Концептуальная модель интерактивно-графической системы
Для понимания сущности вопроса построения реалистических трехмерных изображений и управления ими рассмотрим концепцию построения ИГС, отражающую взаимодействие программных и аппаратных средств (см. рисунок…….).
|
|
Рис. 2-1
Из рисунка видно, что ИГС может рассматриваться как двунаправленный канал ввода/вывода. В одну сторону (вывод) поступает информация о моделируемом объекте в виде прикладной структуры данных, преобразуемой в изображение на физическом устройстве. В другую сторону (вывод) поступают команды и данные для изменения изображения и управление объектом. Рассмотрим более подробно основные этапы обработки информации в ИГС. Учитывая специфику вывода информации на внешнее устройство требующие пиксельного представления информации и необходимую при этом память регенерации все алгоритмы компьютерной графики ориентированны на обработку информации в целочисленном виде. Исходя из этого, существует очень тесное взаимодействие между программным обеспечением и аппаратной частью.
С точки зрения пользователя можно выделить следующие направления работы ГС.
Пассивное отображение информации (визуализация) без изменения ПСД (чертежи, реклама, картография, ДНК и т.п.);
Проектирование: САПР- создание нового объекта (ТЗ, принятие решений, построение модели, оценка, изменение и т.д.);
Моделирование реальной обстановки (тренажеры, игры, робототехника);
Пользовательский интерфейс (графика для создания API). Например Windows и т.п.
Работу системы в интерактивном режиме можно представить как постоянно действующий конвейер по обработке информации. Любое воздействие на моделируемый объект вызывает полный цикл обработки информации. Этот цикл можно разделить на следующие этапы:
|
№ этапа |
Название этапа |
Описание этапа |
|
1 |
Прикладная структура данных
|
На данном этапе формируется основа отображаемого объекта. Возможно два способа формирования изображения:
В любом случае взаимодействие программных и аппаратных средств выглядит следующим образом: программное обеспечение графической системы предоставляет пользователю готовый интерфейс для работы с библиотекой примитивов или готовых элементов. С точки зрения аппаратного обеспечения используются внешние устройства ввода информации (мышь, клавиатура, сканер и т.д.) |
|
2 |
Окно и отсечение
|
Модель собранная из примитивов описывается в мировых координатах (физических координатах пользователя). Для дальнейшей обработки в графическом конвейере она должна быть преобразована в нормированные координаты (см. лекцию OM_lek.doc). Ряд методов отсечения реализован в 3D-ускорителях, в частности наиболее распространенный метод Коэна-Сазерленда.
|
|
3 |
Удаление невидимых линий и поверхностей
|
Для отображения трехмерного изображения на двухмерную экранную плоскость необходимо удалить те примитивы которые заслоняются с точки зрения пользователя. Наиболее распространенными методами, которые так же реализуются с помощью 3D-ускорителей: метод плавающего горизонта, метод Варнака, метод Z-буфера (см. лекцию UNLP_lek.doc).
|
|
4 |
Закрашивание поверхностей
|
Наиболее известными методами является метод Фонга и метод Гуро, реализованные в современных 3D-ускорителях (см. лекция CMG_lek.doc).
|
|
5 |
Растеризация и вывод информации на экран
|
Перед выводом на экран информация должна быть подвергнута разложению в растр (наиболее распространенным методом является алгоритм Брэзенхема). Данный этап является наиболее трудоемким, так как требует постоянного взаимодействия оперативной памяти и памяти регенерации (находящейся в видеокарте). Память регенерации опрашивается постоянно с частотой не менее 60 Гц (60 кадров в секунду). При этом сильно загружается шина, по которой передается информация.
|
Рис. 2-2
Заключение
Выше перечислены только основные этапы формирования изображения на экране. Для получения реалистических изображений используются различные методы такие как: сглаживание поверхностей (например сплайновая интерполяция), трассировка лучей для построения теней и учета прозрачности объекта и многие другие. Большинство из этих методов реализуется в аппаратном виде на базе 3D-ускорителей.