Znachor/FAV-ZCU

Fork 0

Filip Znachor 247b469959 Úprava poznámek z UPG

2023-05-26 15:00:05 +02:00

8.2 KiB

Raw Blame History

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 (difúzní) odraz
  - část dopadajícího světla se pohltí
  - část se odrazí ve všech směrech
  - často definováno pro každou barvu zvlášť
- lesklý (spekulární, zrcadlový) 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

8.2 KiB Raw Blame History