Комп'ютерна графіка реального часу або рендеринг у реальному часі - підрозділ комп'ютерної графіки зосередженої на створені і аналізі зображень в реальному часі. Термін частіше всього вживається щодо тривимірної комп'ютерної графіки, як правило, з використанням графічного процесору, у відео іграх що мають найбільш помітних користувачів. Термін може стосуватися будь-чого - від рендерингу графічного інтерфейсу користувача (GUI) програми до аналізу зображень у реальному часі, але зазвичай використовується для позначення інтерактивної 3D-графіки. Найчастіше використовується для позначення комп'ютерної графіки. Прикладом цього поняття є відеоігри, які швидко відтворюють мінливе 3D-середовище та створюють ілюзію руху.
Огляд
Ця стаття належить до виконання рендеринга-обчислень досить швидко, тому ряд візуалізованих зображень викликають ілюзію руху в людському мозку користувача. Ця ілюзія дозволяє взаємодіяти з програним забезпеченням, що робить розрахунки. Одиниця, яка використовується для вимірювання частоти кадрів в секунду (FPS). Розглянуто різні методи візуалізації існують, наприклад: трасування променів і растрування.
З моменту свого винаходу комп'ютери змогли генерувати 2D-зображення, такі як прості лінії, зображення та полігони, в режимі реального часу. Однак традиційні системи, засновані на архітектурі фон Неймана, мали труднощі з відтворенням детальних 3D-об'єктів на високій швидкості. Першим обхідним шляхом стало використання спрайтів - 2D-зображень, які можуть імітувати тривимірну графіку.
Сьогодні існують різні техніки рендерингу, такі як трасування променів та растеризація. Використовуючи ці методи та сучасне обладнання, комп'ютери тепер можуть рендерити зображення досить швидко, щоб створювати ілюзію руху, приймаючи при цьому вхідні дані від користувача. Це означає, що користувачі можуть реагувати на зображення в реальному часі, створюючи інтерактивний досвід.
Хоча від початку, комп'ютери відомі здатністю до генерації двовимірних зображень, включаючи прості лінії малюнки і полігони в реальному часі (наприклад Алгоритм Брезенхейма для побудови прямої), створення тривимірної комп'ютерної графіки і швидкість необхідна для створення, хороша якість тривимірного зображення на дисплеї завжди було непростим завданням для традиційної архітектури на основі систем фон Неймана. Далі ця стаття зконцетрована на загальноприйнятих аспектах комп'ютерної графіки реального часу.
Принципи комп'ютерної тривимірної графіки реального часу
Основна стаття: 3D комп'ютерна графіка
Метою комп'ютерної графіки є створення комп'ютерних зображень, або кадрів, з використанням певних бажаних метрик. Однією з таких метрик є кількість кадрів, створених за секунду. Системи комп'ютерної графіки в реальному часі відрізняються від звичайних систем рендерингу (тобто не в реальному часі), тоді як графіка в нереальному часі зазвичай покладається на трасування променів. У цьому процесі мільйони або мільярди променів простежуються від камери до навколишнього світу для детальної візуалізації.
Графічні системи реального часу повинні рендерити кожне зображення менш ніж за 1/30 секунди. Оскільки трасування променів є надто повільним для таких систем, використовується техніка растеризації трикутників з використанням z-буфера. У цій техніці кожен об'єкт розкладається на окремі примітиви (зазвичай трикутники). Кожен трикутник позиціонується, обертається і масштабується на екрані, а апаратне забезпечення растеризатора (або програмний емулятор) генерує пікселі всередині кожного трикутника. Потім ці трикутники розбиваються на атомарні одиниці, так звані [en], придатні для відображення на екрані дисплея. Фрагменти наносяться на екран за допомогою кольорів, які розраховуються в кілька етапів. Наприклад, текстура може бути використана для "малювання" трикутника на основі збереженого зображення, а мапування тіней може змінити колір трикутника відповідно до лінії зору на джерело світла.
Дивіться також: Рівень деталізації (комп'ютерна графіка)
Графіка для відеоігор
Графіка в реальному часі оптимізує якість зображення відповідно до часових і апаратних обмежень. Графічні процесори та інші досягнення покращують якість графіки в реальному часі: графічні процесори можуть обробляти мільйони трикутників за кадр, а новітнє апаратне забезпечення DirectX 11/OpenGL 4 .x можуть генерувати складні ефекти, такі як [en], розмиття руху та генерацію трикутників у реальному часі. Розвиток графіки в реальному часі проявляється в поступовому покращенні якості між реальною графікою ігрового процесу та попередньо відрендереними сценами, які традиційно зустрічаються у відеоіграх . Сцени зазвичай рендериться у реальному часі і можуть бути інтерактивними. Хоча розрив у якості між графікою у реальному часі та традиційною офлайн-графікою скорочується, офлайн-рендеринг залишається набагато точнішим.
Переваги
Ще одна цікава відмінність між графікою реального часу і не графікою реального часу є інтерактивність. Зворотній зв'язок, як правило, є основною мотивацією для покращення графіки реального часу. У подібних випадках як з фільмами, режисер має повний контроль і детермінізм, над тим що повинно бути відображеним на кожному кадрі.
У разі інтерактивної комп'ютерної графіки реального часу, як правило, користувач контролює те, що має бути намальованим на екрані дисплея; користувач зазвичай використовує пристрій введення для забезпечення зворотного зв'язку з системою, наприклад, бажаючи перемістити символ на екрані і система визначає наступний кадр, заснований на цій конкретній дії. Зазвичай дисплей набагато повільніше (з точки зору кількості кадрів в секунду) в чуйності, ніж пристрій введення (з точки зору часу відгуку). У певному сенсі це виправдано через величезну різницю між нескінченно малим часом відгуку, що генерується за рахунок людини і дуже повільною швидкістю перспективної людино-візуальної системи; це призводить до значних досягнень в комп'ютерній графіці, в той час як досягнення в області пристроїв введення зазвичай займає набагато більше часу, щоб досягти того ж стану фундаментального прогресу (наприклад, поточний Wii Remote), так як ці пристрої введення повинні бути дуже швидкими, щоб бути у використанні.
Ще один важливий фактор, який контролює комп'ютерну графіку реального часу є поєднання [en] і анімації. Ці методи багато в чому визначають те, що повинно бути відображено на екрані, або, точніше, де створити певні об'єкти (Ухвалення рішення їх позиції) на екрані. Ці методи імітують поведінку (часовий вимір, а не просторові розміри) видиму в реальному світі.
Конвеєр рендерингу
Конвеєр рендерингу графіки ("rendering pipeline" або просто "конвеєр") є основою графіки в реальному часі. Його основна функція - рендеринг 2D-зображень відносно віртуальних камер, 3D-об'єктів (об'єктів, що мають ширину, довжину і глибину), джерел світла, моделей освітлення і текстур.
Архітектура
Архітектуру конвеєра рендерингу в реальному часі можна розділити на концептуальні етапи: застосування, геометрія та растеризація.
Етап подання заявки
Етап застосування відповідає за створення "сцени", тобто 3D-середовища, яке з'являється на 2D-дисплеї. Цей етап реалізується розробником у програмному забезпеченні, яке оптимізує продуктивність. Окрім обробки користувацького вводу, цей етап може також обробляти виявлення зіткнень, технологію прискорення, анімацію та зворотний зв'язок за силою.
Виявлення колізій є прикладом операції, що виконується на етапі застосування. Виявлення зіткнень використовує алгоритми для виявлення та реагування на зіткнення між (віртуальними) об'єктами. Наприклад, програма може обчислити нові позиції об'єктів, що зіткнулися, і надати зворотний зв'язок через пристрій зворотного зв'язку, наприклад, вібраційний ігровий контролер.
Етап застосування також готує графічні дані для наступного етапу. Сюди входить анімація текстур, анімація 3D-моделей, анімація за допомогою трансформацій і морфінг геометрії. Нарешті, на основі інформації про сцену створюються примітиви (точки, лінії та трикутники), які надсилаються на етап геометрії конвеєра.
Геометричний етап
Основна стаття: Полігональне моделювання
Етап геометрії маніпулює багатокутниками та вершинами, щоб обчислити, що малювати, як малювати і де малювати. Ці операції зазвичай виконуються спеціалізованим апаратним забезпеченням або графічними процесорами. Різноманітність графічного обладнання означає, що "геометричний етап" насправді може бути реалізований як кілька послідовних етапів.
Трансформація моделі та вигляду
Перш ніж фінальна модель буде виведена на пристрій виводу, вона трансформується в декілька просторів і систем координат. Трансформації відбуваються шляхом переміщення об'єктів і зміни їхніх вершин. Трансформація - це збірний термін для чотирьох конкретних способів маніпулювання формою і положенням точки, лінії або фігури.
Освітлення
Щоб зробити модель більш реалістичною, під час трансформації зазвичай розміщують одне або кілька джерел світла. Однак цей крок можна виконати, лише якщо 3D-сцену попередньо перетворено у видовий екран. У вікні перегляду спостерігач (камера) зазвичай розміщується на початку координат. Якщо використовується права система координат (вважається стандартною), спостерігач дивиться в напрямку від'ємної осі z з віссю y, спрямованою вгору, і віссю x, спрямованою праворуч.
Проекція
Основна стаття: Графічна проекція
Проекція - це перетворення, яке використовується для представлення 3D-моделі у 2D-просторі. Два основних типи проекції - ортогональна проекція (також відома як паралельна проекція) і перспективна проекція. Основною характеристикою ортогонального проектування є те, що паралельні лінії залишаються паралельними після перетворення. Перспективна проекція використовує концепцію, згідно з якою зі збільшенням відстані між спостерігачем і моделлю, модель здається меншою, ніж раніше. По суті, перспективна проекція імітує людський зір.
Відсікання
Відсікання (комп'ютерна графіка) - це процес видалення примітивів за межі області перегляду для полегшення етапу растрування. Після того, як ці примітиви видалено, решта примітивів втягуються в нові трикутники і відбувається наступний етап.
Екранне відображення
Мета відображення растра - знайти координати примітивів на етапі відсікання.
Етап растеризації
На етапі растрування застосовуються кольори та перетворюються графічні елементи в пікселі або елементи зображення.
Див. також
Зовнішні посилання
- Real-Time Rendering resources page [ 19 Квітня 2021 у Wayback Machine.] – links to many useful resources for 3D computer graphics
- RTR Portal [ 3 Листопада 2017 у Wayback Machine.] – a trimmed-down "best of" set of links to resources
- Max User Videos [ 14 Липня 2013 у Wayback Machine.] – Max/MSP/Jitter can be used to create interactive installations and real-time computer graphics
- Unity [ 14 Березня 2017 у Wayback Machine.]
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Komp yuterna grafika realnogo chasu abo rendering u realnomu chasi pidrozdil komp yuternoyi grafiki zoseredzhenoyi na stvoreni i analizi zobrazhen v realnomu chasi Termin chastishe vsogo vzhivayetsya shodo trivimirnoyi komp yuternoyi grafiki yak pravilo z vikoristannyam grafichnogo procesoru u video igrah sho mayut najbilsh pomitnih koristuvachiv Termin mozhe stosuvatisya bud chogo vid renderingu grafichnogo interfejsu koristuvacha GUI programi do analizu zobrazhen u realnomu chasi ale zazvichaj vikoristovuyetsya dlya poznachennya interaktivnoyi 3D grafiki Najchastishe vikoristovuyetsya dlya poznachennya komp yuternoyi grafiki Prikladom cogo ponyattya ye videoigri yaki shvidko vidtvoryuyut minlive 3D seredovishe ta stvoryuyut ilyuziyu ruhu Virtualna realnist vizualizaciya richki z 2000 rokuVirtualne seredovishe v 2001OglyadCya stattya nalezhit do vikonannya renderinga obchislen dosit shvidko tomu ryad vizualizovanih zobrazhen viklikayut ilyuziyu ruhu v lyudskomu mozku koristuvacha Cya ilyuziya dozvolyaye vzayemodiyati z progranim zabezpechennyam sho robit rozrahunki Odinicya yaka vikoristovuyetsya dlya vimiryuvannya chastoti kadriv v sekundu FPS Rozglyanuto rizni metodi vizualizaciyi isnuyut napriklad trasuvannya promeniv i rastruvannya Z momentu svogo vinahodu komp yuteri zmogli generuvati 2D zobrazhennya taki yak prosti liniyi zobrazhennya ta poligoni v rezhimi realnogo chasu Odnak tradicijni sistemi zasnovani na arhitekturi fon Nejmana mali trudnoshi z vidtvorennyam detalnih 3D ob yektiv na visokij shvidkosti Pershim obhidnim shlyahom stalo vikoristannya sprajtiv 2D zobrazhen yaki mozhut imituvati trivimirnu grafiku Sogodni isnuyut rizni tehniki renderingu taki yak trasuvannya promeniv ta rasterizaciya Vikoristovuyuchi ci metodi ta suchasne obladnannya komp yuteri teper mozhut renderiti zobrazhennya dosit shvidko shob stvoryuvati ilyuziyu ruhu prijmayuchi pri comu vhidni dani vid koristuvacha Ce oznachaye sho koristuvachi mozhut reaguvati na zobrazhennya v realnomu chasi stvoryuyuchi interaktivnij dosvid Hocha vid pochatku komp yuteri vidomi zdatnistyu do generaciyi dvovimirnih zobrazhen vklyuchayuchi prosti liniyi malyunki i poligoni v realnomu chasi napriklad Algoritm Brezenhejma dlya pobudovi pryamoyi stvorennya trivimirnoyi komp yuternoyi grafiki i shvidkist neobhidna dlya stvorennya horosha yakist trivimirnogo zobrazhennya na displeyi zavzhdi bulo neprostim zavdannyam dlya tradicijnoyi arhitekturi na osnovi sistem fon Nejmana Dali cya stattya zkoncetrovana na zagalnoprijnyatih aspektah komp yuternoyi grafiki realnogo chasu Principi komp yuternoyi trivimirnoyi grafiki realnogo chasuOsnovna stattya 3D komp yuterna grafika stvoryuyetsya v rezhimi realnogo chasu Metoyu komp yuternoyi grafiki ye stvorennya komp yuternih zobrazhen abo kadriv z vikoristannyam pevnih bazhanih metrik Odniyeyu z takih metrik ye kilkist kadriv stvorenih za sekundu Sistemi komp yuternoyi grafiki v realnomu chasi vidriznyayutsya vid zvichajnih sistem renderingu tobto ne v realnomu chasi todi yak grafika v nerealnomu chasi zazvichaj pokladayetsya na trasuvannya promeniv U comu procesi miljoni abo milyardi promeniv prostezhuyutsya vid kameri do navkolishnogo svitu dlya detalnoyi vizualizaciyi Grafichni sistemi realnogo chasu povinni renderiti kozhne zobrazhennya mensh nizh za 1 30 sekundi Oskilki trasuvannya promeniv ye nadto povilnim dlya takih sistem vikoristovuyetsya tehnika rasterizaciyi trikutnikiv z vikoristannyam z bufera U cij tehnici kozhen ob yekt rozkladayetsya na okremi primitivi zazvichaj trikutniki Kozhen trikutnik pozicionuyetsya obertayetsya i masshtabuyetsya na ekrani a aparatne zabezpechennya rasterizatora abo programnij emulyator generuye pikseli vseredini kozhnogo trikutnika Potim ci trikutniki rozbivayutsya na atomarni odinici tak zvani en pridatni dlya vidobrazhennya na ekrani displeya Fragmenti nanosyatsya na ekran za dopomogoyu koloriv yaki rozrahovuyutsya v kilka etapiv Napriklad tekstura mozhe buti vikoristana dlya malyuvannya trikutnika na osnovi zberezhenogo zobrazhennya a mapuvannya tinej mozhe zminiti kolir trikutnika vidpovidno do liniyi zoru na dzherelo svitla Divitsya takozh Riven detalizaciyi komp yuterna grafika Grafika dlya videoigor Grafika v realnomu chasi optimizuye yakist zobrazhennya vidpovidno do chasovih i aparatnih obmezhen Grafichni procesori ta inshi dosyagnennya pokrashuyut yakist grafiki v realnomu chasi grafichni procesori mozhut obroblyati miljoni trikutnikiv za kadr a novitnye aparatne zabezpechennya DirectX 11 OpenGL 4 x mozhut generuvati skladni efekti taki yak en rozmittya ruhu ta generaciyu trikutnikiv u realnomu chasi Rozvitok grafiki v realnomu chasi proyavlyayetsya v postupovomu pokrashenni yakosti mizh realnoyu grafikoyu igrovogo procesu ta poperedno vidrenderenimi scenami yaki tradicijno zustrichayutsya u videoigrah Sceni zazvichaj renderitsya u realnomu chasi i mozhut buti interaktivnimi Hocha rozriv u yakosti mizh grafikoyu u realnomu chasi ta tradicijnoyu oflajn grafikoyu skorochuyetsya oflajn rendering zalishayetsya nabagato tochnishim Perevagi en ta tila v realnomu chasi She odna cikava vidminnist mizh grafikoyu realnogo chasu i ne grafikoyu realnogo chasu ye interaktivnist Zvorotnij zv yazok yak pravilo ye osnovnoyu motivaciyeyu dlya pokrashennya grafiki realnogo chasu U podibnih vipadkah yak z filmami rezhiser maye povnij kontrol i determinizm nad tim sho povinno buti vidobrazhenim na kozhnomu kadri U razi interaktivnoyi komp yuternoyi grafiki realnogo chasu yak pravilo koristuvach kontrolyuye te sho maye buti namalovanim na ekrani displeya koristuvach zazvichaj vikoristovuye pristrij vvedennya dlya zabezpechennya zvorotnogo zv yazku z sistemoyu napriklad bazhayuchi peremistiti simvol na ekrani i sistema viznachaye nastupnij kadr zasnovanij na cij konkretnij diyi Zazvichaj displej nabagato povilnishe z tochki zoru kilkosti kadriv v sekundu v chujnosti nizh pristrij vvedennya z tochki zoru chasu vidguku U pevnomu sensi ce vipravdano cherez velicheznu riznicyu mizh neskinchenno malim chasom vidguku sho generuyetsya za rahunok lyudini i duzhe povilnoyu shvidkistyu perspektivnoyi lyudino vizualnoyi sistemi ce prizvodit do znachnih dosyagnen v komp yuternij grafici v toj chas yak dosyagnennya v oblasti pristroyiv vvedennya zazvichaj zajmaye nabagato bilshe chasu shob dosyagti togo zh stanu fundamentalnogo progresu napriklad potochnij Wii Remote tak yak ci pristroyi vvedennya povinni buti duzhe shvidkimi shob buti u vikoristanni She odin vazhlivij faktor yakij kontrolyuye komp yuternu grafiku realnogo chasu ye poyednannya en i animaciyi Ci metodi bagato v chomu viznachayut te sho povinno buti vidobrazheno na ekrani abo tochnishe de stvoriti pevni ob yekti Uhvalennya rishennya yih poziciyi na ekrani Ci metodi imituyut povedinku chasovij vimir a ne prostorovi rozmiri vidimu v realnomu sviti Konveyer renderinguKonveyer renderingu grafiki rendering pipeline abo prosto konveyer ye osnovoyu grafiki v realnomu chasi Jogo osnovna funkciya rendering 2D zobrazhen vidnosno virtualnih kamer 3D ob yektiv ob yektiv sho mayut shirinu dovzhinu i glibinu dzherel svitla modelej osvitlennya i tekstur Arhitektura Arhitekturu konveyera renderingu v realnomu chasi mozhna rozdiliti na konceptualni etapi zastosuvannya geometriya ta rasterizaciya Etap podannya zayavki Etap zastosuvannya vidpovidaye za stvorennya sceni tobto 3D seredovisha yake z yavlyayetsya na 2D displeyi Cej etap realizuyetsya rozrobnikom u programnomu zabezpechenni yake optimizuye produktivnist Okrim obrobki koristuvackogo vvodu cej etap mozhe takozh obroblyati viyavlennya zitknen tehnologiyu priskorennya animaciyu ta zvorotnij zv yazok za siloyu Viyavlennya kolizij ye prikladom operaciyi sho vikonuyetsya na etapi zastosuvannya Viyavlennya zitknen vikoristovuye algoritmi dlya viyavlennya ta reaguvannya na zitknennya mizh virtualnimi ob yektami Napriklad programa mozhe obchisliti novi poziciyi ob yektiv sho zitknulisya i nadati zvorotnij zv yazok cherez pristrij zvorotnogo zv yazku napriklad vibracijnij igrovij kontroler Etap zastosuvannya takozh gotuye grafichni dani dlya nastupnogo etapu Syudi vhodit animaciya tekstur animaciya 3D modelej animaciya za dopomogoyu transformacij i morfing geometriyi Nareshti na osnovi informaciyi pro scenu stvoryuyutsya primitivi tochki liniyi ta trikutniki yaki nadsilayutsya na etap geometriyi konveyera Geometrichnij etap Osnovna stattya Poligonalne modelyuvannya Etap geometriyi manipulyuye bagatokutnikami ta vershinami shob obchisliti sho malyuvati yak malyuvati i de malyuvati Ci operaciyi zazvichaj vikonuyutsya specializovanim aparatnim zabezpechennyam abo grafichnimi procesorami Riznomanitnist grafichnogo obladnannya oznachaye sho geometrichnij etap naspravdi mozhe buti realizovanij yak kilka poslidovnih etapiv Transformaciya modeli ta viglyadu Persh nizh finalna model bude vivedena na pristrij vivodu vona transformuyetsya v dekilka prostoriv i sistem koordinat Transformaciyi vidbuvayutsya shlyahom peremishennya ob yektiv i zmini yihnih vershin Transformaciya ce zbirnij termin dlya chotiroh konkretnih sposobiv manipulyuvannya formoyu i polozhennyam tochki liniyi abo figuri Osvitlennya Shob zrobiti model bilsh realistichnoyu pid chas transformaciyi zazvichaj rozmishuyut odne abo kilka dzherel svitla Odnak cej krok mozhna vikonati lishe yaksho 3D scenu poperedno peretvoreno u vidovij ekran U vikni pereglyadu sposterigach kamera zazvichaj rozmishuyetsya na pochatku koordinat Yaksho vikoristovuyetsya prava sistema koordinat vvazhayetsya standartnoyu sposterigach divitsya v napryamku vid yemnoyi osi z z vissyu y spryamovanoyu vgoru i vissyu x spryamovanoyu pravoruch Proekciya Osnovna stattya Grafichna proekciya Proekciya ce peretvorennya yake vikoristovuyetsya dlya predstavlennya 3D modeli u 2D prostori Dva osnovnih tipi proekciyi ortogonalna proekciya takozh vidoma yak paralelna proekciya i perspektivna proekciya Osnovnoyu harakteristikoyu ortogonalnogo proektuvannya ye te sho paralelni liniyi zalishayutsya paralelnimi pislya peretvorennya Perspektivna proekciya vikoristovuye koncepciyu zgidno z yakoyu zi zbilshennyam vidstani mizh sposterigachem i modellyu model zdayetsya menshoyu nizh ranishe Po suti perspektivna proekciya imituye lyudskij zir Vidsikannya Vidsikannya komp yuterna grafika ce proces vidalennya primitiviv za mezhi oblasti pereglyadu dlya polegshennya etapu rastruvannya Pislya togo yak ci primitivi vidaleno reshta primitiviv vtyaguyutsya v novi trikutniki i vidbuvayetsya nastupnij etap Ekranne vidobrazhennya Meta vidobrazhennya rastra znajti koordinati primitiviv na etapi vidsikannya Etap rasterizaciyi Na etapi rastruvannya zastosovuyutsya kolori ta peretvoryuyutsya grafichni elementi v pikseli abo elementi zobrazhennya Div takozhDopovnena realnist Demoscena Zahoplennya ruhu Komp yuterna 2D grafika Komp yuterna 3D grafika Grafichnij procesor Quartz Composer Sprajt komp yuterna grafika en Zmishana realnist Video art Videoigrova grafika Videokontroler PoligonZovnishni posilannyaReal Time Rendering resources page 19 Kvitnya 2021 u Wayback Machine links to many useful resources for 3D computer graphics RTR Portal 3 Listopada 2017 u Wayback Machine a trimmed down best of set of links to resources Max User Videos 14 Lipnya 2013 u Wayback Machine Max MSP Jitter can be used to create interactive installations and real time computer graphics Unity 14 Bereznya 2017 u Wayback Machine