Valószínűleg számítógép-monitoron vagy mobileszköz képernyőjén olvassa ezt a cikket – egy olyan kijelzőn, amely valós méretekkel, magassággal és szélességgel rendelkezik. De amikor például a Toy Story rajzfilmet nézi, vagy a Tomb Raider játékkal játszik, egy háromdimenziós világot lát. Az egyik legcsodálatosabb dolog a 3D-s világban, hogy a látott világ lehet az a világ, amelyben élünk, a világ, amelyben élni fogunk holnap, vagy az a világ, amely csak egy film vagy játék alkotóinak fejében él. És mindezek a világok csak egy képernyőn jelenhetnek meg - ez legalább érdekes.
Hogyan csalja meg a számítógép a szemünket, és azt gondolja, hogy lapos képernyőt nézünk, hogy lássuk a bemutatott kép mélységét? Hogyan teszik a játékfejlesztők azt, hogy valódi karaktereket lássunk egy valós tájon mozogni? Ma a grafikusok által használt vizuális trükkökről fogok mesélni, és arról, hogy mindez hogyan jön össze, és milyen egyszerűnek tűnik számunkra. Valójában minden nem egyszerű, és hogy megtudja, milyen a 3D grafika, menjen a vágás alá - ott talál egy lenyűgöző történetet, amelybe biztos vagyok benne, hogy soha nem látott örömmel merül bele.

Mitől lesz egy kép 3D-s?

Az a kép, amelynek magassága, szélessége és mélysége van vagy úgy tűnik, háromdimenziós (3D). Az a kép, amelynek magassága és szélessége van, de mélysége nincs, kétdimenziós (2D). Emlékeztessen, hol lát kétdimenziós képeket? - Gyakorlatilag mindenhol. Emlékezzen még a szokásos szimbólumra is a WC ajtaján, amely egy vagy másik emeleten lévő fülkét jelöl. A szimbólumok úgy vannak megtervezve, hogy Ön egy pillantással felismerje és felismerje őket. Ezért csak a legalapvetőbb formákat használják. Bármely szimbólumról részletesebb információ megmondhatja, hogy ez a kisember milyen ruhát visel az ajtón lógva, vagy milyen színű a haja, például a női WC ajtajának szimbólumai. Ez az egyik fő különbség a 3D és a 2D grafika használata között: a 2D grafika egyszerű és emlékezetes, míg a 3D grafika több részletet használ, és sokkal több információt illeszt egy látszólag hétköznapi objektumba.

Például a háromszögeknek három vonala és három szöge van – mindössze annyit kell tudnia, hogy miből áll a háromszög, és mi is az valójában. Azonban nézd meg a háromszöget a másik oldalról – a piramis egy háromdimenziós szerkezet, négy háromszög alakú oldallal. Felhívjuk figyelmét, hogy ebben az esetben már hat vonal és négy sarok van - ebből áll a piramis. Láthatja, hogyan változhat egy közönséges tárgy háromdimenzióssá, és sokkal több információt tartalmazhat, amely egy háromszög vagy egy piramis történetének elmondásához szükséges.

A művészek több száz éve használnak néhány vizuális trükköt, amelyek egy lapos 2D-s képet valóságos ablakká tehetnek a valós 3D-s világba. Hasonló hatást láthat a szokásos fényképeken, amelyeket beolvashat és megtekinthet a számítógép monitorán: a fényképen látható tárgyak kisebbnek tűnnek, ha távolabb vannak; a fényképezőgép objektívéhez közeli tárgyak fókuszban vannak, ami azt jelenti, hogy a fókuszban lévő objektumok mögött minden elmosódott. A színek általában kevésbé élénkek, ha a téma nincs olyan közel. Amikor manapság a számítógépeken 3D grafikáról beszélünk, akkor mozgó képekről beszélünk.

Mi az a 3D grafika?

Sokunk számára a személyi számítógépen, mobileszközön vagy általában egy fejlett játékrendszeren való játék a legszembetűnőbb példa és a háromdimenziós grafika legáltalánosabb módja. Ezeknek a játékoknak, a számítógép segítségével készített klassz filmeknek három alapvető lépésen kell keresztülmenniük a valósághű 3D-s jelenetek létrehozásához és bemutatásához:

1. Virtuális 3D-s világ létrehozása
2. Annak meghatározása, hogy a világ mely része jelenjen meg a képernyőn
3. Annak meghatározása, hogy egy pixel hogyan fog kinézni a képernyőn, hogy a teljes kép a lehető legvalósághűbb legyen

Virtuális 3D-s világ létrehozása
A 3D virtuális világ természetesen nem ugyanaz, mint a valós világ. A virtuális 3D-s világ létrehozása a valóshoz hasonló világ számítógépes megjelenítésére irányuló komplex munka, amelynek létrehozásához nagyszámú eszközt használnak, és amely rendkívül nagy részletességgel jár. Vegyünk például a való világ egy nagyon kis részét – a kezét és az alatta lévő asztalt. A kezed különleges tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek meghatározzák, hogyan tud mozogni és hogyan néz ki kívülről. Az ujjak ízületei csak a tenyér felé hajlanak, és nem vele szemben. Ha leüti az asztalt, akkor nem történik vele semmilyen művelet – az asztal szilárd. Ennek megfelelően a keze nem tud áthaladni az asztalon. Azt, hogy ez az állítás igaz, bebizonyíthatod, ha valami természeteset nézel, de a virtuális 3D-s világban a dolgok egészen másként működnek - a virtuális világban nincs természet, nincsenek olyan természetes dolgok, mint például a kezed. A virtuális világban lévő objektumok teljesen szintetikusak – csak ezeket a tulajdonságokat adják nekik a szoftverek. A programozók speciális eszközöket használnak, és nagy körültekintéssel tervezik meg a 3D-s virtuális világokat, hogy bennük mindig minden egy bizonyos módon viselkedjen.

A virtuális világ melyik része jelenik meg a képernyőn?
Egy adott pillanatban a képernyőn csak egy apró része látható a számítógépes játékhoz készült virtuális 3D-s világnak. A képernyőn a világ definiálási módjainak bizonyos kombinációi láthatók, Ön dönti el, hová menjen és mit nézzen meg. Nem számít, merre megy – előre vagy hátra, fel vagy le, balra vagy jobbra – a körülötted lévő virtuális 3D-s világ határozza meg, hogy mit látunk, ha egy bizonyos pozícióban vagyunk. Amit látsz, az egyik jelenetről a másikra értelmet nyer. Ha egy tárgyat azonos távolságból néz, iránytól függetlenül, akkor annak magasnak kell lennie. Minden tárgynak úgy kell kinéznie és mozognia, hogy azt higgye, hogy tömege megegyezik a valódi tárgyéval, olyan kemény vagy puha, mint a valódi tárgy, és így tovább.

A számítógépes játékokat író programozók nagy erőfeszítéseket tesznek a 3D-s virtuális világok megtervezésén, és olyan kialakításukban, hogy úgy barangolhass be bennük, hogy közben ne ütközz bele semmibe, ami azt kelti, hogy „Ez nem történhet meg ebben a világban!”. Az utolsó dolog, amit látni szeretne, az két szilárd objektum, amelyek átmennek egymáson. Ez határozottan emlékeztet arra, hogy minden, amit látsz, színlelt. A harmadik lépés legalább annyi számítást tartalmaz, mint a másik két lépés, és szintén valós időben kell megtörténnie.

Világítás és perspektíva

Amikor belépsz egy szobába, felkapcsolod a villanyt. Valószínűleg nem tölt sok időt azon gondolkodni, hogyan működik valójában, és hogyan jön a fény a lámpából, szétterjedve a szobában. De a 3D grafikával dolgozóknak gondolniuk kell erre, mert minden felületet, környező drótvázat és hasonló dolgokat meg kell világítani. Az egyik módszer, a sugárkövetés olyan utakat foglal magában, amelyek a fénysugarakat az izzó elhagyása során veszik fel, visszaverődnek a tükrökről, falakról és más tükröződő felületekről, és végül különböző szögekből, különböző intenzitású tárgyakon landolnak. Ez nehéz, mert egy izzónak lehet egy sugara, de a legtöbb helyiségben több fényforrást használnak - több lámpát, mennyezeti lámpákat (csillárokat), állólámpákat, ablakokat, gyertyákat stb.

A világítás kulcsszerepet játszik két hatásban, amelyek a tárgyak megjelenését, súlyát és külső szilárdságát adják: az árnyékolásban és az árnyékban. Az első hatás, a sötétedés az, amikor több fény esik egy tárgy egyik oldalára, mint a másikra. A tompítás sok naturalizmust ad a témának. Ez az árnyékolás az, amitől a paplan redői mélyek és puhák, a magas arccsontok pedig feltűnőek. Ezek a fényintenzitásbeli különbségek megerősítik azt az általános illúziót, hogy a téma mélysége mellett magassága és szélessége is van. A tömeg illúziója a második hatásból, az árnyékból származik.

A szilárd testek árnyékot vetnek, amikor fény éri őket. Ezt láthatja, ha megnézi az árnyékot, amelyet egy napóra vagy fa vet a járdára. Ezért megszoktuk, hogy valódi tárgyakat és árnyékot vető embereket látunk. A 3D-ben az árnyék ismét megerősíti az illúziót azáltal, hogy a valóságban való lét hatását hozza létre, nem pedig a matematikailag generált alakzatok képernyőjén.

perspektíva
A perspektíva egy olyan szó, amely sokat jelenthet, de valójában egy egyszerű hatást ír le, amelyet mindenki látott. Ha egy hosszú, egyenes út szélén állsz, és a távolba nézel, úgy tűnik, mintha az út mindkét oldala összefutna egy ponton a horizonton. Továbbá, ha a fák az út közelében vannak, a távolabbi fák kisebbnek tűnnek, mint a közelebbi fák. Valójában úgy fog kinézni, hogy a fák az út közelében kialakult horizont egy bizonyos pontján összefolynak, de ez nem így van. Amikor úgy tűnik, hogy a jelenet összes tárgya a távolban egy ponton összefolyik, ez a perspektíva. Ennek a hatásnak számos változata létezik, de a legtöbb 3D-s grafika az imént leírt egyetlen nézőpontot használja.

Mélységélesség

Egy másik optikai effektus, amelyet sikeresen alkalmaztak 3D grafika létrehozásához, a mélységélesség. A fa példámat használva a fentieken kívül még egy érdekes dolog történik. Ha a közeli fákat nézi, a távolabbi fák életlennek tűnnek. A filmesek és a számítógépes animátorok két célra használják ezt a hatást, a mélységélességet. Az első a mélység illúziójának megerősítése a felhasználó által nézett jelenetben. A második cél az, hogy a rendezők a mélységélességet használják, hogy figyelmüket a legfontosabbnak tartott témákra vagy színészekre összpontosítsák. Például, hogy felhívja a figyelmet egy filmben szereplő nem hősnőre, használható a "sekély mélységélesség", ahol csak a színész van a fókuszban. Egy olyan jelenet, amelyet úgy terveztek, hogy lenyűgözze Önt, éppen ellenkezőleg, "mélymélységélességet" használ, hogy a lehető legtöbb tárgy legyen fókuszban, és így látható legyen a néző számára.

Simítás

Egy másik hatás, amely szintén a szem becsapásán alapul, az élsimítás. A digitális grafikus rendszerek kiválóan alkalmasak éles vonalak létrehozására. De az is előfordul, hogy az átlós vonalak vannak fölényben (a való világban is elég gyakran megjelennek, és akkor a számítógép olyan vonalakat reprodukál, amelyek inkább létraszerűek (gondolom tudod, mi az a létra, ha ránézel a képobjektumra Részlet)). Így a számítógép bizonyos színárnyalatokat adhat a vonalat körülvevő pixelsorokhoz, hogy rávegye a szemét egy sima görbére vagy vonalra. Ezzel a pixelek „szürke színével” a számítógép csak megtéveszti a szemét, és közben azt gondolja, hogy nincs több szaggatott lépés. Ezt a további színes képpontok hozzáadását a szem becsapása érdekében élsimításnak nevezik, és egyike azon technikáknak, amelyeket a 3D számítógépes grafika manuálisan hoz létre. Egy másik nehéz feladat a számítógép számára a 3D-s animáció készítése, amelyre egy példát mutatunk be a következő részben.

Valós Példák

Ha a fent leírt trükköket együtt alkalmazzuk egy lenyűgözően valóságos jelenet létrehozásához, az eredmény megéri a fáradságot. A legújabb játékokat, filmeket, számítógéppel generált tárgyakat fényképes háttérrel kombinálják – ez fokozza az illúziót. Elképesztő eredményeket láthat, ha összehasonlítja a fényképeket és a számítógéppel generált jeleneteket.

A fenti képen egy tipikus iroda látható, amelybe járdán lehet belépni. Az alábbi képek egyikén egy egyszerű, egyszínű labda került a járdára, ami után a jelenetet lefotózták. A harmadik fotó már egy számítógépes grafikus program használata, amely létrehozta azt a labdát, amely valójában nem létezik ezen a képen. Meg tudod mondani, hogy van-e jelentős különbség a két kép között? Szerintem nem.

Animáció készítése és "élő akció" megjelenése

Eddig azokat az eszközöket vizsgáltuk, amelyekkel bármilyen digitális kép valósághűbbnek tűnik – legyen szó állóképről vagy animációs sorozatról. Ha animált sorozatról van szó, akkor a programozók és a tervezők még több vizuális trükköt alkalmaznak, hogy „élő akció” látszatát keltsék a számítógép által generált képek helyett.

Hány képkocka másodpercenként?
Ha egy helyi moziban nézel egy pompás kasszasikert, a felvételeknek nevezett képsorozat 24 képkocka/másodperc sebességgel fut. Mivel a retinánk egy kicsit tovább őrzi a képet, mint 1/24 másodperc, a legtöbb ember szeme a mozgás és a cselekvés folyamatos képévé keveri a kereteket.

Ha nem érted, miről írtam, akkor nézd meg a másik oldalról: ez azt jelenti, hogy a film minden egyes kockája 1/24 másodperces záridővel (expozícióval) készült fénykép. Így, ha megnézi egy versenyfilm képkockáját a sok közül, látni fogja, hogy néhány versenyautó "elmosódott", mert nagy sebességgel haladt, miközben a kamera zárja nyitva volt. A dolgoknak ezt a gyors mozgás által keltett elmosódását megszoktuk látni, és ez része annak, amitől a kép valóságossá válik számunkra, amikor a képernyőn nézzük.

A digitális 3D-s képek azonban mégsem fényképek, így nem jön létre elmosódás, ha egy tárgy a képkockán áthalad a rögzítés során. A képek valósághűbbé tétele érdekében a programozóknak kifejezetten hozzá kell adniuk az elmosódást. Egyes tervezők úgy vélik, hogy több mint 30 képkocka/másodperc szükséges ahhoz, hogy „leküzdjék” ezt a természetes elmosódás hiányát, ezért új szintre – 60 képkocka/másodpercig – tették a játékokat. Bár ez lehetővé teszi, hogy minden egyes kép nagyon részletesen nézzen ki, és a mozgó objektumokat kisebb lépésekben jelenítse meg, nagymértékben megnöveli az adott animációs sorozat képkockáinak számát. A képeknek vannak más olyan részei is, ahol a pontos számítógépes megjelenítést fel kell áldozni a realizmus érdekében. Ez a mozgó és álló tárgyakra egyaránt vonatkozik, de ez egy másik történet.

Jöjjünk a végére

A számítógépes grafika továbbra is lenyűgözi a világot azáltal, hogy valóban valósághű mozgó és nem mozgó objektumok és jelenetek széles választékát hozza létre és generálja. A 80 oszloppal és 25 soros monokróm szöveggel a grafika hosszú utat tett meg, az eredmény pedig egyértelmű – emberek milliói játszanak és futnak mindenféle szimulációt a mai technológiával. Az új 3D processzorok is éreztetik magukat – nekik köszönhetően szó szerint más világokat fedezhetünk fel, és olyan dolgokat tapasztalhatunk meg, amelyeket a való életben soha nem mertünk kipróbálni. Végül visszatérve a báli példához: hogyan jött létre ez a jelenet? A válasz egyszerű: a képen van egy számítógép által generált labda. Nem könnyű megmondani, hogy a kettő közül melyik az igazi, igaz? A világunk csodálatos, és ennek megfelelnünk kell. Remélem, hogy felkeltette érdeklődését, és maga is megtudott egy újabb érdekes információt.

Ellentétben a 2D-s animációval, ahol sok mindent meg lehet rajzolni kézzel, a 3D-ben az objektumok túl simák, alakjuk túl szabályos, és túl "geometrikus" pályákon mozognak. Igaz, ezek a problémák leküzdhetők. Az animációs csomagok javítják a megjelenítési eszközöket, frissítik a speciális effektusokat, és bővítik az anyagkönyvtárakat. „Egyenetlen” objektumok, például haj vagy füst létrehozásához a sok részecskebõl tárgyat képezõ technológiát alkalmazzák. Bemutatkoznak az inverz kinematika és más animációs technikák, és megjelennek a videorögzítés és az animációs effektusok kombinálásának új módszerei, amelyek valósághűbbé teszik a jeleneteket és a mozgásokat. Ezenkívül a nyílt rendszerek technológia lehetővé teszi, hogy egyszerre több csomaggal is dolgozzon. Az egyik csomagban modellt készíthet, a másikban festheti, a harmadikban újraélesztheti, a negyedikben videóval egészítheti ki. És végül számos professzionális csomag funkciója manapság kibővíthető további, kifejezetten az alapcsomaghoz írt alkalmazásokkal.

3D Stúdió és 3D Studio max

Az IBM egyik leghíresebb 3D animációs csomagja az Autodesk 3D Studio. A program DOS alatt fut, a háromdimenziós film elkészítésének teljes folyamatát biztosítja: tárgymodellezés és jelenetformálás, animáció és vizualizáció, munka videóval. Ezen kívül számos alkalmazási program (IPAS-folyamatok) létezik, amelyek kifejezetten a 3D Studio számára készültek. Ugyanennek a cégnek a 3D Studio MAX nevű új programja Windows NT-re fejlesztés alatt állt az elmúlt néhány évben, és azt állítja, hogy versenytársa a nagy teljesítményű SGI munkaállomás-csomagoknak. Az új program kezelőfelülete minden modulnál azonos, és magas fokú interaktivitást biztosít. A 3D Studio MAX fejlett animációkezelési képességeket valósít meg, tárolja az egyes objektumok élettörténetét, és lehetővé teszi különféle fényeffektusok létrehozását, támogatja a 3D-gyorsítókat és nyitott architektúrájú, azaz lehetővé teszi harmadik felek számára további alkalmazások bevonását a rendszerbe. .

TrueSpace, Prisms, Three-D, RenderMan, Crystal Topas

Elektromos kép, lágy kép

Háromdimenziós animáció készítéséhez IBM és Macintosh számítógépeken kényelmesen használható az Electric Image Animation System csomag is, amely animációs eszközök nagy készletét, speciális effektusokat, hangeszközöket és testreszabható paraméterekkel rendelkező betűkészlet-generátort tartalmaz. Bár ez a program nem rendelkezik modellező eszközökkel, képes több mint harminc különböző modellformátum importálására. A csomag támogatja a hierarchikus objektumokkal és az inverz kinematikai eszközökkel való munkát is. A Microsoft Softimage 3D programja viszont SGI és Windows NT platformokon fut. Támogatja a sokszög- és spline modellezést, a speciális effektusokat, a részecskéket és a mozgásátviteli technológiát élő szereplőktől számítógépes karakterekig.

A valósághű kép egy termék kiváló minőségű (fényképes) számítógépes képe, amely különféle jelenetekben használható. Általában olyan termékek reklámozására használják, amelyeket még nem terveztek, de még nem gyártottak. A termékek szilárd modelljei alapján való valósághű képek létrehozására szolgáló alrendszer (például Photo Works) lehetővé teszi a felületi tulajdonságok (szín, textúra, tükröződés, átlátszóság) beállítását egy anyagkönyvtár segítségével (a könyvtárat a felhasználó önállóan is feltöltheti ) vagy textúra (képek, logók) csatolásával , díszlet beállításával (minden modellhez egy jelenet kapcsolódik, amelynek tulajdonságait beállíthatja: világítás, árnyékok, háttér). , rendkívüli megbízhatóságot adva a valóságban még nem létező szerkezet számítógépes képének.

Tervezett termékek prototípusainak automatizált létrehozása (Rapid Prototyping)

Ezeket a módszereket arra tervezték, hogy számítógépes modelljeik segítségével rövid időn belül valódi termékmodelleket hozzanak létre, hogy ellenőrizzék a teljesítményüket a gyártás megkezdése előtt, és hogy ezeket a modelleket a termékek gyártásában (például formamodellként) használják fel.

Az alapelv az, hogy a termékről háromdimenziós modellt kell készíteni, és külön keresztirányú kétdimenziós profilok, úgynevezett kis vastagságú (0,1-0,5 mm) vágások formájában bemutatni, amelyek paraméterei átkerülnek a Speciális komplexum CNC rendszere, melynek segítségével minden vágás valódi modellje, melynek készlete a termék – annak prototípusának – valós modelljét alkotja. A prototípus létrehozása egy speciális alapon (szubsztrátumon) történik, amelyet minden egyes vágás elkészítése után a vágás vastagsága leenged. E módszer alapján számos eljárást fejlesztettek ki prototípusok gyártására:

sztereolitográfia;

Szilárd tömegű bevonat;

Speciális papír vagy fólia rétegekből;

Szelektív szinterezés lézerrel;

Hegesztés.

sztereolitográfia( sztereolitográfia - STL). A prototípus folyékony polimerrel (ún. fotopolimerrel) töltött tartályban lévő szubsztrátumon készül, amely lézersugár hatására megkeményedik. A lézer a munkatestre van felszerelve, amelynek mozgását a CNC rendszer vezérli. A lézeres mozgásprogramot a termék háromdimenziós szilárdtestmodelljének egyes rétegeinek metszete alapján állítják össze. A lézer pásztázza a következő réteget, aminek eredményeként a polimer ezen a területen megszilárdul, majd a hordozót a vágás vastagságára süllyesztik, és ezt a folyamatot a következő szakaszra hajtják végre, amíg a termék prototípusa el nem készül.

Szilárd bevonási módszer(Solid Ground Curing – SGC) nem igényel lézert, és két párhuzamos folyamat végrehajtását foglalja magában: maszk létrehozását és fotopolimer réteg felvitelét. A maszk létrehozása egy háromdimenziós szilárd modell minden egyes vágásához olyan anyag elektrosztatikus leválasztásával történik, amely nem átlátszó az ultraibolya sugárzás átjutását átlátszó maszklemezre. Ezután folyékony polimert visznek fel az aljzatra, amely ultraibolya sugárzás hatására megkeményedik. A maszkkal ellátott lemezt a fotopolimert tartalmazó hordozóra helyezik, és a fotopolimert ultraibolya sugárzással világítják meg a maszkon keresztül, aminek következtében a fotopolimer megvilágított területe megszilárdul. A kikeményítetlen fotopolimert ezután eltávolítják, és olvadó anyag (például viasz) réteggel helyettesítik a vetemedés csökkentése érdekében. A maszkot eltávolítjuk a lemezről, és létrejön a következő maszk a modell következő rétegének szakaszának megfelelően. A folyamat megismétlődik. A termék prototípus gyártási ciklusának végén az alacsony olvadáspontú anyagréteget forró folyadékkal eltávolítják.

Folyamat objektumok létrehozása speciális papír vagy fólia rétegekből(Laminált Objekt gyártás – LOM) ragasztóval bevont lézer használata szükséges. Minden réteg úgy jön létre, hogy papírt adagolunk a munkaterületre, lézersugárral kivágjuk a megfelelő vágás kontúrját, majd forró hengerrel befutjuk az előző réteggel. Anyaga: szintetikus fólia, alumínium fólia, kerámia fólia, szénszálas kendő.

Szelektív szinterezés lézerrel(Szelektív lézerszinterelés – SLS) egy hőre lágyuló anyagból készült porrétegek egymás utáni felhordásából és az egyes rétegek szinterezéséből áll egy programvezérelt lézer lézersugara hatására. Poranyagot használnak, amely elvileg minden hőre lágyuló anyaggal használható, mint például hőre lágyuló műanyagok, precíziós öntéshez használt viasz, fémek, penészhomok.

Összeolvasztott objektumok létrehozása(Fused Deposition Modeling – FDM) nem igényel lézert, és minden réteget hőre lágyuló anyag olvasztásával hoz létre egy fűtött fúvókával, amelyet CNC-eszközzel mozgatnak.

Anyaga: hőre lágyuló műanyag, speciális viasz a precíziós öntéshez.

Háromdimenziós modellek használata szorzatszámításhoz szimulációs módszerekkel

Szimuláció a tervezett objektum modelljének elkészítése és valós körülmények és korlátok között való kísérletezése.

Szimuláció CAD-banúgy történik, hogy a tervezett objektumról modellt készítünk, és a tényleges gyártásig megfigyeljük annak működését, hogy megtaláljuk a racionális paramétereit. Különbséget kell tenni a kinematikai és a dinamikus szimuláció között.

Kinematikai szimuláció egy objektum működőképességének ellenőrzésére szolgál az elemeinek mozgatása során (ütközések, például ütközések ellenőrzése). Példák: vezérlőegységek, mozgó mechanizmus működése.

Dinamikus szimuláció Egy tárgy viselkedésének tanulmányozásával valósul meg, amikor a rá ható terhelések és hőmérsékletek megváltoznak. Meghatározzuk az objektum elemeinek hőterhelési állapotát és deformációit. A matematikai fizika módszereivel nyert analitikus modellek használata összetett konfigurációjú objektumokkal kapcsolatos ilyen számításokhoz jelenleg lehetetlen, mivel el kell fogadni azokat a korlátozásokat, amelyek gyakran sértik az objektum matematikai modelljének megfelelőségét. Ezért a dinamikus szimuláció problémáinak megoldására a CAD-ben közelítő módszereket használnak: végeselem módszer (FEM) és véges különbség módszer (FDM). Amint a gyakorlat azt mutatja, a FEM a leghatékonyabb módszer a szimulációs problémák megoldására CAD-ben. Ez a módszer a vizsgált objektum néhány geometriailag egyszerű, véges elemnek nevezett, egymással csak a csomópontokban kölcsönhatásba lépő alakzat halmazaként történő ábrázolásán alapul. Egy bizonyos módon (az objektum kialakításától függően) elhelyezkedő és a peremfeltételeknek megfelelően rögzített véges elemek, amelyek alakját a modellezett objektum jellemzői határozzák meg, lehetővé teszik a mechanikai szerkezetek sokféleségének leírását. és alkatrészek.

A szilárdságra vonatkozó mérnöki számítások elvégzésekor elkerülhetetlen a szerkezeti elemek szilárdsági megbízhatóságára vonatkozó modellek létrehozásának szakasza. Az ilyen modellek segítségével lehetőség nyílik a szerkezetek anyagának és szükséges méreteinek kiválasztására, valamint a külső hatásokkal szembeni ellenállás értékelésére.

A megbízhatóság a termék azon tulajdonsága, hogy meghatározott korlátokon belül, meghatározott ideig képes ellátni funkcióit. Szilárdsági megbízhatóságnak nevezzük a roncsolással vagy elfogadhatatlan deformációkkal járó meghibásodások hiányát, vagy általában egy bizonyos értelemben határállapot kialakulását. A megbízhatóság fő mértéke a termék hibamentes működésének valószínűsége.

Egy másik, gyakoribb érték a szilárdsági megbízhatóság értékelésére a biztonsági határ. Legyen p a termék teljesítményparamétere (például ható erő, nyomás, egyenértékű feszültség egy veszélyes helyen stb.). Ekkor a biztonsági ráhagyást aránynak nevezzük

ahol Pcr a P paraméter kritikus (korlátozó) értéke, amely megzavarja a termék normál működését, Pmax a paraméter legnagyobb értéke üzemi körülmények között. A szilárdsági megbízhatóság feltétele a következőképpen írható:

ahol [n] a biztonsági tényező megengedett értéke. A megengedett biztonsági határt a hasonló szerkezetek (prototípusok) üzemeltetésében szerzett mérnöki tapasztalatok alapján határozzák meg. Számos technológiai ág rendelkezik szilárdsági szabványokkal, amelyekben a megengedett biztonsági határértékeket szabályozzák a különböző működési feltételekhez. A szokásos változtatási tartomány [n] 1, 3 (stabil terhelési feltételek mellett) 5 vagy több (változó és dinamikus terhelés esetén) között mozog. A számítások gyakorlatában analitikus és numerikus módszereket is alkalmaznak. Az előbbiek matematikai módszereken alapulnak határérték-problémák megoldására, amelyek általában bonyolultak és időigényesek, és gyakran a testek meglehetősen egyszerű geometriai alakzataira és a terhelési sémákra korlátozódnak. A numerikus módszereket, amelyek magukban foglalják különösen a véges különbségek módszerét, a peremintegrálegyenletek módszerét, a peremelemek módszerét, a végeselemek módszerét és más módszereket, éppen ellenkezőleg, nem korlátozza a mérőeszköz alakja sem. testek vagy a terhelés alkalmazásának módja. Ez, valamint a nagy teljesítményű számítástechnika mindenütt elterjedtsége hozzájárul a mérnöki környezetben való elterjedéséhez.

A végeselemes módszer fő gondolata, hogy bármilyen folytonos érték (elmozdulás, hőmérséklet, nyomás stb.) megközelíthető egy egyedi elemekből (szelvényekből) álló modellel.

Az objektumot egyszerű (geometriai szempontból) figurák halmazaként ábrázolják, amelyeket véges elemeknek neveznek (lapos feladat esetén - téglalapok, háromszögek, háromdimenziós feladatok esetén - paralelepipedonok, prizmák, tetraéderek), amelyek mindegyikével kölcsönhatásba lépnek. másik a csomópontoknál. Az elemek lehetnek lineárisak vagy parabolikusak (az élek felezőpontjain csomópontok vannak). Ezen elemek mindegyikén a vizsgált folytonos mennyiséget egy darabonkénti folytonos függvénnyel közelítjük, amely a vizsgált elem véges számú pontján a vizsgált folytonos mennyiség értékein alapul. Ehhez lineáris (elsőrendű) vagy parabolikus (másodrendű) függvényeket használnak.

A csomópontokra határfeltételek vonatkoznak: kinematikai (rögzítések, elmozdulások) és statikus (terhelések), amelyek következtében a test deformálódik. Az egyes elemek egyensúlyi feltétele:

ahol P az erővektor, U az elmozdulásvektor, a véges elem merevségi mátrixa, amely magában foglalja az anyag rugalmas alakváltozással szembeni ellenállását (az anyag által okozott feszültség és a rugalmas alakváltozás arányát) E Young-modulust. it) és μ Poisson-hányados (a keresztirányú deformáció és a hosszirányú alakváltozás aránya).

Az összes véges elem merevségi mátrixa egy globális merevségi mátrixba [K], az elmozdulások és a csomópontokban lévő erők közös elmozdulások [U] és erők [P] oszlopaiba vannak kombinálva.

Ennek eredményeként egy lineáris egyenletrendszer jön létre, amelyben az elmozdulások ismeretlenek:

Az egyenletrendszert az egyes csomópontok elmozdulásának kiszámításával oldjuk meg. Ez akkor vált lehetségessé, amikor 1963-ban bebizonyosodott, hogy ez a FEM a szerkezeti mechanikában ismert Rayleigh-Ritz módszer egyik változatának tekinthető, amely a potenciális energia minimalizálásával lehetővé teszi a probléma lineáris egyensúlyi egyenletrendszerre való redukálását. . Vagyis a kapott megoldás megfelel a deformált rugalmas rendszer minimális potenciális energiájának.

Az elmozdulások a megfelelő feszültségekhez kapcsolódnak a Hooke-törvény szerint:

A kapott számítási eredmények vizuális értékeléséhez a kapott paraméterek (feszültségek, alakváltozások) értékeinek eloszlását izolinok formájában mutatjuk be (amelyeken a paraméterérték állandó), amelyek színe és telítettsége attól függően változik. a paraméter értékén. Ezenkívül az objektum deformált állapotának vizuális minőségi értékeléséhez a deformációkat torzítva mutatjuk be.

Nem számít, mekkora és gazdag lesz a virtuális 3D-s világ. A számítógép csak egyféleképpen tudja megjeleníteni: pixelek elhelyezésével egy 2D képernyőn. A cikk ezen részéből megtudhatja, hogyan válik valósághűvé a kép a képernyőn, és hogyan válnak a jelenetek hasonlóvá a való világban látottakhoz. Először is nézzük meg, hogyan adják meg a realizmust egy tárgynak. Ezután áttérünk az egész jelenetre. Végül pedig megnézzük, hogyan valósítja meg a számítógép a mozgást: a valósághű tárgyak valósághű sebességgel mozognak.

Mielőtt a kép valósághűvé válik, a tárgyak a feldolgozás több szakaszán mennek keresztül. A legfontosabb szakaszok a formaalkotás, a textúra burkolása, a világítás, a perspektíva létrehozása, a mélységélesség és az élsimítás.

Űrlapalkotás

Ha kinézünk az ablakon, látni fogjuk, hogy minden objektumnak van formája, különböző méretű és pozíciójú egyenes és íves vonalakból jön létre. Ugyanígy, amikor egy háromdimenziós grafikus képet nézünk számítógép-monitoron, különféle formákból készült képet fogunk megfigyelni, bár ezek többsége már egyenes vonalakból áll. Négyzeteket, téglalapokat, paralelogrammákat, köröket és rombuszokat látunk. De leginkább háromszögeket látunk. Ahhoz, hogy megbízható képet készítsünk ívelt vonalakkal, mint a körülöttünk lévő világban, sok kis formából kell formát összeállítani. Például az emberi szervezetnek több ezer ilyen penészre lehet szüksége. Ezek együtt egy állványnak nevezett szerkezetet alkotnak. A drótváz nagyon hasonlít egy objektum vázlatához, a drótvázból könnyen azonosítható az objektum. Ugyanilyen fontos az űrlap létrehozása utáni következő lépés is: a drótváznak felületet kell kapnia.

Az illusztráción egy kézcsontváz látható, amely kisszámú sokszögből - összesen 862 -ből készült

Felületi textúrák

Amikor a való világban találkozunk egy felülettel, kétféleképpen kaphatunk információt róla. Megnézhetjük a felületet, különböző szögekből, megérintve megállapíthatjuk, hogy puha vagy kemény. A 3D grafikában csak a felületet tudjuk nézni, miközben minden elérhető információt megkapunk. És ez az információ három összetevőből áll:

• Szín: Milyen színű felület? Egyenletes színű?
• Struktúra: A felület sík, vagy vannak rajta horpadások, dudorok, kiegyenesedések vagy valami hasonló?
• Fényvisszaverő: A felület visszaveri a fényt? A tükröződések tiszták vagy homályosak?

Az egyik módja annak, hogy "valóságot" adjunk egy objektumnak, ha e három összetevő kombinációját választjuk ki a kép különböző részein. Nézz körül: a számítógép billentyűzetének színe/textúrája/visszaverődése más, mint az asztaloké, ami viszont más színben/textúrában/visszaverődésben van, mint a kezedben. Ahhoz, hogy a kép színe az igazinak tűnjön, fontos, hogy a számítógép egy pixel színét tudja kiválasztani a milliónyi különböző színpalettáról. A textúrák sokfélesége függ mind a felület matematikai modelljétől (a béka bőrétől a zselészerű anyagig), mind a felületekre ráhelyezett textúratérképektől (textúratérképek). A tárgyakba olyan tulajdonságokat is be kell ültetni, amelyek nem láthatók: lágyság és keménység, melegség és hidegség a szín, a textúra és a tükrözőképesség különféle kombinációi révén. Ha e paraméterek közül legalább az egyikben hibát követ el, a valóság érzése azonnal szertefoszlik.

A felület hozzáadása a drótvázhoz kezd megváltozni
egy kép valami matematikából képpé,
amelyben könnyen találhatunk kezet.

Világítás

Amikor belépsz egy sötét szobába, felkapcsolod a villanyt. Nem gondol arra, hogy a villanykörtéből kiáramló fény hogyan oszlik el a helyiségben. De a 3D grafika fejlesztésénél ezt folyamatosan figyelembe kell venni, mert a drótvázat körülvevő összes felületet valahonnan meg kell világítani. Az egyik módszer, az úgynevezett sugárkövetési módszer, megrajzolja azt az utat, amelyet egy képzeletbeli sugár megtesz, miután kilép a lámpából, visszaverődik a tükrözött felületekről, és végül az objektumnál ér véget. A fénysugár különböző szögekből különböző erősséggel világítja meg. A módszer még akkor is elég bonyolultnak tűnik, ha egyetlen lámpából építünk sugarakat, de a legtöbb helyiségben sok a fényforrás: több lámpa, ablak, gyertya stb.

A világítás kulcsszerepet játszik két hatásban, amelyek súlyt és szilárdságot kölcsönöznek a tárgyaknak: az árnyékolásban és az árnyékban. Az árnyékolás első hatása egy tárgy fényintenzitásának megváltoztatása annak egyik oldaláról a másikra. Az árnyékolásnak köszönhetően a labda kereknek tűnik, a magas arccsontok kilógnak az arcon, a takaró pedig terjedelmesnek és puhának tűnik. Ezek a fényintenzitásbeli különbségek a formával együtt azt az illúziót erősítik, hogy a tárgynak a magasságon és a szélességen kívül van mélysége is. A súly illúzióját a második hatás hozza létre: az árnyék.

Egy kép kiemelése nem csak mélységet ad
objektumot árnyékolással, de "megköt" is
tárgyat a földre az árnyékon keresztül.

Az optikailag sűrű testek árnyékot vetnek, ha megvilágítják. Láthatsz egy árnyékot a napórán, vagy nézhetsz egy fa árnyékát a járdán. A való világban a tárgyak és az emberek árnyékot vetnek. Ha az árnyékok jelen vannak a háromdimenziós világban, akkor még inkább úgy tűnik, hogy egy ablakon keresztül a való világot nézi, nem pedig a matematikai modelleket tartalmazó képernyőt.

perspektíva

A perspektíva szó technikai kifejezésnek tűnik, de valójában a legegyszerűbb hatást írja le, amelyet mindannyian megfigyelünk. Ha egy hosszú, egyenes út szélén áll, és a távolba néz, úgy tűnik, hogy az út jobb és bal sávja egy ponthoz fut össze a horizonton. Ha fákat ültetnek az út mentén, akkor minél távolabb vannak a fák a megfigyelőtől, annál kisebbek. Észre fogja venni, hogy a fák ugyanarra a pontra futnak össze a horizonton, mint az út. Ha a képernyőn lévő összes objektum egy ponthoz konvergál, akkor ezt perspektívának nevezzük. Természetesen vannak más lehetőségek is, de alapvetően a háromdimenziós grafikában egy pont fentebb leírt perspektíváját alkalmazzák.

A fenti ábrán úgy tűnik, hogy a kezek szét vannak választva, de a legtöbb jelenetben egyes tárgyak elöl vannak, és részben akadályozzák a többi objektumot. Az ilyen jeleneteknél a szoftvernek nem csak az objektumok relatív méretét kell kiszámítania, hanem figyelembe kell vennie az arra vonatkozó információkat is, hogy mely objektumok és mennyit takarnak el másokat. A leggyakrabban használt erre a Z-puffer (Z-Buffer). Ez a puffer a nevét a Z-tengely nevéről kapta, vagyis egy képzeletbeli vonalról, amely a képernyő mögött a jeleneten keresztül a horizontig tart. (A másik két tengely az X tengely, amely a jelenet szélességét és az Y tengely, amely a jelenet magasságát méri).

A Z-puffer minden sokszöghez egy számot rendel az alapján, hogy milyen közel van a jelenet elülső széléhez az adott sokszöget tartalmazó objektum. A képernyőhöz legközelebb eső sokszögekhez általában alacsonyabb számokat, a horizonttal szomszédos sokszögekhez pedig magasabb számokat rendelnek. Például egy 16 bites Z-puffer a képernyőhöz legközelebbi -32.768-as, a legtávolabbi pedig a 32.767-es számot rendelné hozzá.

A való világban a szemünk nem látja a mások által letakart tárgyakat, így nem okoz gondot a látható tárgyak azonosítása. De ezek a problémák folyamatosan felmerülnek a számítógép előtt, és kénytelen közvetlenül megoldani őket. Az egyes objektumok létrehozása során a Z-értékét összehasonlítja a többi objektum értékével, amelyek ugyanazt a területet foglalják el X és Y koordinátákban. A legkisebb Z-értékű objektum teljesen kirajzolódik, míg a többi, magasabb Z-értékű objektum ​csak részben lesz kihúzva. Így nem látunk a karaktereken keresztül kilógó háttértárgyakat. Mivel a Z-puffer az objektumok teljes megrajzolása előtt aktiválódik, a karakter mögött elrejtett jelenet részei egyáltalán nem rajzolódnak ki. Ez felgyorsítja a grafikus teljesítményt.

Mélységélesség

Egy másik optikai hatást, a mélységélességet szintén sikeresen alkalmazzák a 3D grafikában. Ugyanezt a példát alkalmazzuk az út szélére ültetett fákkal. Ahogy a fák távolodnak a megfigyelőtől, egy másik érdekes hatás fog fellépni. Ha a hozzád legközelebb eső fákat nézed, akkor a távoli fák életlenek lesznek. Ez különösen akkor szembetűnő, ha egy fényképet vagy videót néz ugyanazokkal a fákkal. A rendezők és a számítógépes animátorok két célra használják ezt a hatást. Az első a mélység illúziójának fokozása a megfigyelt jelenetben. Természetesen a számítógép a jelenet minden tárgyát pontosan fókuszban tud rajzolni, függetlenül attól, hogy milyen távol van. De mivel a mélységélesség hatása mindig jelen van a való világban, az összes tárgy fókuszba állítása a jelenet valóságának illúziójának megsértéséhez vezet.

A második oka ennek a hatásnak az, hogy felhívja a figyelmet a megfelelő témákra vagy színészekre. Például, hogy jobban összpontosítson egy filmkarakterre, a rendező sekély mélységélességet használ, ahol csak egy színész van fókuszban. Másrészt azoknál a jeleneteknél, amelyeknek a természet fenségesével kell lenyűgözniük, a mélymélységélesség-effektus segítségével a lehető legtöbb tárgyat fókuszba állítják.

Antialiasing

Az élsimítás egy másik technológia, amelyet a szem becsapására terveztek. A digitális grafikus rendszerek nagyon jók a függőleges vagy vízszintes vonalak létrehozásában. Ám amikor megjelennek az átlók és görbék (és ezek nagyon gyakran jelennek meg a való világban), a számítógép sima élek helyett jellegzetes "létrákkal" rajzol vonalakat. Annak érdekében, hogy meggyőzze szemét arról, hogy egy sima vonalat vagy görbét lát, a számítógép képpontokat ad hozzá a vonal körül különböző árnyalatú vonalszínekkel. Ezek a „szürke” pixelek azt az illúziót keltik, hogy nincsenek „lépések”. Ezt a pixelek hozzáadásának folyamatát a szem becsapása érdekében élsimításnak nevezik, és ez az egyik olyan technológia, amely megkülönbözteti a 3D számítógépes grafikát a "kézzel rajzolt" grafikáktól. A vonalak megtartása és a megfelelő mennyiségű „simító” szín hozzáadása egy másik trükkös feladat a számítógép számára, hogy 3D animációt hozzon létre a kijelzőn.

A sokszögekre helyezett textúrák megjelenítésének valósághűbbé tétele érdekében különféle technológiákat alkalmaznak:

Simítás (Anti-aliasing);

· MIP-leképezés;

textúraszűrés.

Anti-aliasing technológia

Az élsimítás egy olyan technológia, amelyet a képfeldolgozás során használnak, hogy kiküszöböljék az objektumok "álsimított" éleinek hatását (aliasing). A képalkotás raszteres módszerével képpontokból áll. Tekintettel arra, hogy a pixelek véges méretűek, a háromdimenziós objektumok szélein úgynevezett lépcsők vagy lépcsős élek különböztethetők meg. A lépcsőhatás minimalizálása érdekében a legegyszerűbb módja a képernyő felbontásának növelése, ezáltal a képpontok méretének csökkentése. De ez az út nem mindig lehetséges. Ha nem tud megszabadulni a lépéseffektustól a monitor felbontásának növelésével, használhatja az Anti-aliasing technológiát, amely lehetővé teszi a lépcsők hatásának vizuális kisimítását. Ennek leggyakrabban használt technikája az, hogy egyenletes átmenetet hozzon létre a vonal vagy a szél színe és a háttérszín között. Az objektumok határán fekvő pont színe a két határpont színeinek átlagértéke.

Számos alapvető élsimítási technológia létezik. A legszínvonalasabb eredményt most először az FSAA (Full Screen Anti-Aliasing) teljes képernyős élsimítási technológia adta. Egyes irodalmi forrásokban ezt a technológiát SSAA-nak nevezik. Ennek a technológiának a lényege abban rejlik, hogy a processzor a képernyő felbontásánál jóval nagyobb felbontásban számítja ki a képkockát, majd a képernyőn megjelenítve egy pixelcsoport értékét egyre átlagolja; az átlagolt pixelek száma megfelel a monitor képernyőfelbontásának. Például, ha egy 800x600-as felbontású képkockát élsimítanak FSAA segítségével, a kép 1600x1200-as felbontással kerül kiszámításra. A monitorfelbontásra váltáskor az egy monitor pixelnek megfelelő négy számított pont színe átlagolódik. Ennek eredményeként az összes vonal sima színátmenetekkel rendelkezik, ami vizuálisan kiküszöböli a lépcsők hatását.

Az FSAA sok felesleges munkát végez, betölti a GPU-t, nem a szegélyeket simítja, hanem az egész képet, ami a fő hátránya. Ennek a hiányosságnak a kiküszöbölésére egy gazdaságosabb technológiát, az MSSA-t fejlesztettek ki.

Az MSSA technológia lényege hasonló az FSAA technológiához, de a poligonokon belüli pixelekre nem történik számítás. Az objektumok határán lévő pixeleknél a simítás mértékétől függően 4 vagy több további pont kerül kiszámításra, amely meghatározza a pixel végső színét. Ez a technológia jelenleg a legelterjedtebb.

A videoadapter-gyártók egyedi fejlesztései ismertek. Az NVIDIA például kifejlesztette a Coverage Sampling (CSAA) technológiát, amelyet csak a GeForce videoadapterek támogatnak a 8. sorozattól kezdve (8600 - 8800, 9600 - 9800). Az ATI bevezette az AAA-t (Adaptive Anti-Aliasing) az R520 grafikus processzorába, és minden ezt követő adaptív élsimítást.

MIP térképezési technológia

A technológiát a 3D objektumok textúrájának minőségének javítására használják. Ahhoz, hogy a háromdimenziós kép valósághű legyen, figyelembe kell venni a jelenet mélységét. Ahogy távolodik a nézőponttól, a fedvény textúrája egyre homályosabb lesz. Ezért egy homogén felület textúrázásakor leggyakrabban nem egy, hanem több textúrát használnak, ami lehetővé teszi a háromdimenziós objektum perspektivikus torzulásainak helyes figyelembevételét.

Például egy macskaköves járdát kell ábrázolni, amely mélyen bemegy a jelenetbe. Ha csak egy textúrát próbál használni a teljes hosszon, akkor a nézőponttól távolodva hullámok vagy csak egyetlen egyszínű szín jelenhet meg. A helyzet az, hogy ebben a helyzetben egyszerre több textúra pixel (texel) esik egy pixelbe a monitoron. Felmerül a kérdés: melyik texel mellett válasszunk pixel megjelenítésénél?

Ezt a feladatot a MIP leképezési technológia segítségével oldjuk meg, amely magában foglalja a különböző részletezettségű textúrák halmazának alkalmazását. Minden textúra alapján egy alacsonyabb részletezettségű textúrakészlet jön létre. Az ilyen készlet textúráit MIP - térképeknek (MIP térkép) nevezik.

A textúra-leképezés legegyszerűbb esetben minden képpixelhez a megfelelő MIP-leképezést a LOD (Level of Detail) táblázat szerint határozzuk meg. Továbbá csak egy texel kerül kiválasztásra a MIP térképről, amelynek színe a pixelhez van rendelve.

Szűrési technológiák

Általános szabály, hogy a MIP-leképezési technológiát a mip-textúrás műtermékek kijavítására tervezett szűrőtechnológiákkal kombinálják. Például, amikor egy objektum távolabb kerül a nézőponttól, átmenet történik az alacsony MIP térképszintről a magasabb MIP térképszintre. Amikor egy objektum az egyik MIP térképszintről a másikra átmeneti állapotban van, egy speciális vizualizációs hiba jelenik meg: az egyik MIP térképszintről a másikra való átmenet jól megkülönböztethető határai.

A szűrés lényege, hogy az objektum pixeleinek színét a szomszédos textúrapontokból (texelekből) számítják ki.

Az első textúra szűrési módszer az úgynevezett pontmintavétel volt, amelyet a modern 3D grafikában nem használnak. A következőt fejlesztették ki bilineáris szűrés. A bilineáris szűrés négy szomszédos textúra pixel súlyozott átlagát veszi igénybe egy pont megjelenítéséhez a felületen. Ilyen szűréssel a lassan forgó vagy lassan mozgó élekkel rendelkező objektumok (például kocka) minősége alacsony (elmosódott élek).

A magasabb minőség ad trilineáris szűrés, melynek során egy pixel színének meghatározásához nyolc texel átlagos színértékét veszik, két szomszédos struktúrából négyet, és hét keverési művelet eredményeként határozzák meg a pixel színét.

A GPU-k teljesítményének növekedésével a anizotróp szűrés, amelyet eddig sikeresen alkalmaztak. Egy pont színének meghatározásakor nagyszámú texelt használ, és figyelembe veszi a sokszögek helyzetét. Az anizotróp szűrés szintjét a képpont színének kiszámításakor feldolgozott texelek száma határozza meg: 2x (16 texel), 4x (32 texel), 8x (64 texel), 16x (128 texel). Ez a szűrés biztosítja a megjelenített mozgókép kiváló minőségét.

Mindezeket az algoritmusokat a videokártya grafikus processzora valósítja meg.

Alkalmazásprogramozási felület (API)

A 3D csővezeték szakaszainak végrehajtásának felgyorsítása érdekében a 3D grafikus gyorsítónak rendelkeznie kell egy bizonyos funkciókészlettel, pl. hardverben, a központi processzor közreműködése nélkül, a 3D kép elkészítéséhez szükséges műveletek elvégzésére. Ezen funkciók halmaza a 3D gyorsító legfontosabb jellemzője.

Mivel a 3D gyorsítónak saját parancskészlete van, csak akkor használható hatékonyan, ha az alkalmazási program használja ezeket a parancsokat. De mivel a 3D-s gyorsítóknak sokféle modellje létezik, valamint különféle alkalmazási programok, amelyek háromdimenziós képeket generálnak, kompatibilitási probléma merül fel: lehetetlen olyan programot írni, amely egyformán jól használná a különféle alkalmazások alacsony szintű parancsait. gyorsítók. Nyilvánvaló, hogy mind az alkalmazásszoftver-fejlesztőknek, mind a 3D-gyorsító gyártóknak szükségük van egy speciális segédprogramra, amely a következő funkciókat látja el:

az alkalmazási program kérések hatékony átalakítása a 3D gyorsító alacsony szintű parancsainak optimalizált sorozatává, figyelembe véve a hardver felépítésének sajátosságait;

a kért funkciók szoftveres emulációja, ha a használt gyorsító nem támogatja a hardvert.

Ezeknek a funkcióknak a végrehajtására egy speciális segédprogramcsomagot hívnak alkalmazás programozási felület (Alkalmazási program felület = API).

Az API egy köztes helyet foglal el a magas szintű alkalmazási programok és az illesztőprogramja által generált alacsony szintű gyorsítóparancsok között. Az API használata mentesíti az alkalmazásfejlesztőt az alacsony szintű gyorsítóparancsok használatától, megkönnyítve ezzel a programok létrehozásának folyamatát.

Jelenleg a 3D-ben számos API létezik, amelyek hatóköre meglehetősen világos:

DirectX, a Microsoft által kifejlesztett, Windows 9X és újabb operációs rendszereken futó játékalkalmazásokban használatos;

OpenGL, elsősorban a Windows NT operációs rendszer alatt futó professzionális alkalmazásokban (számítógéppel segített tervezőrendszerek, 3D modellező rendszerek, szimulátorok stb.) használják;

Saját (natív) API-k amelyeket a 3D gyorsítók gyártói kizárólag chipkészleteikhez hoztak létre, hogy a lehető leghatékonyabban használják ki képességeiket.

A DirectX egy szigorúan szabályozott, zárt szabvány, amely a következő, új verzió megjelenéséig nem enged változtatásokat. Ez egyrészt korlátozza a szoftverfejlesztők és különösen a gyorsítógyártók lehetőségeit, de nagyban leegyszerűsíti a 3D-s szoftver- és hardverbeállítást.

A DirectX-szel ellentétben az OpenGL API a nyílt szabvány koncepciójára épül, kis alapszolgáltatáskészlettel és sok olyan bővítménnyel, amelyek összetettebb szolgáltatásokat valósítanak meg. A Chipset 3D gyorsító gyártója köteles létrehozni egy BIOS-t és az alapvető Open GL funkciókat végrehajtó illesztőprogramokat, de nem köteles minden bővítményt támogatni. Ez számos problémát vet fel azzal kapcsolatban, hogy a gyártók termékeikhez illesztőprogramokat írnak, amelyeket teljes és csonka formában is szállítanak.

Az OpenGL-kompatibilis illesztőprogram teljes verzióját ICD-nek (Installable Client Driver – ügyfélalkalmazás-illesztőprogram) hívják. Maximális teljesítményt nyújt, tk. alacsony szintű kódokat tartalmaz, amelyek nem csak az alapvető funkciókhoz, hanem a bővítményekhez is támogatást nyújtanak. Természetesen az OpenGL koncepcióját figyelembe véve egy ilyen meghajtó létrehozása rendkívül összetett és időigényes folyamat. Ez az egyik oka annak, hogy a professzionális 3D-s gyorsítók drágábbak, mint a játékgyorsítók.