Bartosz Bazyluk SYNTEZA GRAFIKI 3D Grafika realistyczna i czasu rzeczywistego. Pojęcie sceny i kamery. Grafika Komputerowa, Informatyka, I Rok

Transkrypt

1 SYNTEZA GRAFIKI 3D Grafika realistyczna i czasu rzeczywistego. Pojęcie sceny i kamery. Grafika Komputerowa, Informatyka, I Rok

2 Synteza grafiki 3D Pod pojęciem syntezy grafiki rozumiemy stworzenie grafiki na podstawie jej opisu Komputerowa synteza grafiki to procesy algorytmiczne prowadzące do uzyskania cyfrowego obrazu na podstawie opisu jego zawartości Synteza grafiki 3D bazuje na opisie przestrzennego świata, znajdujących się w nim obiektów, ich cech, środowiska, itp. Opis wycinka świata na potrzeby syntezy grafiki 3D nazywamy sceną Celem syntezy grafiki 3D jest uzyskanie obrazu 2D będącego wizualizacją sceny przy zadanych kryteriach 2

3 Synteza grafiki 3D Scena Algorytm graficzny Geometryczny opis rozmieszczenia obiektów, oświetlenia, kamery,... Proces często nazywa się renderowaniem Obraz 2D Wizualizacja, "zdjęcie" sceny 3D widzianej w zadany sposób 3

4 Renderowanie Grafika realistyczna Renderowanie off-line Grafika czasu rzeczywistego Nieograniczony czas na przygotowanie każdej klatki animacji Celem jest uzyskanie jak najlepszego obrazu Zastosowania: Wizualizacja produktów Sztucznie generowane obrazy Film Sztuka Renderowanie on-line Konieczność szybkiego wyświetlania kolejnych klatek animacji Celem jest uzyskanie satysfakcjonującego obrazu przy zachowaniu płynności animacji Stosowane są liczne uproszczenia Zastosowania: Gry komputerowe Interaktywne symulacje Wirtualna rzeczywistość 4

5 Grafika realistyczna Nieograniczony czas na renderowanie Aby uzyskać najlepszy efekt, można poświęcić od kilku sekund do nawet kilku dni na wyrenderowanie jednej klatki animacji Algorytmy mające za zadanie naśladować rzeczywiste zjawiska optyczne Ogromna ilość obliczeń, algorytmy takie jak np.: Raytracing Photon mapping Podczas renderowania Toy Story (1995), obliczanie każdej klatki o wymiarach pikseli w ostatecznej wersji filmu trwało od 45 minut do nawet 30 godzin. W renderowaniu brała udział farma złożona z ponad 100 komputerów. [Price 2008, Snider 1995] Źródła obrazów: Pixar/Disney 5

6 Grafika czasu rzeczywistego Grafika czasu rzeczywistego opiera się na licznych uproszczeniach, by możliwe było spełnienie kryterium czasowego podczas dostarczania kolejnych klatek animacji. Konieczność uzyskania płynności animacji Często mniej, niż 1/60 sekundy aby wyrenderować klatkę Generowanie grafiki poprzez uproszczenia Redukcja szczegółowości Uproszczony model oświetlenia Ograniczona symulacja zjawisk wizualnych Źródło obrazu: Driveclub, Evolution Studios/Sony 6

7 Grafika czasu rzeczywistego Źródło obrazu: Future Network USA 7

8 Scena 3D Elementy sceny: Obiekty geometryczne Cechy obiektów (tzw. materiałów z których są zbudowane) Położenie, kierunek widzenia, kąt widzenia,... Źródła światła Cechy powierzchni, kolor, tekstura,... Kamera Bryła, położenie, kierunek obrotu, skala,... Położenie, rodzaj, kolor, intensywność,... Cechy środowiska Mgła, dym, dodatkowe efekty wizualne,... 8

9 Modele 3D Obiekty wirtualnego świata reprezentowane są na scenie najczęściej przez tzw. modele Modele to geometryczna reprezentacja brył obiektów Model nie jest grafiką, dopóki nie zostanie wyrenderowany on tylko opisuje obiekt Analogia do grafiki wektorowej Źródła obrazów: 9

10 Modele 3D Modele składają się z wierzchołków Wierzchołki tworzą wielokąty (ang. Polygons) które składają się na powierzchnię modelu 10

11 Modele 3D W grafice czasu rzeczywistego często stosuje się tzw. modele low-poly, czyli o małej liczbie wielokątów W ten sposób uzyskuje się znacznie większą wydajność kosztem utraty jakości (szczegółowości) High-poly Low-poly (15488 trójkątów) (968 trójkątów) 11

12 Modele 3D Modele tworzy się w wyspecjalizowanym oprogramowaniu do tworzenia grafiki 3D, np.: Blender (darmowy) 3ds Max Maya Google SketchUp (darmowy) 12

13 Modele 3D Przykładowy format, w którym zapisuje się modele: Wavefront OBJ Plik tekstowy Kolejne linijki odpowiadają m.in. pozycjom wierzchołków, wektorom normalnym, współrzędnym tekstur, ścianom 13

14 Przekształcenia geometryczne Model Posiadamy model skrzyni, którego instancje chcemy umieścić na naszej scenie. Źródło obrazu: Turbosquid / C4Dennis 14

15 Przekształcenia geometryczne Model Model zdefiniowany jest w charakterystycznym dla niego, lokalnym układzie współrzędnych. Źródło obrazu: Turbosquid / C4Dennis 15

16 Przekształcenia geometryczne Współrzędne lokalne Każdy wierzchołek ma swoje własności określone w tym układzie. Źródło obrazu: Turbosquid / C4Dennis 16

17 Przekształcenia geometryczne Wiele obiektów na scenie Chcąc umieścić na scenie kilka skrzyń będących instancjami naszego modelu, musielibyśmy zdefiniować wszystkie ich wierzchołki we wspólnym układzie współrzędnych świata. Wymagałoby to osobnego zdefiniowania każdej ze skrzyń, kolejno w każdym miejscu jej wystąpienia i z każdą orientacją. Źródło obrazu: Turbosquid / C4Dennis 17

18 Przekształcenia geometryczne Translacja, Rotacja, Skalowanie Obiekty są wielokrotną instancją tego samego modelu, zdefiniowanego w tym samym lokalnym układzie współrzędnych. Poprzez różną transformację (translację, rotację, skalowanie) w przestrzeni świata mają jednak różną orientację. Źródło obrazu: Turbosquid / C4Dennis 18

19 Kamera Jest to wirtualny koncept opisujący sposób oglądania sceny przez obserwatora, dla którego renderujemy obraz Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje rzutowań: Rzut perspektywiczny Rzut prostokątny (ang. orthographic) 19

20 Kamera perspektywiczna Kamera musi być opisana w sposób matematyczny, aby możliwe było uwzględnienie jej cech w procesie renderowania Przede wszystkim musi posiadać zdefiniowane: Pozycję (punkt zaczepienia): p Kierunek widzenia: d d p 20

21 Kamera perspektywiczna Położenie w przestrzeni 3D jest po prostu 3-elementowym wektorem Zmiana położenia powoduje przemieszczenie naszego wirtualnego "aparatu fotograficznego" 21

22 Kamera perspektywiczna Kierunek w przestrzeni 3D również jest 3-elementowym wektorem Kierunek można rozumieć jako wektor leżący na półprostej łączącej punkt zaczepienia z miejscem, na które kamera ma być skierowana Kierunek zwyczajowo przechowuje się jako wektor jednostkowy ( d = 1 ) 22

23 Kamera perspektywiczna To jednak nie wystarczy, aby jednoznacznie określić sposób obserwacji sceny Oba poniższe przykłady zostały wyrenderowane z tego samego miejsca, w tym samym kierunku: 23

24 Kamera perspektywiczna Konieczne jest wprowadzenie dodatkowo wektora pionu (ang. up vector): u Najczęściej jest to (0, 1, 0) jeśli za drugą współrzędną przyjmiemy tę skierowaną ku górze świata Orientacja kamery może być również opisana za pomocą złożenia obrotów wokół poszczególnych osi układu współrzędnych, czyli za pomocą tzw. kątów Eulera. Innym sposobem reprezentacji orientacji są również kwaterniony. u d p 24

25 Kamera perspektywiczna Dodatkowo kamerę określają: Kąt widzenia (najczęściej w stopniach) fov Jego zmiana odpowiada zmianie ogniskowej obiektywu (popularnie zwanej "zoomem" w aparacie fotograficznym) Nie jest tożsamy z przybliżeniem/oddaleniem kamery! Szeroki kąt Wąski kąt (krótka ogniskowa) (długa ogniskowa) 25

26 Kamera perspektywiczna Dodatkowo kamerę określają: Odległość płaszczyzn przycinania: bliskiej n i dalekiej f (ang. near/far clipping plane) Określają, od jakiej do jakiej odległości będzie renderowana scena Ma to związek z precyzją bufora głębokości Im większy zakres odległości jest renderowany, tym większa szansa powstania problemów typu z-fighting wartości powinny zostać dobrane odpowiednio do charakterystyki danej sceny f n 26

27 Kamera perspektywiczna Dodatkowo kamerę określają: Proporcje boków podstawy ściętego ostrosłupa (ang. frustum) Stosunek szerokości do wysokości 4:3, 16:9, 16:10,... 27

28 Kamera perspektywiczna Podsumowując, do opisania kamery rozumianej jako sposób widzenia wycinka renderowanego świata, potrzebne są wartości następujących atrybutów: Dodatkowo zależnie od tego jak zaawansowany jest renderer, możemy mówić o dodatkowych parametrach związanych z symulowaniem zachowania prawdziwej kamery, takimi jak np. parametry głębi ostrości. Cechy widoku: Położenie Orientacja, czyli np.: kierunek i wektor pionu kąty Eulera Cechy projekcji: Kąt widzenia Odległości płaszczyzn przycinania Proporcje 28

29 SYNTEZA GRAFIKI 3D Grafika realistyczna i czasu rzeczywistego. Pojęcie sceny i kamery. Grafika Komputerowa, Informatyka, I Rok