Download pdf - Лекция по Трёхмерной графике

Высшая школа экономики, Москва, 2013

www.hse.ru

ТРЁХМЕРНАЯ ГРАФИКА

Соболевский Алексей

ИНЖЕНЕРНАЯ И КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА

2 КУРС


Темы лекции

• Что такое трёхмерная графика?• История трёхмерной графики• Основные понятия 3D-графики• Конвейер рендеринга• Основные алгоритмы 3D-объектами• Дополнительные фишки


3D GRAPHPHPHPHPHICZZZZ

3D-графикаРаздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.






Немного истории

Иван Сазерленд•Создатель Sketchpad (1962 год)•Основатель первой кафедры Компьютерной графики•Ведущий специалист в области КГ

Эд Катмолл•Создатель первых алгоритмов битовой глубины и текстурирования•Технический директор Pixar



Джим БлиннСоздатель Bump Mapping и Environment Mapping

Би Тюн ФонгPhong Shading

Анри ГюраGouraud Shading





• 1976 годПервый фильм, в котором использовалась 3D-графика

• Первая программа 3D-моделирования MAGI (процедрурная)

• Алгоритм трассировки лучей• Появление полигонального метода

моделирования• Power Animator (SGI-станции, Irix OS)


Основные понятия 3D-графики

• Полигон• Вертекс• Текстура• Шейдер• Буфер глубины и буфер кадра• Рендеринг


Полигон

• Произвольный плоский многоугольник являющийся частью грани или поверхности

• В основном, треугольник


Вершина

• Вершина полигона• Массивы вертексов (вместо массивов

полигонов)• Преобразование объектов


Вершина

• Позиция• Нормаль• Цвет• Координаты текстуры


Полигональная сетка


Вершина


Текстура

• Растровое изображение• Отвечает за цвет и псевдообъём• Состоит из текселей


Текстурирование

• Normal Mapping• Parallax Mapping• Bump Mapping• Environment Mapping• Displacement Mapping• Mipmapping• …









• Parallax mapping – работает как фрагментный (пиксельный) шейдер

• Displacement mapping – работает как вершинный (вертексный) шейдер


Шейдеры

Программа для одной из ступеней графического конвейера, используемая в трёхмерной графике для определения окончательных параметров объекта или изображения. Она может включать в себя произвольной сложности описание поглощения и рассеяния света, наложения текстуры, отражение и преломление, затемнение, смещение поверхности и эффекты пост-обработки. (с) Wiki


Шейдеры

• Вершинные шейдеры• Изменение параметров вершин

• Геометрические шейдеры

• Пиксельные шейдеры• Изменение параметров пикселей при выводе• Возможность производить попиксельное освещение• Создание эффектов с частицами


Шейдеры


Буфер глубины и буфер кадра

Буфер глубины - способ учёта удалённости элемента изображения

По сути, это массив, записывающий удалённость объектов сцены от камеры










Рендеринг

РЕНДЕРИНГ


Рендеринг

Получение изображения из модели (не обязательно 3D)


Конвейер рендеринга

Это стандартный алгоритм

Вход конвейера – данные о 3D сцене (свет, объекты, текстуры, шейдеры, типы затенения и освещения и т.п.)

Выход конвейера – 2D картинка на мониторе


Конвейер рендеринга

• Триангуляция (Triangle Setup)

• Трансформация объектов

• Обработка вершин

• Трансформация вида

• Проекция сцены

• Отсечение невидимых частей

• Растеризация

• Обработка пикселей

• Вывод


Конвейер рендеринга. Триангуляция

Разбиение моделей на треугольники

Любую область можно гарантированно разбить на треугольники (ZIP-теорема Конвея)

Проще разбивать на треугольники, нежели на другие полигоны (метод Делоне)



Метод Делоне Диаграмма Вороного






Конвейер рендеринга. Трансформация объектов

Применение матриц преобразования к объектам (поворот, растяжение, перемещение)


Конвейер рендеринга.

Обработка вершин•Задаются цвета и другие параметры вертексов•Обрабатываются вертексные шейдеры

Трансформация вида•Переход от системы координат сцены к системе координат камеры

Проекция сцены•Проекция 3D-сцены на 2D-пиксельную сетку монитора


Конвейер рендеринга.

Clipping (отсечение)Невидимые части объектов отсекаются

РастеризацияОпределение значений пикселей и занесение в Z-buffer значения глубины



Обработка света


Обработка света

• Lightmapping• Shadow Volumes• Ray Tracing и Reverse ray tracing• Occulsion mapping• Photon mapping


Lightmap

• Меняется цвет и освещённость текстуры


Shadow Volumes

• В самом простом случае: всё, что находится за освещённым объектом – чёрное. Очень жёсткие тени. Сложности с воспроизведением рассеивания света


Shadow Volumes

Справа показано, как распространяются проекции теневых объёмов от источника света


Ray Tracing и Reverse Ray Tracing

• Если совсем просто: каждый пиксель экрана – это луч, направленный в трёхмерную сцену. При пересечении с объектом высчитывается цвет этого пикселя с учётом коэффициентов отражения, преломления и цвета самой текстуры.


Ray Tracing и Reverse Ray Tracing


Дополнительные фишки

Дополнительно


Дополнительные методы и алгоритмы

• Методы построения 3D-объектов– NURBS– Voxels

• Anti-Aliasing• Motion Blur• HDR


NURBS

• NURBS – Non-uniform rational B-splines. Неоднородные рациональные B-сплайны. Метод построения криволинейных поверхностей. Основан на B-сплайнах и кривых Безье.


NURBS


Voxels

• Voxel – Volumetric pixel, по аналогии с обычным пикселем – из вокселей могут строится трёхмерные объекты. Может быть кубом, сферой или другим примитивом. Не нуждается в текстурировании.


Voxels


Anti-aliasing

• Anti-aliasing – технология, используемая для устранения эффекта «зубчатости», возникающего на краях одновременно выводимого на экран множества отдельных друг от друга плоских, или объёмных изображений.


Anti-aliasing