Графический конвейер и его структура

Рассмотрев форму представления исходных данных и результата, перейдем непосредственно к процессу визуализации. В большинстве современных графических систем данная задача решается с помощью графического конвейера. Классический графический конвейер –это последовательность шагов, обеспечивающая преобразование модель – сцена – двумерный образ. Графический конвейер можно представить в виде черного ящика, выполняющего необходимые преобразования, рисунок 1.5.

Содержимое нашего черного ящика может быть различным. Выполняемые преобразования зависят от назначения графической системы, требуемого уровня универсальности и многих других факторов. Поэтому мы рассмотрим некоторый абстрактный графический (иногда его называют видовым) конвейер, включающий в себя основные (наиболее часто используемые) преобразования. Структура такого конвейера приведена на рисунке 1.6.

Первым этапом нашего конвейера является сборка сцены, выполняемая модельным преобразованием. Этот этап можно рассматривать как часть большого и сложного процесса называемого моделированием. В ходе сборки отдельные фрагменты сцены или модели собираются вместе в единой координатной системе, носящей название мировой системы координат. Необходимость такой сборки возникает из-за того, что отдельные модели удобнее описывать в собственных оригинальных системах координат. Такие персональные координатные системы носят название модельных координат. После этого достаточно для каждой модели задать необходимые преобразования, связывающие координатные системы объектов с мировой системой координат. Графическая система сама выполнит все необходимые расчеты, сведя объекты в единую мировую координатную систему.

Изображение, формируемое компьютером, является искусственно созданным, и оригинала может не существовать физически. Но при этом используются те же физические законы, которые работают при восприятии человеком реальных объектов. Поэтому в ходе курса мы будем часто проводить аналогии с такими «устройствами», как фотокамера или глаз человека.

В любом процессе формирования изображения присутствуют две сущности: объект и наблюдатель. Объект существует в пространстве независимо от наблюдателя. Следовательно, чтобы однозначно определить каким образом мы увидим объект, необходимо определить положение наблюдателя, направление наблюдения и другие характеристики наблюдателя.

Видовое преобразование (видовая трансформация) геометрического конвейера, обеспечивает требуемое расположение объекта и наблюдателя.

Отображение описания трехмерного объекта на плоскость осуществляется с помощью преобразования проецирования. Как вам известно, человек видит мир в перспективе. Видимый размер одинаковых объектов уменьшается по мере увеличения расстояния от них до точки наблюдения. Перспективное зрение позволяет нам воспринимать глубину видимой сцены, оценивать расстояния до объектов. В графической системе мало реализовать только перспективное проецирование. В прикладных задачах часто необходимо точно оценивать истинные размеры объектов, поэтому наряду с перспективными проекциями, широкое применение находят параллельные проекции. Изображения, полученные с помощью параллельного проецирования, менее реалистичны, но дают возможность проводить линейные и угловые измерения (с некоторыми ограничениями).

Следующим этапом геометрического конвейера является преобразование нормализации. В ходе преобразования геометрические координаты всех объектов сцены приводятся к фиксированному диапазону. Используемый диапазон может быть различным, например, [0..1] или [-1..1]. В результате нормализации координат решаются такие задачи как преодоление потери точности, защита от переполнения и другие задачи, связанные с реализацией системы.

Когда мы смотрим вдаль, то видим все объекты до горизонта, т.е. человеческое зрение, в принципе, не имеет ограничений по глубине. Зона охвата нашего зрения представляет собой бесконечный конус. Реализация подобного механизма в компьютерной системе потребовала бы чрезвычайно больших вычислительных затрат. Поэтому в графических системах присутствует такое понятие как видимый объем. Это замкнутый объем пространства, попадая в который объекты сцены или их фрагменты оказываются видимыми в создаваемом изображении. Соответственно, те объекты или фрагменты, которые оказались вне этого объема, исключаются из дальнейшего рассмотрения. Процесс выделения объектов сцены, попавших в видимый объем, называется отсечением (клиппингом - от английского слова clipping). Такой подход существенно повышает эффективность системы, т.к. существенно снижается количество геометрических примитивов, проходящих через весь конвейер. Форма видимого объема зависит от используемого типа проекций, обычно это параллелепипед или усеченная пирамида.

Еще раз напомню, что мы рассматриваем некоторый гипотетический конвейер ради понимания принципов его работы. В реальных системах некоторые этапы могут быть опущены, переставлены местами или совмещены, исходя из соображений эффективности, удобства реализации или по другим причинам.

Результатом рассмотренных выше преобразований может являться двухмерное изображение фрагмента сцены, однако, в большинстве систем это не так. На данном этапе мы не можем полностью отказаться от трехмерного представления. Это вызвано тем, что для работы алгоритмов удаления невидимых линий и поверхностей необходима информация о расстоянии от объектов до точки наблюдения (глубина по сцене). На основе этой информации принимается решение о видимости объектов или их фрагментов.

Многие алгоритмы удаления невидимых линий и поверхностей работают на следующем этапе видового конвейера, поэтому результатом проецирования, как правило, является промежуточный 2D/3D образ. Аббревиатуры 2D и 3D, соответственно, произошли от английских словосочетаний two dimensional – двухмерный и three dimensional – трехмерный. В этом образе сочетается описание положения объектов на плоскости с дополнительными характеристиками, определяющими положение этих объектов по глубине сцены.

В двумерной части сформированного образа все объекты представлены своими характеристическими (контрольными, управляющими) точками. Например, в модели трехмерный отрезок определяется двумя вершинами, определяющими его концы. Каждая вершина описывается тройкой координат. После проецирования двумерный образ нашего отрезка так же описывается парой вершин, каждая из которых характеризуются только двумя координатами. Для вывода изображения данного отрезка необходимо, основываясь на координатах его вершин, определить точки растра, наилучшим образом отображающие внутреннюю часть отрезка. Процесс формирования промежуточных точек графического образа объекта составляет основу растрового преобразования или просто – растеризации (rasterization, scan convertion).

Как уже говорилось, параллельно с растеризацией может решаться вопрос о видимости выводимых пикселей. Кроме того, на этом этапе выполняется закрашивание (shading). Для каждого пикселя изображения необходимо определить его цветовые характеристики.

В реальном мире видимый цвет объекта зависит от свойств материала, из которого состоит его поверхность, характеристик падающего на него света и состояния окружающей среды (наличие тумана и др. факторов). Свет имеет волновую природу, и физика процесса очень сложна. Реализация в графической системе модели, близкой к реальности, привела бы к огромным вычислительным затратам. На практике для закраски изображений используется ряд упрощенных моделей и подходов. Упрощенная модель освещения рассматривает отдельно диффузно-отраженный (рассеянный) и зеркально-отраженный свет. Ключевыми параметрами, влияющими на процесс, являются интенсивность источников света и геометрические характеристики, такие как угол падения света и угол между направлением на наблюдателя и отраженным лучом света. Другие сложные факторы, влияющие на процесс, представляются константами, подбираемыми эмпирически – опытным путем.

Безусловно, такое упрощение дает результаты далекие от совершенства. Для придания большей реалистичности создаваемым сценам используются разнообразные специальные методы, такие как текстурирование – наложение изображения на поверхность объекта, покрытие поверхности микрорельефом, создание иллюзии тумана, прозрачности и др.

Дата добавления: 2014-01-07