Технологии трехмерной графики

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Технологии трехмерной графики

2. 3D эффекты

3. Программирование трехмерной графики

4. Перспективы трехмерной графики

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Условно компьютерную графику можно разделить на две категории. Первая - это имитация естественных способов рисования, например “холст, масло”, самая известная программа -- Fractal Design Painter. Вторая категория - это программы моделирования, в которых художник уже не контролирует каждый элемент изображения, лишь определяет композицию и общие законы построения рисунка. О последних и пойдет разговор. Как известно, существуют программы, которые по одному лишь числу могут выдать завораживающую абстрактную картину, однако здесь от художника ничего не зависит. Совсем другое дело - генераторы ландшафтов (landscape generators). На основании сложных математических процедур они позволяют моделировать реальный мир. В отличие от большинства пакетов трехмерной графики, генераторы ландшафтов оперируют понятиями близкими к геодезии и метеорологии. Облака, положение солнца, поверхность суши или гладь моря -- вот составляющие, благодаря которым строятся картины с помощью пакетов такого рода. Пользователь контролирует только время суток, рельеф местности или направление ветра, а программа сама воспроизводит обстановку, которая бы сложилась в реальном мире при данных погодных условиях. Базисом для таких пакетов являются фракталы, описанные ученым из исследовательского центра IBM Бенуа Маидельбротом.

1. ТЕХНОЛОГИИ ТРЕХМЕРНОЙ ГРАФИКИ

Любому человеку, хоть раз пытавшемуся изобразить на листе бумаги нечто в трех измерениях, известно, что искомый эффект получается путем соответствующих проекций характерных линий объекта на плоскость и использованием плавных цветопереходов (тени). В данном отношении черный экран монитора ничем не отличается от белого листа бумаги. Единственная сложность состоит в том, что анреально квакающий монстрик должен иметь несколько более сложные очертания, чем куб, и быстро перемещаться по экрану, желательно интенсивно размахивая несколькими конечностями. Причем большинству монстров присущ инстинкт коллективизма, -- стадами любят ходить. С этой, кок оказалось, достаточно нетривиальной задачей любимый “писюк” справляется следующим образом. Собственно “третий D” (D от Dimension -- “измерение”) объекта непростой формы получают путем создания его полигональной модели. В ней поверхность подопытного разбивается на многоугольники (Poligons), путем сопряжения которых и вырисовывается каркас объекта, от тиранозавра до хлопка взрыва. Вообще говоря, “многоугольник” -- это слишком громко сказано. В подавляющем большинстве случаев за основу берут всего лишь треугольники (достигается максимально возможная стандартизация обработки разнообразных каркасов).

За создание каркаса отвечает центральный процессор: он вычисляет вершины треугольников, а затем соединяет их прямыми отрезками. Расчет производится от точки зрения наблюдателя, которая не всегда совпадает с центром экрана. От размера стороны треугольника зависит и точность, реалистичность прорисовки элемента сцены. Перемещение любого объекта осуществляется путем переопределения координат вершин. Эта операция требует огромных вычислительных ресурсов процессора: чем более реальное пытаемся получить изображение, тем больше точек приходится рассчитывать. Все такие расчеты выполняются над действительными число-ми (числами с плавающей точкой) в специальном блоке процессора -- FPU (Floating Point Unit). Именно от производительности этого блока в основном зависит скорость прорисовки объекта.

Поскольку за зрелища народ платит довольно охотно, фирмы-разработчики процессоров именно в этой области особо рекламируют достоинства своих детищ. Сегодня реально существует лишь одна технология, разработанная с предельным вниманием к проблеме вычислений для 3D-- 30now! от AMD. Intel пока только усиленно анонсирует процессор с подобной технологией -- Katmai. Однако процессоры Pentium изначально превосходили своих конкурентов в области “плавающих” вычислений, что позволяет им прекрасно справляться со всеми расчетами.

2. 3D ЭФФЕКТЫ

Наверное, одним из самых важных эффектов является возможность реакции объекта на источники света (с учетом точки расположения наблюдателя). За освещенность отвечают сразу несколько эффектов, имеющих собственные названия.

Расчет тени -- Shading -- возможен как применительно к площади, так и для каждой вершины отдельно. Последний вариант, естественно, при больших затратах ресурсов дает лучшие результаты. Собственно “тень” получается путем изменения яркости цвета. При повершинном ее расчете цветопереходы будут более плавными.

Однако поверхности в реальной жизни не только поглощают свет, создавая тени, но и отражают его, блестят. В 3D аналогичного результата достигают при помощи эффекта Environment Mapping. Перемещение затененных и блестящих участков по поверхности объекта позволяет создать более реалистичное изображение движения. Поскольку определенный “блеск” может соответствовать каждой текстуре, то комбинирование таких текстур создаст еще более впечатляющие эффекты.

Для придания изображению поверхности объекта рельефности, используют эффект Bump Mapping. Его сущность заключается в вычислении для точек поверхности значений их углубления/выпуклости относительно общего уровня. При расчете освещенности после этого эффекта выступающие точки получаются более ярким цветом, а во впадинах, соответственно, более темными. Добавление каждой точке дополнительного признака при вычислениях достаточно сильно их замедляет.

За влияние источников света отвечают эффекты Lens Flaring и Lens Reflection. Последний позволяет реалистично показать ветровое стекло автомобиля или иллюминаторы Вашего транспортного средства. А обозначение таких стекол жизненно важно для того, чтобы как можно явственнее ощутить попадание в стекло камня или пули, ослепление солнечным светом на крутом вираже жизни.

Следующими по важности после Световых следует поставить эффекты коррекции цвета. Эффект Antialising производит сглаживание “лестницы” при попиксельном представлении линий за счет вычисления среднего значения цвета между цветами линии и фона. Это, скорей всего, самый “энергоемкий” эффект.

Билинейная фильтрация (Bilinear filtering) решает аналогичную проблему “лестницы” для текстур. Для подопытного элемента текстуры выбираются соседи, усреднением цвета которых и получают искомый результат. Билинейной же она называется потому, что складываются цвета четырех соседей следующим образом: (а+б)+(с+д). Однако возможно обобщение и для восьми элементов (трилинейная), фильтрация может, как увеличить качество изображения, так и сделать его размытым. Трилинейная фильтрация часто используется при коррекции изображения перспективы (коррекция как таковая тоже может выступать самостоятельным эффектом).

В следующую группу можно выделить атмосферные эффекты и эффекты прозрачности.

Fogging (depth cueing) -- “туман (дымка)” моделирует, как видно из названия, туман, дымку, сумерки. Очень вожен для реалистичного отображения сцен, происходящих на открытых пространствах, на “свежем” воздухе (пока не закоптили дымом выстрелов), Также часто используется для уменьшения объемов вычислений путем ограничения видимости: удаленные в дымку объекты можно прорисовывать с меньшей тщательностью.

За прозрачность отвечают два эффекта - Alpha Blending и Color Keying. Последний определяет частичную прозрачность текстуры. Обычно применяется для изображения разнообразных зеленых, или как там повезет с цветом, насаждении. За редкими кустами враг не спрячется от прицельного огня, а бить по пло­щадям через непрозрачные пальмы -- бессмысленная трата боеприпасов. При использовании Alpha Blending каждой точке текстуры ставится в соответствие дополнительное значение (в который раз уже1), определяющее прозрачность пикселя. Чаще всего это 8 бит. В основном этот эффект применяется для изображения стекло, огня, воды -- как текучей (река), так и “летучей” (дождь). В последнее время больше значения придается именно прозрачности тех элементов сцены, которые прозрачны по своей природе. Согласитесь, лучше с берега увидеть акулу в пруду, чем прыгать туда в надежде “вдруг чего найду”. В таком случае чаще всего отыщешь неприятности. В прозрачной воде акулу можно пристрелить еще с берега, а потом спокойно принять водные процедуры.

Большая группа эффектов призвана значительно снизить затраты, привнесенные предидущими.

С палитрами работают эффекты Dithering (сжатие палитры) и Palletized texture support. Первый позволяет уменьшить глубину цвета для удаленных объектов. При приближении данной текстуры все параметры цветности восстанавливаются. Второй эффект заключается в индексировании цветов палитры, используемых в текстуре. Как правило, количество необходимых цветов относительно невелико. Индексация позволяет хранить больше текстур в памяти видеоакселеротора.

Для обеспечения плавной смены изображений следующий кадр рассчитывается во время отображения текущего, и помещается в буфер -- Buffering. Количество буферов зависит от ряда параметров -- разрешения, глубины цвета, доступной памяти видеокарты.

На различном удалении от наблюдателя можно использовать разные степени разрешения текстур -- все равно никто не заметит. Такой эффект называется MIP Mapping, при котором одна и та же текстура рассчитывается для розных разрешений. Как его недостаток можно отметить изредка возникающие проблемы при переходе от одного разрешения к другому.

Z-Buffering (Z-буферизация) -- каждому пикселю соответствует расстояние от плоскости экрана, координата Z, которая запоминается в специальном буфере. Для всех точек с одинаковыми Х и Y прорисовывается только ближайшая, определенная по координате Z.

Прочитав о разнообразных эффектах, спросим себя: “А зачем мы это делали, а?”. Просто во многих играх пользователь может включать/выключать разнообразные эффекты. Тот, кому уже до потери сознания надоело настраивать продукты от дяди Билла (не Клинтона!), но потребность вошла в привычку, мо­жет получить удовольствие “два в одном”, настраивая трехмерные игры.

После просчета всех эффектов надо бы все это как-то нарисовать. Подобная операция называется рендерингом -- Rendering -- перенос всех расчетов на плоскость и вывод на экран. Эту, достаточно длительную операцию. Вам поможет сделать видеокарта (именно карта, а не акселератор),

3. ПРОГРАММИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ ГРАФИКИ

Для программирования трехмерной графики сегодня создан ряд специализированных API (Application Programming Interface), в состав которых и входят вышеописанные эффекты и методы. Если аппаратура поддерживает данные эффекты -- прекрасно, нет -- будет мучиться процессор. Все интерфейсы можно раз­делить на две группы: созданные фирмами под аппаратуру собственной разработки (ЗDfх Glide для Voodoo) и под аппаратуру “общего пользования”, не учитывающие различий графических адаптеров, таких как OpenGL (разработка Silicon Graphic”) и Dlrect3D (DirectX, Microsoft). Недавно появилась шестая версия последнего стандарта, которая имеет все основания стать стандартом в индустрии. Обычно поддерживается один или два интерфейса. Причем в зависимости от интерфейса можем получить не только разницу в цвете, но даже разные сценарии.

Платы ATI традиционно пользовались репутацией недорогих универсальных изделий, которые ориентированы скорее на удовлетворение потребностей “среднестатистического” пользователя, чем на запросы любителей трехмерных компьютерных игр и немногочисленной группы профессионалов, которые предъявляют чрезвычайно высокие требования к графической подсистеме ПК. Иными словами, обладая хорошим соотношением: цена/качество, платы ATI оставались изделиями массового спроса со средними, по современным меркам, показателями производительности при операциях трехмерной графики -- весьма существенный недостаток, учитывая популярность трехмерных игр. Кроме того, пользователи плат ATI сталкивались еще с одной проблемой -- отсутствием драйверов OpenGL, требующихся для игры Quake и ее клонов.

Выпуском новый версий системного ПО для своих графических плат компания ATI попыталась решить обе проблемы. В комплект входит так называемый Turbo-драйвер, предназначенный для ускорения программ, ориентированных на стандарт Direct3D и драйвер OpenGL. Модуль OpenGL, который предлагается пользователям, -- это не полнофункциональная реализация этого стандарта, а всего лишь мини-драйвер, рассчитанный на применение только в играх, более того, только в играх на базе графического ядра Quake (Quake, Hexen II, Quake 2).

Модернизация системы оказалась достаточно простой процедурой. Новые драйверы были испытаны на двух системах на базе Pentium II с тактовой частотой 233 МГц и обычного 166-МГц Pentium. Мы сравнивали РСI- и AGP-версии платы ATI XPERT@Play, причем для минимизации влияния емкости ОЗУ на тесты оба компьютера были оснащены 64-Мбайт ОЗУ (SDRAM и EDO). Мы использовали тест 3D Winbench 98 и ряд прикладных программ как для Direct3D, так и для OpenGL. В обеих системах мы применяли платы с 4-Мбайт ОЗУ -- на сегодня стандартное значение емкости видео ОЗУ для графических ускорителей среднего класса.

Показатели системы на базе обычного Pentium после модернизации существенно не изменились, -- оценка по тесту 3D Win-Bench составила 187 баллов, что всего на 8,5% больше, чем до модернизации. Скоростные характеристики при подключении различных спецэффектов также увеличились весьма незначительно -- от 7 до 10%. Похожие результаты были получены и на тестах с ПК на базе процессора Pentium II, причем, несмотря на возрастание абсолютной величины оценок, их соотношение не изменилось.

Тем не менее, в целом результаты плат ATI по тесту 3D WinBench оказались весьма достойными -- для сравнения, оценки плат на базе наборов микросхем Voodoo и Riva составили 382 и 545 баллов для Pentium II и 179 и 152 для системы на базе Pentium/166.

В реальных программах мы не заметили существенного увеличения производительности. Так, например, на тесте Х скорость увеличилась от 57,8 до 59,8, а в Turok: Dinosaur Hunter --от 27 до 32 кадр/с. При этом качество изображения было вполне удовлетворительным во всех играх, кроме последней, что связано с особенностями взаимодействия игры и драйверов.

Скорость работы платы в играх OpenGL также оставляет желать лучшего -- всего 7,2 кадр/с в игре Quake II (при “прогоне” встроенного демо-ролика demo2) и 9,7 кадр/с -- в игре Hexen II. Качество изображения в Quake II оказалось достаточно хорошим, все спецэффекты были реализованы без ошибок, в отличие от Hexen II, где мы отметили отсутствие фильтрации текстур, что привело к пикселизации объектов.

Тесты качества показали, что главное отличие новых драйверов -- оптимизация процедур mip-отображения (они используются для того, чтобы улучшить качество трехмерных сцен за счет нескольких наборов текстур, которые используются для рисования объекта в зависимости от степени удаленности наблюдателя). Переходы между уровнями (величина расстояния, при которой не изменяется текстура, выбранная для, отображения объекта) стали менее заметными, и в целом процедура реализована корректнее.

Обновленное программное обеспечение плат ATI не изменяет расстановку сил на рынке графических ускорителей, -- графические адаптеры ATI по-прежнему остаются изделиями среднего уровня, которые, однако, обладают хорошим соотношением “цена/качество”. Мы считаем, что установка новых драйверов вполне оправданна, хотя быстродействие видеоподсистемы возрастает не настолько значительно, как того можно было ожидать. Обновление системного ПО может продлить срок “жизни” имеющейся видеоплаты с набором микросхем Rage Pro, однако если вам нужна мощная игровая система, то учтите, что “запас прочности” плат ATI невелик и их производительность может оказаться недостаточной для тех игр, которые должны появиться совсем скоро. НПО "Техника-сервис", Газетный пер., дом 9, стр. 7, эт. 3,4; тел. 202-1458, факс 291-8707, www.ts.ru.

4. ПЕРСПЕКТИВЫ ТРЕХМЕРНОЙ ГРАФИКИ

Предсказания в области вычислительных технологий дело весьма неблагодарное, ведь изначально на рынке присутствует несколько монополистов. Но поскольку на рынке трехмерных ускорителей конкуренция с каждым днем усиливается, -- следует ожидать перехода к одному игровому стандарту. Поживем, -- увидим...

Чипсеты производства 3Dfx Interactive, несмотря на сильное давление со стороны других игроков рынка, были и остаются самыми производительными, что и обеспечивает их непреходящую популярность. Однако при всех достоинствах карты на базе Voodoo Graphics и Voodoo2 обладают серьезным недостатком - они являются чистыми ЗD-акселераторами, которые необходимо подключать к основной видеокарте. Таким обрезом, рынок готовых компьютеров до сих пор оставался “неохваченным”. В самом деле, мало кто из сборщиков рискнул устанавливать в компьютер две видеокарты, значительно повышая стоимость всей системы. Попытка завоевать этот сегмент рынка с помощью чипсета Voodoo Rush была неудачной, поскольку в таких картах и 20-составляющая не обладала особыми достоинствами, и Rush существенно проигрывал Voodoo Graphics по скорости.

Спустя год после выхода Voodoo Rush компания 3Dfx Interactive предприняла новую попытку, выпустив 2D/3D-BK-селератор Voodoo Banshee, о карте на базе которого, Creative Blaster Banshee.

Акселератор оснащен 16 MB памяти и существует в двух вариантах: для шин РСI и AGP. В нашем распоряжении оказалась PCI-версия. В retail-поставку, кроме собственно акселератора и CD-ROM с драйверами и утилитами, входит полная версия игры Incoming. С установкой карты не возникло никаких проблем, правда, мы посоветовали бы загрузить последние версии драйверов из Internet - обычно в первые месяцы после выхода продукта обновленные драйверы включают серьезные усовершенствования, в первую очередь расширенные возможности настройки, а также общее увеличение производительности.

Качество изображения в Windows (2D-cocтaвляющaя) оказалось на удивление хорошим. Четкая картинка на высоких разрешениях (максимальное значение 1920х 1440) и насыщенные цвета доказали, что заявления 3Dfx об отличной 2D-графике не были рекламным трюком. Для настройки монитора Creative предлагает утилиты Colorific for Windows (для работы в Windows) и 3Deep (для трехмерных игр). С их помощью можно провести довольно быструю и легкую настройку яркости, контрастности и цветовой гаммы.

Перейдем к ЗD-составляющей. Акселератор поддерживает следующие API: Glide, OpenGL, Direct3D. Максимальное разрешение 1600 х 1200 с включенным 16-битовым Z-буфером. Недостатком Banshee как 3D-aKceAepaTOpa является отсутствие поддержки мультитекстурирования. Отказавшись от дополнительного текстурного процессора, 3Dfx удалось значительно снизить стоимость карты. Обратной стороной медали оказывается уменьшение производительности в играх, поддерживающих мультитекстурирование, например в Quake 2 и Unreal. Забегая вперед, отметим, что это оказалось справедливо лишь для Quake 2, поскольку в Unreal после установки патча 2.19 (в числе прочих усовершенствований имеется и улучшенная поддержка Banshee) производительность нового чипсета была не ниже, чем у Voodoo2. Еще один недостаток - неполная совместимость со старыми Glide-играми. Справедливости ради следует сказать, что аналогичная ситуация была весной этого года с Voodoo2 -- определенное количество старых игр отказывались работать на новом чипсете. Однако в течение пары месяцев все уладилось: новые игры распознавали Voodoo2 без проблем, к старым хитам выпустили соответствующие патчи, а остальные игры благополучно канули в Лету. То же самое, без сомнения, произойдет с Banshee.

Мы решили сравнить видеокарту Creative Blaster Banshee с Creative 3D Blaster Riva TNT и Diamond Monster 3D II. Тестирование проводилось на компьютере следующей конфигурации: Р11-233/Р11-300 MHz, материнская плата Intel SE440BX, 128 MB SDRAM PC100, жесткий диск Quantum Fireball ST6.4A. При тестировании Diamond Monster 3D II в качестве основной видеокарты устанавливался Diamond Stealth 3D 4000 Pro Turbo. Для тестов использовались: Quake 2 V.3.19 (demo1.dm2). Forsaken (демо Nuke), Unreal V.2.19 (с помощью патча timedemo.02, измеряющего производительность на заставке Nali castle).

Все настройки устанавливались из расчета на максимальное быстродействие -- отключалась вертикальная синхронизация и ресурсоемкие спецэффекты (например, antialiasing), снижалось качество рендеринга. Тут же заметим, что драйверы Creative Blaster Riva TNT обладают большими возможностями настройки, чем имевшиеся у нас драйверы Diamond Viper V550, что и позволило значительно повысить производительность Creative Blaster, по сравнению с Viper V550 в Direct3D-nrpax. В итоге, в Forsaken Riva TNT показала наивысшее быстродействие. Это еще раз подтвердило, что семейство Voodoo не лучшим образом поддерживает DirectSD. Banshee находится наравне с Diamond Monster 3D II, минимально отставая от него на некоторых разрешениях. На Quake 2 ситуация кардинально изменилась - здесь несомненным лидером был и остается Voodoo2. Возможно, отставание от него Banshee объясняется “сыростью” драйверов, а именно -- мини-порта для OpenGL. Настоящей же неожиданностью оказались результаты, полученные на Unreal. Здесь Banshee не только не уступал, но временами и обгонял “монстра”, несмотря на отсутствие мультитекстурирования - либо его реализация в Unreal оставляет желать лучшего, либо просто переоценивается роль этого спецэффекта в повышении производительности. Однако факт остается фактом: как по скорости, так и по качеству изображения ни на Р11-233, ни на Р11-300 особых отличий от Monster 3D II замечено не было. В то же время игра в разрешении 1024 х 768 смотрелась просто великолепно.

Voodoo Banshee работает на частоте 100 MHz, но есть возможность его разгона до 110 MHz. Сразу заметим, что даже в номинальном режиме чипсет ощутимо греется, а жестко прикрепленный радиатор не позволяет установить дополнительный вентилятор. Так что выше 110 MHz мы разгонять акселератор не стали, хотя есть данные, что некоторым “умельцам” удавалось достичь частоты 120 MHz (правда, при этом наблюдалась неустойчивая работа). Разгон не­значительно повышает производительность (в среднем на 5-10%) во всех играх, прирост оказывается большим на высоких разрешениях, а также при установке более быстрого процессора.

Riva TNT тоже имеет запас по частоте (по умолчанию выставлено 110 MHz, есть возможность разгона до 130 MHz), однако прирост производительности уменьшается, да и Forsaken в разрешении 800 х 600 и выше зависал через пару минут после старта демо-записи. Так что разгонять акселераторы на базе Riva TNT мы бы не советовали.

Общий вывод о Banshee по итогам тестирования можно сделать следующий: на Glide и Direct3D-nrpax производительность находится практически на уровне Voodoo2, отставание наблюдается лишь в OpenGL Результат, мягко говоря, неожиданный, поскольку было опасение, что Banshee станет аналогом пресловутого Voodoo Rush. К счастью, этого не произошло.

Подытоживая вышеприведенное, можно сказать, что 3Dfx Interactive удалось, наконец, выпустить отличный 2D/3D-чипсет по приемлемой цене, который способен серьезно изменить расстановку сил на этом секторе рынка графических акселераторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Компьютерная графика - эта та область информационных поколений, которую ученикам хочется реально увидеть, а не слушать разговоры о ней. Поэтому большое значение имеют демонстрации на компьютере разнообразных продуктов компьютерной графики: красочных рисунков, схем, чертежей, диаграмм, образцов анимационной и трехмерной графики. Следует обратить внимание учеников на то, что любимые многими из них компьютерные игры в большинстве имеют графический интерфейс, причем достаточно сложный. Благодаря существовании прикладных графических пакетов компьютерная графика стала доступна широкому курсу пользователя.

Работа с компьютерной графикой - одна из самых популярных направлений использования персонального компьютера. Для сферы обучения средства компьютерной графики открывают принципиально новые возможности: в процессе анализа изображений учащиеся могут динамически управлять их содержанием, формой, размерами и цветом, добиваясь наибольшей наглядности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ефимова О., Морозов В., Шафрин Ю. Курс компьютерной технологии. Издание 3-е дополненное и переработанное. Том 1,2. М- 1998г.

2. Ефимова О., Моисеев М., Шафрин Ю. Практикум по компьютерной технологии. - М.,1997

3. Кузнецов Е. Ю., Осман В. М. Персональные компьютеры и программируемые микрокалькуляторы: Учеб. пособие для ВТУЗов - М.: Высш. шк. - 1991 г.

4. Мэнсфилд Р. WINDOWS'95 для занятых. - Санкт-Петербург., 1997.

5. Растригин Л. А. С компьютером наедине - М.: Радио и связь, - 1990 г.

6. Степанова А. Н. Информатика. Питер - 2003.

7. Стинсон К. WINDOWS'95.-М., 1997.

8. Тестов, В. А. Стратегия образования в современных условиях/ В. А. Тестов// Педагогика. - 2005.

9. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователей. М.:ИНФРА,1997г.

10. Фигурнов В.Э."IBM PC для пользователя". - М.: ИНФРА-М, 1995.

11. Журнал «Информатика и образование» 2003-№3