Gerçek zamanlı bilgisayar grafikleri - Real-time computer graphics
| Üç boyutlu (3B) bilgisayar grafikleri |
|---|
 |
| temel bilgiler |
| Birincil kullanımlar |
| İlgili konular |
Gerçek zamanlı bilgisayar grafikleri veya gerçek zamanlı görüntü oluşturma , görüntüleri gerçek zamanlı olarak üretmeye ve analiz etmeye odaklanan bilgisayar grafiklerinin alt alanıdır . Terim, bir uygulamanın grafik kullanıcı arabirimini ( GUI ) oluşturmaktan gerçek zamanlı görüntü analizine kadar her şeyi ifade edebilir , ancak çoğunlukla , tipik olarak bir grafik işleme birimi (GPU) kullanan etkileşimli 3B bilgisayar grafiklerine atıfta bulunmak için kullanılır . Bu kavramın bir örneği, bir hareket yanılsaması oluşturmak için değişen 3B ortamları hızla oluşturan bir video oyunudur .
Bilgisayarlar , icatlarından bu yana gerçek zamanlı olarak basit çizgiler, görüntüler ve çokgenler gibi 2 boyutlu görüntüler üretebilmektedir . Bununla birlikte, ayrıntılı 3B nesnelerin hızlı bir şekilde oluşturulması, geleneksel Von Neumann mimarisi tabanlı sistemler için göz korkutucu bir iştir . Bu soruna erken bir çözüm , 3D grafikleri taklit edebilen 2D görüntüler olan sprite'ların kullanılmasıydı .
Işın izleme ve rasterleştirme gibi işleme için artık farklı teknikler mevcuttur . Bu teknikleri ve gelişmiş donanımı kullanarak, bilgisayarlar artık görüntüleri, aynı anda kullanıcı girdisini kabul ederken hareket yanılsaması yaratacak kadar hızlı bir şekilde oluşturabilir. Bu, kullanıcının işlenmiş görüntülere gerçek zamanlı olarak yanıt vererek etkileşimli bir deneyim üretebileceği anlamına gelir.
Gerçek zamanlı 3B bilgisayar grafiklerinin ilkeleri
Bilgisayar grafiklerinin amacı, istenen belirli metrikleri kullanarak bilgisayar tarafından oluşturulan görüntüler veya çerçeveler oluşturmaktır . Böyle bir metrik, belirli bir saniyede üretilen kare sayısıdır . Gerçek zamanlı bilgisayar grafik sistemleri, gerçek zamanlı olmayan grafiklerin tipik olarak ışın izlemeye dayanması bakımından geleneksel (yani gerçek zamanlı olmayan) işleme sistemlerinden farklıdır . Bu süreçte, milyonlarca ya ışınlarının milyarlarca gelen izlenir kameraya için dünyanın tek çerçeveyi oluşturmak için saatler veya günler sürebilir detaylı render-bu pahalı işlem için.
Gerçek zamanlı grafik sistemleri, her görüntüyü saniyenin 1/30'undan daha kısa sürede oluşturmalıdır. Işın izleme bu sistemler için çok yavaştır; bunun yerine, z-tampon üçgen rasterleştirme tekniğini kullanırlar . Bu teknikte, her nesne, genellikle üçgenler olmak üzere, bireysel ilkellere ayrıştırılır. Her üçgen ekranda konumlandırılır, döndürülür ve ölçeklenir ve rasterleştirici donanımı (veya bir yazılım öykünücüsü) her üçgenin içinde pikseller oluşturur. Bu üçgenler daha sonra , bir ekranda görüntülenmeye uygun, parçalar adı verilen atomik birimlere ayrıştırılır . Parçalar, birkaç adımda hesaplanan bir renk kullanılarak ekranda çizilir. Örneğin, depolanmış bir görüntüye dayalı olarak bir üçgeni "boyamak" için bir doku kullanılabilir ve ardından gölge eşleme , bu üçgenin renklerini görüş hattına ve ışık kaynaklarına dayalı olarak değiştirebilir.
video oyunu grafikleri
Gerçek zamanlı grafikler, zaman ve donanım kısıtlamalarına bağlı olarak görüntü kalitesini optimize eder. GPU'lar ve diğer gelişmeler, gerçek zamanlı grafiklerin üretebileceği görüntü kalitesini artırdı. GPU'lar, kare başına milyonlarca üçgeni işleyebilir ve mevcut DirectX 11 / OpenGL 4.x sınıfı donanım, gerçek zamanlı olarak gölge hacimleri , hareket bulanıklığı ve üçgen oluşturma gibi karmaşık efektler üretebilir . Gerçek zamanlı grafiklerin ilerlemesi, gerçek oyun grafikleri ile geleneksel olarak video oyunlarında bulunan önceden oluşturulmuş ara sahneler arasındaki aşamalı iyileştirmelerde kanıtlanmıştır . Ara sahneler genellikle gerçek zamanlı olarak oluşturulur ve etkileşimli olabilir . Gerçek zamanlı grafikler ve geleneksel çevrimdışı grafikler arasındaki kalite farkı daralmasına rağmen, çevrimdışı işleme çok daha doğru olmaya devam ediyor.
Avantajlar
Gerçek zamanlı grafikler genellikle etkileşimin (örneğin, oyuncu geri bildirimi) çok önemli olduğu durumlarda kullanılır. Filmlerde gerçek zamanlı grafikler kullanıldığında, yönetmen her bir kareye neyin çizilmesi gerektiği konusunda tam kontrole sahiptir ve bu bazen uzun karar vermeyi gerektirebilir. İnsan takımları genellikle bu kararların alınmasında yer alır.
Gerçek zamanlı bilgisayar grafiklerinde, kullanıcı ekranda çizilmek üzere olan şeyi etkilemek için tipik olarak bir giriş cihazı çalıştırır. Örneğin, kullanıcı ekranda bir karakteri hareket ettirmek istediğinde, sonraki kareyi çizmeden önce sistem karakterin konumunu günceller. Genellikle, ekranın tepki süresi giriş cihazından çok daha yavaştır - bu, bir insanın hareketinin (hızlı) tepki süresi ile insan görsel sisteminin (yavaş) perspektif hızı arasındaki muazzam farkla doğrulanır . Bu farkın başka etkileri de vardır: giriş cihazlarının insan hareket tepkisine ayak uydurmak için çok hızlı olması gerektiğinden, giriş cihazlarındaki (örneğin, mevcut Wii uzaktan kumanda) ilerlemelerin elde edilmesi, görüntüleme cihazlarındaki karşılaştırılabilir gelişmelerden genellikle çok daha uzun sürer.
Gerçek zamanlı bilgisayar grafiklerini kontrol eden bir diğer önemli faktör de fizik ve animasyonun birleşimidir . Bu teknikler, ekranda neyin çizileceğini, özellikle de nesnelerin sahnede nereye çizileceğini büyük ölçüde belirler . Bu teknikler gerçekçi yardımcı gerçek dünya davranışını (taklit zamansal boyut değil, mekansal boyutları gerçekçilik bilgisayar grafik derecesine ekleyerek).
Grafik yazılımıyla gerçek zamanlı önizleme , özellikle aydınlatma efektlerini ayarlarken çalışma hızını artırabilir. Fraktal üreten yazılımda bazı parametre ayarlamaları , görüntüdeki değişiklikleri gerçek zamanlı olarak görüntülerken yapılabilir.
İşleme hattı
Boru hattının render grafik ( "render boru hattı" veya basitçe "boru hattı") gerçek zamanlı grafik temelidir. Ana işlevi, sanal bir kamera, üç boyutlu nesneler (genişliği, uzunluğu ve derinliği olan bir nesne), ışık kaynakları, aydınlatma modelleri, dokular ve daha fazlasıyla ilişkili olarak iki boyutlu bir görüntü oluşturmaktır.
Mimari
Gerçek zamanlı işleme hattının mimarisi kavramsal aşamalara ayrılabilir: uygulama, geometri ve rasterleştirme .
Başvuru aşaması
Uygulama aşaması, bir 2D ekrana çizilen "sahneler" veya 3D ayarların oluşturulmasından sorumludur. Bu aşama, geliştiricilerin performans için optimize ettiği yazılımlarda uygulanır. Bu aşama, kullanıcı girdisini işlemeye ek olarak, çarpışma tespiti , hızlandırma teknikleri, animasyon ve kuvvet geri bildirimi gibi işlemleri gerçekleştirebilir.
Çarpışma tespiti, uygulama aşamasında gerçekleştirilecek bir işleme örnektir. Çarpışma algılama, (sanal) nesneler arasındaki çarpışmaları algılamak ve bunlara yanıt vermek için algoritmalar kullanır. Örneğin, uygulama çarpışan nesneler için yeni konumlar hesaplayabilir ve titreşen bir oyun kumandası gibi bir kuvvet geri besleme cihazı aracılığıyla geri bildirim sağlayabilir.
Uygulama aşaması ayrıca bir sonraki aşama için grafik verilerini hazırlar. Buna doku animasyonu, 3B modellerin animasyonu, dönüşümler yoluyla animasyon ve geometri geçişi dahildir. Son olarak, sahne bilgisine dayalı olarak ilkelleri (noktalar, çizgiler ve üçgenler) üretir ve bu ilkelleri boru hattının geometri aşamasına besler.
geometri aşaması
Geometri aşaması, neyin çizileceğini, nasıl çizileceğini ve nereye çizileceğini hesaplamak için çokgenleri ve köşeleri manipüle eder. Genellikle bu işlemler özel donanım veya GPU'lar tarafından gerçekleştirilir. Grafik donanımındaki varyasyonlar, "geometri aşamasının" aslında birkaç ardışık aşama olarak uygulanabileceği anlamına gelir.
Model ve görünüm dönüşümü
Son model çıktı cihazında gösterilmeden önce, model çoklu uzaylara veya koordinat sistemlerine dönüştürülür . Dönüşümler, köşelerini değiştirerek nesneleri hareket ettirir ve manipüle eder. Dönüşüm , bir noktanın, çizginin veya şeklin şeklini veya konumunu manipüle eden dört özel yolun genel terimidir.
Aydınlatma
Modele daha gerçekçi bir görünüm kazandırmak için dönüşüm sırasında genellikle bir veya daha fazla ışık kaynağı kurulur. Ancak bu aşamaya, önce 3B sahneyi görüş alanına dönüştürmeden ulaşılamaz. Görüş alanında, gözlemci (kamera) tipik olarak orijine yerleştirilir. Bir kullanılıyorsa sağ elini (standart olarak kabul edilir) koordinat sistemini, y-ekseni yukarı gelecek şekilde negatif z ekseni yönünde gözlemci görünümü ve X-ekseni sağa.
Projeksiyon
Projeksiyon, 2B alanda bir 3B modeli temsil etmek için kullanılan bir dönüşümdür. İki ana izdüşüm türü, ortografik izdüşüm (paralel olarak da adlandırılır) ve perspektif izdüşümdür . Bir ortografik izdüşümün temel özelliği, dönüşümden sonra paralel çizgilerin paralel kalmasıdır. Perspektif projeksiyonu, gözlemci ile model arasındaki mesafe artarsa modelin eskisinden daha küçük göründüğü kavramını kullanır. Esasen, perspektif projeksiyon insan görüşünü taklit eder.
Kırpma
Kırpma , rasterleştirici aşamasını kolaylaştırmak için görünüm kutusunun dışındaki ilkel öğelerin kaldırılması işlemidir. Bu ilkeller kaldırıldığında, kalan ilkeller bir sonraki aşamaya ulaşan yeni üçgenlere çekilecektir.
Ekran eşleme
Ekran eşlemenin amacı, kırpma aşamasında ilkellerin koordinatlarını bulmaktır.
rasterleştirme aşaması
Rasterleştirici aşaması renk uygular ve grafik öğelerini piksellere veya resim öğelerine dönüştürür.
Tarih
Bilgisayar animasyonu 1940'lardan beri var, ancak 70'lere kadar 3D teknikleri uygulanmadı.
3D grafiklere doğru ilk adım, gerçek zamanlı grafikler değil, 1972'de Edwin Catmull ve Fred Parke tarafından atıldı . Uygulamaları, tel çerçeve görüntüleri , katı gölgeleme ve son olarak pürüzsüz gölgeleme kullanılarak oluşturulan bilgisayar tarafından oluşturulan bir el içeriyordu . '72 ve '74'te Parke, Gouraud gölgeli bir kadının yüzünün ifadesini değiştiren bir video yaptı .
3D grafikler, animasyonlu insanların neredeyse tamamen gerçekçi göründüğü noktaya ulaştı. Bir engel tekinsiz vadidir . Bununla birlikte, insanlar fotogerçekçilik noktasına kadar yaratılması en zor modellerdir ve pek çok animasyon filmi antropomorfik hayvanlara, canavarlara veya dinozorlara yapışır . Gerçekçi insan animasyonuna bir örnek olarak, 2007 yapımı Beowulf filmi , insan gözünü kandırmaya yakın olan 3D grafikleri sergiliyor. Film, 3D hareket yakalama teknolojisi kullanılarak oluşturuldu .
Ayrıca bakınız
Referanslar
bibliyografya
- Möller, Tomas; Haines, Eric (1999). Gerçek Zamanlı İşleme (1. baskı). Natick, MA: AK Peters, Ltd.
- Salvator, Dave (21 Haziran 2001). "3D Boru Hattı" . Extremetech.com . Aşırı Teknoloji. Arşivlenmiş orijinal 17 Mayıs 2008 tarihinde . 2 Şubat 2007 alındı .
- Malhotra, Priya (Temmuz 2002). Sanal Ortamların Gerçek Zamanlı Oluşturulmasıyla ilgili sorunlar (Master's). Blacksburg, VA: Virginia Tech. s. 20–31 . Erişim tarihi: 31 Ocak 2007 .
- Haines, Eric (1 Şubat 2007). "Gerçek Zamanlı İşleme Kaynakları" . Erişim tarihi: 12 Şubat 2007 .
Dış bağlantılar
- RTR Portalı - kaynaklara yönelik kısaltılmış bir "en iyi" bağlantılar seti