Ускорители трехмерной графики

Для создания анимированной последовательности трехмерных изображений компьютеру необходимо математически анимировать последовательность кадров между ключевыми позициями. В ключевом кадре определяются специальные точки смещения. У прыгающего мяча, например, есть три ключевые позиции: подскок вверх, падение вниз и соприкосновение с поверхностью. Используя эти позиции в качестве шаблона, компьютер создает промежуточное изображение между разными позициями перемещения мяча, в результате его движение будет отображаться самым естественным образом.

После создания основной последовательности система окрашивает изображения, улучшая тем самым их внешний вид. Самый примитивный метод заполнения называется плоскостным затенением, при котором объект "заполняется" каким-либо однородным цветом. Затенение Гуро - это более эффективная технология, позволяющая присвоить цвет определенным точкам формы. Затем эти точки объединяются, и переход одного цвета в другой становится более плавным.

Более требовательный к вычислительной мощности процессора, но и гораздо более эффективный метод - наложение текстур. Трехмерная программа использует шаблоны или текстуры в качестве небольших растровых карт изображения, которые складываются в форму изображения, что похоже на многократное использование одного образца растровой карты для покрытия рабочего стола Windows. Трехмерная программа имеет возможность изменять внешний вид каждой карты путем использования перспективы и затенения для получения эффекта трехмерности. При добавлении таких эффектов освещения, как туман, направленные тени, отблеск от гладких объектов и др., трехмерная анимация максимально приближается к реальному изображению.

Главной функцией программ создания трехмерной графики является преобразование графических абстрактных объектов в изображения на экране компьютера. Обычно абстрактные объекты включают три составляющие.

Вершины. Задают местоположение объекта в трехмерном пространстве; само их положение задается координатами X, Y и Z.

Примитивы. Это простые геометрические объекты, с помощью которых конструируются более сложные объекты. Их положение задается расположением определяющих точек (обычно вершин). Для конструирования изображений трехмерных объектов при построении примитивов учитывается также эффект перспективы.

Текстуры. Это двухмерные изображения, или поверхности, налагаемые на примитивы.

Программное обеспечение усиливает эффект трех мерности, изменяя вид текстур в зависимости от положения примитива (т.е. расстояния до примитива и его наклона); этот процесс называется перспективной коррекцией. В некоторых приложениях используется другая процедура, называемая отображением MIP; в этом случае применяются различные версии одной и той же текстуры, которые содержат разное количество деталей (в зависимости от расстояния до объекта в трехмерном пространстве). При отображении удаляющихся объектов уменьшается насыщенность и яркость цветов текстуры.

Эти абстрактные математические описания должны быть визуализированы, т.е. преобразованы в видимую форму. Процедура визуализации основывается на жестко стандартизированных функциях, предназначенных для составления выводимого на экран целостного изображения из отдельных абстракций. Ниже представлены две стандартные функции.

Геометризация. Определение размеров, ориентации и расположения примитивов в пространстве и расчет влияния источников света.

Растеризация. Преобразование примитивов в пиксели на экране с нанесением нужных затенений и текстур.

Растровое преобразование. Определение того, какие пиксели экрана покрываются каждым из примитивов.

Обработка полутонов. Цветовое наполнение пикселей с плавными цветовыми переходами между объектами.

Наложение текстур. Наложение на примитивы двухмерных изображений и поверхностей.

Определение видимых поверхностей. Определение пикселей, покрываемых ближайшими к зрителю объектами.

Анимация. Быстрое и четкое переключение между последовательными кадрами движущегося изображения.

Сглаживание. Плавное изменение цветовых границ для сглаживания контуров формируемых объектов.