Dmchwesiuk.pl/wp-content/uploads/2019/03/Grafika...Grafika Komputerowa Michał Chwesiuk Rendering 4/30 Synteza grafiki 3D Grafika realistyczna