Практически во всех ускорителях трехмерной графики применяются описанные ниже специфические технологии для создания высококачественных, близких к реальным изображений:
В некоторых приложениях, используется другой процесс, называемый отображением МIР(MIP- мипмэппинг – текстура нарисованная с несколькими уровнями детализации), при котором применяются различные версии одной и той же текстуры, содержащие разное количество деталей в зависимости от расстояния до объекта в трехмерном пространстве. При отображении удаляющихся объектов уменьшается насыщенность, яркость цветов текстуры, степень ее детализации и увеличивается скорость ее обработки.
Затуманивание – это имитация газа или тумана в играх.
Затенение Гуро - интерполяция цветов для сглаживания неровностей окружностей и сфер.
Альфа-смешивание (alfa-blending – техника создания эффекта полупрозрачности) – это одна из первых технологий трехмерной графики, используемая для создания реалистичных объектов, например "прозрачного" дыма, воды и стекла. Многие другие функции, в которых нужно объединять пикселы, такие как прозрачные текстуры, мультитекстурирование, антиалиасинг, также используют альфа-смешение.
Антиалиасинг (аntialiasing) – метод борьбы с лестничным эффектом за счет сглаживания краев линий, полигонов и точек. Антиалиасинг делится на полный и краевой. Использование краевого антиалиасинга подразумевает, что игровые программы написаны соответствующим образом, и имеют возможность включения краевого антиалиасинга. Полный антиалиасинг может быть включен в любой игровой программе независимо от того поддерживает она антиалиасинг или нет.
Наиболее часто, используются в современных ускорителях трехмерной графики технологии, использующие следующие методы и средства:
Буфер шаблонов – это технология, активно используемая в играх (особенно в жанре авиасимуляторов) при моделировании ландшафта, самолетов и других объектов вне стеклянной кабины летчика.
Z-буферизация - изначально эта технология применялась в системах автоматизированного проектирования. В двумерном мире объекты не могут располагаться впереди или позади друг друга, поэтому нет проблем с перекрытием. Но в трехмерном мире один объект может находиться впереди другого. Обычно световые лучи не проникают через непрозрачные объекты, поэтому мы видим все, что находится впереди, и не видим того, что позади.
Когда два объекта перекрываются, нужно выяснить, какой из них находится впереди, чтобы знать, какие пиксели объекта нужно показать на дисплее. Область, в которой пересекаются две фигуры, можно описать, указав для каждого пиксела фигур величину расстояния от него до условного заднего плана. Если дополнить обычную видеопамять картой этих расстояний для каждого пикселя, то будет всегда известно, нужно ли закрашивать конкретный пиксель: если значение расстояния (или значение Z) у пикселя меньше, значит, он позади и его не нужно закрашивать.
Эту идею можно реализовать аппаратно. Решение, состоит в создании параллельно с памятью дисплея другого массива памяти, называемого Z-буфером. Каждый раз при записи пикселя вычисляется его значение Z. При этом записываются только пиксели с большими значениями Z и обновляются расстояния в Z-буфере. Все остальные пикселы игнорируются. Таким образом, в каждой ячейке Z-буфера хранится расстояние по оси Z (вглубь экрана) для рисуемого пиксела, поэтому легко проверить, затенен ли новый записываемый пиксель или нет. К сожалению, Z-буфер требует дополнительной памяти, и, чем большая точность нужна для значений Z, тем больше памяти нужно для запоминания значений Z. Если используется разрешающая способность 640х400 и значения Z в виде 16-разрядных (двухбайтовых) чисел, то нужно иметь 0,5 мегабайта памяти только для Z-буфера. С помощью Z-буфера можно легко решить, какие объекты расположены на переднем плане, но при этом понадобится вдвое больший объем видеопамяти. Почти все современные 3D-ускорители имеют 24-х или 32-битную
Z-буферизацию, что в значительной мере повышает разрешающую способность и, как следствие, качество рендеринга.
Есть и другие решения проблемы со скрытыми поверхностями, но все они решаются путем компромисса между использованием памяти дисплея и дополнительной нагрузкой на процессор. Главный метод, применяемый для peшения проблем, заключается в том, чтобы упорядочить (отсортировать) вершины многоугольников по их координатам Z. Тогда сначала закрашиваются наиболее отдаленные объекты на экране, а наиболее близкие объекты накладываются на дальние. При этом возникают проблемы с поверхностями, наклонными к оси Z, так как расстояние пикселя от заднего плана может изменяться по мере его удаления от вершины. Решение такой проблемы требует еще более сложных вычислений.
Можно сократить работу процессора, проявив небольшую хитрость при упорядочении объектов по их координатам Z. Если какая-то поверхность полностью скрыта другими или повёрнута от наблюдателя, то ее совсем не нужно рисовать первой. А если мы исключили операцию рисования, то многоугольник не надо заполнять картой текстуры, в связи с этим уменьшается количество работы для процессора.
Для визуализации трехмерных изображений с высокой степенью детализации необходимо применять специальные методы наложения текстур, которые устраняют нежелательные эффекты и делают сцены более реалистичными.
Отображение текстуры более сложно, чем простое копирование растра шаблона на экран, потому что требует работы с эффектами перспективы в каркасном представлении. Прямоугольный растр шаблона должен быть преобразован для получения изображения в перспективе. Это видно, скажем, на примере стен, неперпендикулярных линии, вдоль которой смотрит зритель. Такие поверхности удаляются вдоль линий перспективы к точке схода, причем текстура уменьшается по мере того, как ваш взгляд перемещается вдаль. Процесс трехмерной визуализации отображает стены и другие поверхности с учетом перспективы и накладывает текстуры для создания реалистического изображения.
Программное обеспечение для усиления эффекта трехмерности, изменяет вид текстур в зависимости от положения примитива (т.е. расстояния до примитива и его наклона). Этот процесс называется перспективной коррекцией.
В реальном мире источник света обычно точечный, поэтому освещенность поверхности неравномерна, она увеличивается в направлении источника. Поверхности также имеют различную отражающую способность, что сказывается на используемых текстурах. Блестящая металлическая искривленная поверхность отразит точечный источник света в точке (точка, называется зеркальным отражением точки, в которой находится точечный источник света), местоположение которой определяется законами геометрической оптики. Математический аппарат для выполнения этой работы хорошо известен, но процессоры и графические видеоплаты должны иметь для выполнения этих функций достаточную производительность. Для экранных форматов с более высокой разрешающей способностью вычислений требуется еще больше (для разрешающей способности 640х400 требуется вчетверо больше вычислений, чем для 320х200). Подобные форматы не могли поддерживаться устаревшими моделями процессоров, поэтому они появились только с приходом быстродействующих процессоров типа Pentium. Для обновления экрана при быстром перемещении каркасов и карт текстуры по экрану при высокой частоте кадров требуется не только большая скорость вычислений, но и высокая пропускная способность канала видеоплаты.
Рельефное текстурирование или наложение рельефа (bump-mapping – методика наложения рельефных поверхностей). Эта технология предназначена для воспроизведения специальных световых эффектов, таких как водная рябь, камни и другие сложные поверхности. Это придает большую реалистичность игровым сценам и ландшафтам. Для того, чтобы подчеркнуть бугорки и впадины с помощью светотени, надо затемнять или осветлять стенки этих бугорков и впадин. Другой метод заключается в симуляции рельефности глянцевой или зеркальной поверхности отражением окружающей среды.
Билинейная фильтрация(bi-linear filtering - метод текстурирования, при котором выполняется интерполяция текстуры). Улучшение качества изображения небольших текстур, помещенных на большие многоугольники (достигается так называемая “размазанность текстур”). Эта технология устраняет эффект "блочности" текстур.
Трилинейная фильтрация(frii-linear filtering – более сложный метод текстурирования, при котором кроме интерполяции текстуры выполняется интерполяция между уровнями детализации текстуры). Комбинация билинейной фильтрации и так называемого наложения mip mapping (текстуры, имеющие разную степень детализации в зависимости от расстояния до точки наблюдения). Использование трилинейной фильтрации значительно замедляет работу 3D-ускорителей, но формирует более качественное изображение, чем обычная билинейная с мипмэппингом.
Важной операцией в визуализации трехмерных объектов является рисование многоугольника, так обычно представляются движущиеся объекты. Текстуры на многоугольниках придают объекту более реалистичный вид, сохраняя преимущества быстрого рисования трехмерных изображений. Рисование многоугольника напоминает процесс наложения текстурных карт на каркасные структуры, хотя и требует большей производительности. Сетка, покрывающая поверхность в трехмерном пространстве, в большинстве случаев составлена из треугольников, что снижает сложность программного (или аппаратного) обеспечения для вывода объекта на экран. Изменяя размер треугольников, можно управлять степенью детализации объектов.
Поскольку в трехмерной графике наиболее важными операциями являются отображение (нанесение) текстуры и рисование многоугольников, то производительность программ и аппаратуры для трехмерной графики измеряется, как правило, количеством пикселей текстуры и закрашенных многоугольников в секунду. Наиболее хорошо настроенным программным обеспечением трехмерной графики обладают некоторые ЗD-игры, как правило, они показывают отличные результаты в тестах на трехмерную визуализацию.
Анизотропная фильтрация, используемая в некоторых видеоадаптерах, позволяет сделать сцену еще более реалистичной. Однако эта технология пока не получила должного распространения из-за высоких требований к аппаратной части видеоадаптера.
В различных видеоадаптерах применяются разные технологии визуализации -однопроходная или мультипроходная визуализация.. В настоящее время практически во всех видеоадаптерах фильтрация и основная визуализация выполняются за один проход, что позволяет увеличить частоту кадров.
Аппаратное или программное ускорение используется при аппаратно выполняемой визуализации. Позволяет достичь гораздо лучшего качества изображений и скорости анимации, чем при программной обработке. Используя специальные драйверы, новые видеоадаптеры выполняют все нужные вычисления с очень высокой скоростью. Для работы с приложениями трехмерной графики или современных игр это технологическое решение просто неоценимо.
Для применения всех свойств видеоадаптеров необходимо использовать специальное программное обеспечение, которое может активизировать эти функции. Несмотря на то, что в настоящее время существует несколько программных стандартов трехмерной графики (OpenGL, Glide и Direct 3D), производители видеоадаптеров создают видеодрайверы, которые поддерживают указанные стандарты.
Дизеринг(dithering) – метод получения изображений в Hi-Color-режимах.
Рендеринг (конвейер рендеринга). Рендеринг выполняется по многоступенчатому процессу, называемому конвейером рендеринга, который состоит из трех этапов обработки: тесселяции, геометрической обработки, растеризации. При аппаратном рендеринге 3D-акселератор берет на себя наиболее вычислительно-емкие функции по растеризации треугольников.
Версия сайта для слабовидящих