Poznámky z 10. prezentace z UPG

KIV UPG/10. Základy 3D grafiky.md

@@ -0,0 +1,238 @@
+# Základy 3D grafiky
+
+## 3D grafika
+
+- princip
+	- objekty modelovány ne 3D
+	- výsledek převedený na 2D
+- oba procesy mohou být úzce provázány
+	- např. počítačové hry (XNA, DirectX, OpenGL)
+- oba procesy mohou být oddělené
+	- příprava 3D dat provedena v prvním nástroji
+	- zobrazení na 2D provedeno druhým nástrojem
+	- např. filmový průmysl
++ typické užití
+	+ počítačové hry a filmový průmysl
+	+ augmented reality
+	+ vizualizace terénu (např. Google Earth)
+	+ vizualizace strojírenských součástek
+	+ vizualizace architektonických budov
+	+ vizualizace medicínských dat
+	+ ...
+
+### Programování 3D aplikací
+
+- různé přístupy dle výsledné aplikace
+
+**1. přístup**
+- programuji pouze rozhraní mezi modelovací a zobrazovaní komponentou
+- nejjednodušší
+- 3D data připravý někdo jiný, zobrazení provede standardní prohlížeč
+
+**2. přístup**
+- provádím vytváření 3D objektů, zobrazování neřeším
+- připravím 3D objekty (nehybné, interaktivní), rozmístím je v prostoru
+- výsledkem scéna, kterou zobrazí standardní prohlížeč
+
+**3. přístup**
+- řeším zobrazování 3D objektů
+- řeším, jak bude vypadat scéna
+	- chci zvýšit realističnost, přehlednost či výkon
+	- mohu použít 3D knihovny
+
+**Souřadný systém scény**
+- kartézský souřadný systém
+	- natočení os bývá aplikačně závislé
+	- osa z někdy bývá vodorovná, jindy vertikální, často také ve směru od/do tradiční 2D roviny
+- točivost systému
+	- jakým směrem probíhá rotace o kladný úhel okolo os x, y, z
+	- levotočivý a pravotočivý systém
+
+**3D objekty**
+- získávány z databáze 3D objektů nebo vlastním vytvořením
+- databáze 3D objektů
+	- volné i komerční
+	- volné často omezené, komerční často drahé
+	- nejjednodušší způsob získání, často nejlevnější
+	- modely podléhají licencím
+	- často obsahují skrytý watermark
+- vlastní tvorba 3D modelu
+	- tvorba složitějších modelů je časově náročná
+	- základní principy
+		- 3D skenování
+			- oskenování reálného objektu 3D skenerem či systémem kamer
+			- výsledkem zašumělá množina bodů ve 3D
+			- data je nutné zpracovat
+		- 3D modelování
+
+### 3D modelování
+
+- lze použít dostupné modelovací nástroje
+	- technicky orientované (CAD)
+	- graficky orientované
+- objekty bývají modelovány
+	- skládáním z jednodušších objektů
+	- rotací 2D křivky okolo osy (tzv. resolve)
+	- vytažením 2D křivky
+	- manipulací s primitivy, ze kterých je objekt vymodelován
+
+**Jednoduché objekty**
+	- válec, kvádr, kužel, koule, ...
+	- snadno vymodelovatelné
+
+**Složité objekty**
+- reprezentovány množinou primitiv (body, úsečky, trojúhelník, čtyřúhelník, ...)
+- mohou vzniknout převodem analyticky vyjádřených objektů
+- mohou vzniknou rotací kolem osy (váza, láhev, hřebík, ...)
+- Beziérův plát - zobecnění Beziérovy křivky (určen 4x4 vrcholy)
+- kvalita na výstupu je určena velikostí primitiv po jejich transformaci na 2D grafiku
+	- využívá se analytických popisů objektů
+	- technika Level of Detail (LOD)
+		- více modelů pro jeden objekt (vybere se nejvhodnější)
+
+**Čtyřúhelníkové sítě**
+- přirozenější pro strojírenství, GIS, ...
+- vrcholy čtyřúhelníku nemusí ležet na rovině
+- pro zobrazení je čtyřúhelník automaticky rozdělen na 2 trojúhelníky
+
+**Trojúhelníkové sítě**
+- množina trojúhelníků
+- trojúhelník zadán třemi vrcholy
+	- může zdegenerovat na úsečku nebo bod
+	- nezdegerovaný korektně reprezentuje rovinu
+- souřadnice ve floatech
+- nejčastěji specifikována dvojicí seznamů
+	- seznam vrcholů
+	- seznam trojúhelníků
+
+**Izolované body a hrany**
+- občas je potřeba do scény přidat izolované body nebo hrany
+- body a hrany mají 0 rozměr
+- je potřeba je
+	- modelovat jako objekty ve 3D s danou velikostí ve fyzických jednotkách
+		- modelování bodů ve 3D
+			- trojúhelník/čtyčúhelník se natáčí k pozorovateli (tzv. billboard)
+			- 3D objekt
+		- modelování hran ve 3D = válec
+	- zobrazit jako překryvnou vrstvu při ve výsledném 2D obrázku
+		- 3D scéna zobrazena, přes výsledný obraz nakresleny 2D objekty
+- 3D grafické knihovny běžně podporují oba přístupy
+
+**Kamera**
+- bod jejího umístění
+- bod, na který se dívá
+- vektor natočení vůči EC (Up)
+- zorné pole - Field of View (FOVx, FOVy)
+- přední ořezová rovina (near clipping)
+	- bližší objekty jsou ignorovány
+- zadní ořezová rovina (far clipping)
+	- vzdálenější objekty jsou ignorovány
+	- urychlení vykreslování
+- typy kamer
+	- ortogonální
+		- kolmé promítání
+		- velikost zobrazení objektu nezávisí na jeho vzdálenosti od kamery
+		- vhodné pro technické zobrazování
+	- perspektivní
+		- paprsky se sbíhají
+		- velikost zobrazení objektu závisí na jeho vzdálenosti od kamery
+		- napodobuje lidské vnímání světa
+- zobrazovaný prostor (view frustum)
+	- kvádr pro ortogonální kameru
+	- komolý jehlan pro perspektivní kameru
+
+#### Zobrazení scény
+
+- různé zobrazovací techniky
+- **drátěný model** (wireframe)
+	- vypočte 2D pozice crcholů
+	- spojí 2D vrcholy 2D úsečkami
+	- nejjednodušší a nejrychlejší
+	- dívám se skrz objekty (můžu s nimi manipulovat)
+- **jednobarevné plošné zobrazení**
+	- zakryté plošky nejsou vidět
+	- 2D obrazce se vyplní jednou barvou
+	- velmi rychlé
+	- vhodné např. pro schématická CAD zobrazení
+	- využívá se v kombinaci se zobrazením obrysových hran
+- **konstantní stínování**
+	- obdoba jako jednobarevné plošné zobrazení
+	- jas trojúhelníků zavislý na dopadajícím světle (je potřeba definovat světla)
+	- velmi rychlé
+
+**Normála**
+- normálový vektor = vektor kolmý k povrchu
+- pro trojúhelníkové sítě ji 3D grafické knihovny vypočítají obvykle samy
+- vrcholy trojúhelníků musá být zadávány v konzistentním pořadí
+	- po/proti směru hodinových ručiček (CW/CCW)
+
+**Světla**
+- důležité pro složitější zobrazovací přístupy
+- pro scénu nezbytné nadefinovat alespoň jeden zdroj světla
+- pro každé se specifikuje jeho barva (obvykle RGB)
+- modely zdrojů světla
+	- **rovnoběžné**
+		- definováno směrem
+		- paprsky na scénu dopadají rovnoběžně
+	- **bodové**
+		- definováno pozicí ve scéně
+		- paprsky se šíří všemi směry od pozice
+	- **kuželové**
+		- reflektor (spotlight)
+		- paprsky se šíří ve směru kužele
+	- **ambientní** (roztýlené)
+		- definováno pouze barvou
+		- přichází ze všech směrů
+		- bez něj jsou části bez světla černé
+
+**Materiály objektů**
+- určují, jak objekt odráží světlo
+- nejčastěji definovány třemi parametry
+	- matný odraz
+		- část dopadajícího světla se pohltí
+		- část se odrazí ve všech směrech
+	- lesklý odraz
+		- část dopadajícího světla se pohltí  
+		- část dopadajícího světla se odrazí dle zákona odrazu
+	- rozptýlený odraz
+		- pracuje pouze s rozptýleným (ambientním) světlem
+
+**Stínování**
+- Goraud [Guró] stínování
+	- také smooth shading
+	- jas barvy se na ploše 2D trojúhelníku mění v závislosti na dopadajícím světle
+- Sofistikovanější stínování
+	- např. Phongovo stínování
+	- náročnost výpočtů na pozadí
+	- není běžně implementováno
+
+**Fotorealistické modelování**
+- **1. možnost**
+	- reálné objekty modelovány velmi jemnou sítí
+	- každý trojúhelník má přiřazenu jednu barvu
+	- vysoce neefektivní
+- **2. možnost**
+	- parametry difúzního odrazu v libovolném bodě trojúhelníku uloženy ve 2D barevné textuře
+	- velmi rychlé a rozšířené
+
+**Textura**
+- mnoho významů a použití
+- pro naše účely: textura = bitmapový obrázek
+- typicky čtvercové o hraně mocniny 2
+	- 128x128, 256x256, 512x512
+- obsahem může být
+	- uměle vygenerovaný obrázek
+	- reálná fotografie
+
+### 3D formáty
+
+**Binární**
+- VTK, OBJ, X (DirectX), ...
+
+**Textové**
+- VTK, OBJ, STL, PLY, COLLADA (.dae), X, X3D, VRML, XAML
+
+Různá složitost formátů
+- některé pouze jeden objekt, jiné celé systémy
+- některé pouze statické scény, jiné dynamické
++ některé formáty požadují kameru jako součást popisu