Изучение порядка создания объемного изображения в видеокарте

 

Практическое занятие № 7

«Изучение порядка создания объемного изображения в видеокарте»

 

Цель работы: изучить способ синтеза трехмерного изображения в видеокарте.

 

Образовательные результаты, заявленные в ФГОС:

Студент должен

уметь:

подключать дополнительное оборудование и настраивать связь между элементами компьютерной системы;

выбирать компоненты компьютерной системы в зависимости от решаемых задач;

 

знать:

процессы обработки информации на всех уровнях компьютерных архитектур;

периферийные устройства компьютерных систем.

 

Графическая плата (графическая карта, видеокарта, видеоадаптер) – устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора. Основной частью современной графической платы является графический процессор (Graphic Processor Unit - графическое процессорное устройство). Он занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Отличительными особенностями от ЦПУ являются: архитектура, максимально нацеленная на увеличение скорости расчета текстур и сложных графических объектов; ограниченный набор команд.

В состав современного графического процессора входят два графических ускорителя (акселератора): 2D-акселератор и 3D-акселератор.

2D-акселератор предназначен для обработки двухмерных графических данных, реализует аппаратное ускорение таких функций, как прорисовка графических примитивов, перенос блоков изображения, масштабирование, работа с окнами, мышью, преобразование цветового пространства.

3D-акселератор предназначен для обеспечения возможности видеть на экране проекцию виртуального динамического трехмерного объекта. Такой объект необходимо сконструировать, смоделировать его объемное изображение, т.е. задать математическую модель объекта в трехмерной системе координат, аналитически рассчитать всевозможные зрительные эффекты (угол падения света, тени и т.п.), а затем спроецировать трехмерный объект на плоский экран.

Синтез 3D-изображения объекта строится по модели, называемой 3D-конвейером. Выделяют следующие основные этапы 3D-конвейера:

1. Построение геометрической модели поверхности объекта путем задания трехмерных координат его опорных точек и уравнений, соединяющих их линий. Полученная геометрическая модель представляет собой так называемую каркасную модель объекта.

2. Разбиение поверхности полученного объекта на элементарные плоские элементы (прямоугольники или треугольники) - тесселяция или триангуляция. Это приводит к тому, что поверхность объекта представляет собой совокупность плоских граней. Чем больше число и меньше размеры многоугольников, тем точнее воспроизводится поверхность объекта.

 

Рисунок 7.1 - Тесселяция объекта при помощи треугольников (триангуляция)

 

3. Моделирование движения объекта - его перемещение, вращение, изменение размеров и формы - сводится к стандартному преобразованию координат вершин отдельных граней многоугольников и реализуется путем выполнения множества алгебраических операций.

4. Расчет освещенности и затемнения объекта производится в два этапа. Сначала выполняется расчет освещенности каждого элементарного многоугольника с учетом его удаленности от источника света и угла падения светового луча. Чтобы поверхность не выглядела состоящей из множества отдельных плоских граней, применяют методы затемнения, т.е. дополнительно производят интерполяцию значений освещенности, позволяющую плавно изменять освещенность каждой грани и скрыть резкие переходы между ними.

Рисунок 7.2 - Изображение, рассчитанное без использования интерполяции

и с использованием затемнения

 

5. Проецирование синтезированного трехмерного объекта на плоскость экрана - первое, предварительное преобразование трехмерного объекта в совокупность двухмерных. При этом в буфере сохраняется совокупность данных о расстоянии каждой из вершин элементарного многоугольника до плоскости проецирования. Это позволяет в дальнейшем определить, какие части объекта окажутся видимыми, а какие - нет.

6. Обработка данных о вершинах элементарных многоугольников, полученных на предыдущих этапах, заключающаяся в преобразовании формы представления координат вершин из чисел с плавающей точкой в целые, а также в сортировке вершин.

7. Удаление скрытых поверхностей, т.е. исключение из проецирования тех элементов поверхности, которые оказываются невидимыми с точки наблюдения.

8. Закраска элементарных многоугольников - текстурирование. Текстура - это изображение участка поверхности объекта, которое хранится в виде квадратной растровой картинки, состоящей из текселов (texel - texture element). После наложения текстуры каркасная модель как бы покрывается своеобразным покрытием и становится похожей на реальный объект. В процессе текстурирования каждый многоугольник, составляющий каркасную модель, заменяется на элемент текстуры, в значение каждого пикселя двухмерного изображения вычисляется по значению соответствующего тексела текстуры.

При текстурировании производится обработка растровой графики, что приводит к необходимости применять различные приемы коррекции изображения, например, применение текстур с различным разрешением - мипмэппинг. Мипмэппинг, или MIP-текстурирование (MIP - Multum In Parvo - много в одном), применяется для устранения пикселизации при приближении к объекту. Заключается в том, что в памяти акселератора хранятся несколько копий одной и той же текстуры с разным разрешением. В процессе прорисовки близких к наблюдателю поверхностей используются более крупные текстуры, при прорисовке удаленных - более мелкие. Применение мипмэппинга требует значительных объемов памяти акселератора.

9. Моделирование эффектов прозрачности и полупрозрачности заключается в том, что на основе информации о взаимной прозрачности объектов и среды выполняется коррекция цвета пикселей - альфа-смешение и затуманивание.

10. Коррекция дефектов изображения путем сглаживание - антиалиасинг - применяется для устранения дефектов типа «лестничного» эффекта на наклонных линиях, муара. Различают краевой и полный антиалиасинг. Краевой антиалиасинг заключается в усреднении цвета пикселей на краях грани на основе взвешенного суммирования цветов прилегающих граней. Полный или субпиксельный антиалиасинг выполняется с так называемым виртуальным разрешением, которое выше исходного. При этом каждый пиксель представляется состоящим из нескольких виртуальных субпикселей, над которыми производится антиалиасинг. После коррекции восстанавливается исходное разрешение.

11. Интерполяция недостающих цветов используется в том случае, когда в текущем видео режиме для кодирования цвета используется менее 24 бит.

12. Окончательное формирование кадрового буфера - области памяти 3D-акселератора, в которую помещается спроецированное двухмерное изображение. Для ускорения процесса создания изображения используется механизм двойной буферизации, при котором выделяется память для двух смежных кадров: построение следующего кадра начинается до того, как закончится отображение предыдущего. В результате обеспечивается более плавная смена кадров.

13. Постобработка применяется в том случае, когда требуется реализовать какие-либо двухмерные эффекты над подготовленным кадром как единым целым.

Этапы 1 – 6 3D-конвейера образуют его геометрическую стадию. Этапы 7 - 13 образуют стадию прорисовки объекта, или стадию рендеринга.

Программным интерфейсом для 3D-акселераторов служит интерфейс прикладного программирования (Application Program Interface - API), который занимает промежуточное положение между высокоуровневыми прикладными программами и низкоуровневыми командами различных 3D-акселераторов и обеспечивает эффективное преобразование запросов прикладной программы в оптимизированную последовательность низкоуровневых команд. Существует несколько платформ API, отличающихся областями применения, например, DirectX, OpenGL.

 

Задания для практической работы

 

1 Составить таблицу с указанием основных этапов создания объемного изображения и действий, производимых на каждом этапе.

 

Контрольные вопросы

 

1 Каково назначение графического ускорителя?

2 Что входит в стадию рендеринга изображения?

3 Каково назначение DirectX?