Трехмерную сцену можно представить как набор отдельных групп элементов: группы трехмерных объектов, группы источников освещения, группы применяемых текстурных карт, группы (или одной) камер.
Трехмерный объект обладает свойствами координат его вершин в пространстве сцены; локальных координат в пространстве текстурной карты; алгоритмом поведения - масштабирование, угол поворота, смещение и прочие изменения в течение времени в соответствии с замыслом разработчиков. Производным от первых двух свойств является грань - плоскость объекта, имеющая три вершины, с наложенными на нее текстурами.
Источник освещения может обладать всеми или частью из следующего набора свойств: координатами в пространстве сцены, ориентацией (направленностью), типом (фоновым, точечным и т. п.), цветом и алгоритмом изменения светового излучения.
Камера представляет собой точку, откуда наблюдатель обозревает трехмерную сцену. Плоскость, в которой расположена камера, называется плоскостью проецирования, или картинной плоскостью. Камера обладает свойствами координат в пространстве сцены, целевой точкой, углом зрения, углом поворота. Линия, соединяющая камеру и целевую точку, называется линией визирования. Угол поворота рассчитывается относительно оси линии визирования.
Текстурой (или текстурной картой) называют двух- или трехмерное изображение, имитирующее зрительное восприятие человеком свойств различных поверхностей. Специализированные текстуры (например, карты окружающей среды) сами не отображаются, а используются для генерации комбинированных текстур, накладываемых на полигон.
Большинство массовых приложений трехмерной графики, в том числе игр, при построении объемных сцен следуют устоявшейся технологии, которую можно разбить на относительно обособленные этапы. Описываемая ниже общепринятая последовательность не является жестко заданной. При конкретной реализации на программном и аппаратном уровнях могут появляться существенные отличия, однако смысловое содержание блоков практически не меняется.
Процесс визуализации трехмерной сцены на экране компьютера происходит следующим образом.
В первую очередь определяется состояние объектов, принимающих участие в сцене, которую необходимо отобразить (активен или нет). На следующем этапе каждому объекту в сцене сопоставляется соответствующая текущему моменту геометрическая модель. Затем модель разбивается на элементы - примитивы (полигоны): треугольник, многоугольник. Дальше предварительно накладывают текстуры и определяют параметры освещения. Затем рассчитывается положение камеры (наблюдателя) и линия визирования (взгляда). После этого отсекаются объекты невидимые наблюдателю и для каждого полигона данные о координатах вершин, присвоенной текстуре, параметрах освещенности и т. д., приводятся к виду, пригодному для обработки аппаратурой. И, наконец, выполняется закрашивание (рендеринг). Закрашивание происходит по точкам на основе данных о текстуре, степени прозрачности, параметрах тумана, освещении. Каждому пикселу, таким образом, присваивается определенный цвет, и он размещается в нужном месте буфера кадра. Далее может следовать этап наложения, какого либо эффекта на уже готовое изображение кадра.
В наиболее совершенных 3D-акселераторах используются геометрические процессоры , которые ускоряют всю стадию геометрической обработки, в том числе трансформацию (если 3D-акселератор поддерживает операции с матрицами) и освещение. Программа хранит местоположение объектов изображения в мировых координатах, упрощая связи между различными объектами. Большинство вычислений происходит в процессоре.
Вычисление координат вершин. Процессор вычисляет позицию каждой вершины для каждого объекта в мировой системе координат.
Отсечение краев. Изображаемые объекты могут не вписываться в пределы видимой области. Выступающие части должны быть удалены, поэтому процессор отсекает края объекта по границам рисуемой области - по одному многоугольнику за один раз.
Отбрасывание скрытых поверхностей. Изображать невидимые поверхности излишне. Процессор должен распознавать видимые поверхности и отбрасывать невидимые.
Вычисление координат проекций. Дисплей работает всего лишь как двумерное устройство, наподобие куска стекла, через которое вы смотрите на трехмерную сцену. Чтобы промоделировать это в компьютере, нам нужно пересчитать координаты проекций вершин каждого многоугольника из системы координат в пространстве в систему координат на плоскости (поверхности экрана).
В современных видеоадаптерах, в которых графический процессор может выполнять функции ускорения трехмерной графики, встраиваются специальные электронные схемы, которые выполняют растеризацию гораздо быстрее, чем программное обеспечение.
Большинство современных наборов микросхем 3D-акселераторов обеспечивают выполнение следующих функций растеризации:
- растровое преобразование - определение того, какие пиксели экрана покрываются каждым из примитивов;
- обработка полутонов - цветовое наполнение пикселей с плавными цветовыми переходами между объектами;
- образование текстуры - наложение на примитивы двухмерных изображений и поверхностей;
- определение видимости поверхностей - определение пикселей, покрываемых ближайшими к зрителю объектами.
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 тоже реализовать аппаратно.
Версия сайта для слабовидящих