камальдинова. Мультимедиа технологии
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
10.4 Сглаживание На заключительном этапе рендеринга применяется алгоритм сглаживания (антиэлайзинг) для устранения эффекта дискретизации, ступенчатости изображения на границе объектов. Поскольку пиксели выровнены по сетке (что характерно для обычных дисплеев), точное 234 представление объекта, имеющего наклонные линии, представляется непростой задачей. Дискретизация приводит к появлению на прямых линиях эффекта ступенчатости или зазубренности. Алгоритм сглаживания снижает остроту проявления подобного эффекта. При необходимости четырехугольники (полигоны) без проблем превращаются в треугольники при экспорте в игровой движок, а при необходимости сглаживания или тесселяции модель из четырехугольников получается, как правило, без артефактов. Что такое тесселяция? Если какой-то объект представляется в виде полигонов (особенно органические объекты, например, человек), то понятно, что чем меньше размер полигонов, чем их больше, тем более близкой может быть модель к оригиналу. На этом основан метод тесселяции: сначала изготавливают грубую болванку из небольшого кол-ва полигонов, затем применяют операцию тесселяции, при этом каждый полигон делится на 4 части. Так вот, если полигон четырехугольный (а еще лучше, близок к квадрату) то алгоритмы тесселяции дают более качественный и предсказуемый результат. Также операция сглаживания, а это та же тесселяция, только с изменением углов на более тупые, при близких к квадрату полигонах, позволяет получить хороший результат. 10.5 Пакеты для моделирования 3D Наиболее популярными пакетами сугубо для моделирования являются: Zbrush; Autodesk 3D max; Rhinoceros 3D; SketchUp; Blender; Компас. 235 Zbrush – программа для 3D моделирования. Отличительной особенностью данного ПО является имитация процесса «лепки» трехмерной скульптуры, усиленного движком трехмерного рендеринга в реальном времени, что существенно упрощает процедуру создания требуемого трехмерного объекта. Autodesk 3ds Max – полнофункциональная профессиональная программная система для создания и редактирования трехмерной графики и анимации Rhinoceros – коммерческое ПО для трехмерного NURBS- моделирования. Преимущественно используется в промышленном дизайне, архитектуре, корабельном проектировании, ювелирном и автомобильном дизайне, быстром прототипировании, реверсивной разработке, а также в мультимедиа и графическом дизайне. SketchUp – программа для моделирования относительно простых трехмерных объектов – строений, мебели, интерьера. Blender – Свободное и открытое ПО для создания трехмерной компьютерной графики, включающий в себя средства моделирования, анимации, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, компоновки с помощью «узлов», а также для создания интерактивных игр. Компас – семейство систем автоматизированного проектирования с возможностями оформления проектной и конструкторской документации согласно стандартам серии ЕСКД (Единая система конструкторской документации) и СПДС (Система проектной документации для строительства). Краткие итоги лекции 10 Трехмерная графика – раздел компьютерной графики, посвященный методам создания изображений или видео путем моделирования объемных объектов в трехмерном пространстве. 3D-моделирование – это процесс создания трехмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования – разработать визуальный объемный образ 236 желаемого объекта. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира, так и быть полностью абстрактной. Виды трехмерной графики: Полигональная. Фрактальная. Аналитическая. Вопросы по лекции 10 1. Дать определение трехмерной графики. 2. Дать определение 3D Моделированию. 3. Какие виды трехмерной графики вы знаете? 4. Принцип закраски методом Гуро? 5. Принцип закраски методом Фонга? 6. Что такое рендеринг? 7. Перечислить популярные пакеты для 3D моделирования 8. В чем заключается алгоритм сглаживания объектов? 9. Перечислить и описать этапы рендеринга. 10. Описать процесс прямой трассировкой лучей. 11. Описать процесс прямой трассировкой лучей 12. Описать процесс прямой трассировкой лучей 13. Описать процесс обратной прямой трассировкой лучей. 14. Составить Схема графического конвейера 15. Какие шаги необходимо выполнить для получения трехмерного изображения на плоскости? 237 Лекция 11 3D. Стереокино. Стереокинематограф Краткая аннотация лекции: Рассматривается история развития стереокинематографа, стереокино, виды и методы стереосъемки, форматы стереофильмов. Цель лекции: изучить основы стереокино и стереокинематографа. Изучить виды трехмерных стереодисплеев, виды стереосъемки, форматы стереофильмов. 11.1 3D. Стереокино Стереодисплей – название для устройства визуального отображения информации (дисплея), позволяющего создавать у зрителя иллюзию наличия реального объема у демонстрируемых объектов и иллюзию частичного либо полного погружения в сцену, за счет стереоскопического эффекта. Стереоскопия всего лишь один из способов формирования объемного изображения, так что не совсем правильно отождествлять понятия «стереодисплей» и «трехмерный дисплей». Стереодисплей является трехмерным дисплеем, но не всякий трехмерный дисплей является стереоскопическим (само определение «трехмерный» в отношении средств вывода графической информации связано с употреблением СМИ термина «3D» в отношении как стереоскопических технологий, так и (псевдо) трехмерной (объемной) компьютерной графики, несмотря на различие сути терминов «объемность» и «стереоскопичность»). Виды трехмерных дисплеев 1. Стереоскопические 3D-дисплеи формируют отдельные изображения для каждого глаза. Такой принцип используется в стереоскопах, известных еще с начала XIX века. 2. Автостереоскопические 3D-дисплеи воспроизводят трехмерное изображение без каких-либо дополнительных аксессуаров для глаз или головы (таких как стереоочки или шлемы виртуальной реальности). 3. Голографические 3D-дисплеи имитируют пространственное размещение световых волн в таком виде, как они располагались бы при отражении света от реального трехмерного объекта. 238 4. Объемные дисплеи используют различные физические механизмы для показа светящихся точек в пределах некоторого объема. Стереоскопические дисплеи Стереоскопические дисплеи делятся на два типа: Автостереоскопические дисплеи – дисплеи, не нуждающиеся в дополнительных аксессуарах, и способные самостоятельно формировать стереоэффект путем направления нужного пучка света в нужный глаз. Как правило, для этого применяются микролинзы Френеля, выполняющие роль светоделителей, и специальные барьерные сетки, так чтобы каждый глаз зрителя видел только тот столбец пикселей, который предназначен для него (у данного метода имеются множественные недостатки. В частности, выход зрителя из нужного ракурса или выход из ограниченной «зоны безопасного просмотра» приводит к разрушению эффекта стерео, а разрешение изображения по горизонтали автоматически уменьшается вдвое). Производители стереодисплеев продолжают разрабатывать технологии, позволяющие уменьшить эти недостатки. Philips и NewSight разработали свои технологии многоракурсных дисплеев – WOWvx и MultiView. Компания SeeReal Technologies, в свою очередь, встраивает в свои дисплеи подвижный светоделитель и детектор положения головы зрителя, перестраивая изображение под нужный угол зрения. Дисплеи, требующие использования вспомогательных устройств (очков) для создания зрительного стереоэффекта. В свою очередь вспомогательные очки делятся на две категории - пассивные и активные: Пассивные. Анаглифические, использующие метод получения стереоэффекта для стереопары обычных изображений при помощи цветового кодирования изображений, предназначенных для левого и правого глаза. Вместо диоптрийных стекол в такие очки вставлены специальные светофильтры, как правило, для левого глаза – красный, для правого – голубой или синий. Поляризационные очки, через эффект поляризации формирующие разные изображения для разных глаз. Снижение яркости изображения для 239 поляризационных очков составляет примерно 50 %, разрешение остается тем же (для систем с двумя ЖК-панелями: Planar, StereoPixel) или снижается вдвое (Zalman). Поляризационные очки применяются также в кинотеатрах IMAX. Активные. Затворные очки (жидкокристаллические или поляризационные), синхронизированные с дисплеем и поочередно затемняющиеся с той же частотой, с которой дисплей выводит изображения (кадры) для каждого глаза. За счет эффекта инерции зрения в мозгу зрителя формируется цельное изображение (при этом требуется дисплей с частотой развертки 120 Гц, так, чтобы для каждого глаза частота обновления изображения составляла 60 Гц). Снижение яркости изображения для затворных составляет примерно 80 %, разрешение остается тем же. Голографические дисплеи Термин «3D-дисплей» применяется также в отношении голографических дисплеев, имитирующих пространственное размещение световых волн в таком виде, как они располагались бы при отражении света от реального трехмерного объекта Объемные дисплеи Термин «3D-дисплей» употребляется и в отношении т. н. объемных или воксельных дисплеев, где объемное изображение формируется (при помощи различных физических механизмов) из светящихся точек в пределах некоторого объема. Такие дисплеи вместо пикселов оперируют вокселами. Объемные дисплеи строятся на разных принципах. Например, могут состоять из множества плоскостей, формирующих изображение, которые расположены одна над другой, одной качающейся плоскости, или же вращающихся плоских, или криволинейных панелей (Swept-volume display). Дисплеи на основе качающихся плоскостей и вращающихся панелей используют эффект зрительной инерции для достижения 3D-эффекта. На рисунке 11.1: 1. Проецирующая оптика, 2. Проекционная поверхность, 3. Графическая карта и память, 4. Проектор. 240 Сейчас получают распространение подобные дисплеи низкого разрешения на основе светодиодов (в том числе трехцветных (RGB), позволяющих получить до 16 миллионов цветовых оттенков), как простейших, разрешением 3х3х3 (монохром), так и значительного размера и разрешения. Еще один вид 3d-дисплеев, это – Static volume 3d display (Статический объемный 3d-дисплей). Они создают изображение без помощи больших, двигающихся тем или иным образом, частей (см. рис. 11.2). 1.Инфракрасный пульсирующий лазер. 2а. Фокусирующая и (2б) рассеивающая линзы. 3.Гальваническое зеркало. 4.Плазменный шарик. Первый образец был продемонстрирован в 2006 г. Используется инфракрасный лазер со «скорострельностью» 100 импульсов в секунду. С его помощью в воздухе создаются плазменные шарики. Точка их появления задается системой линз и зеркал. Таким образом, можно формировать простые геометрические фигуры. Рис.11.1. Swept-volume display 241 Рис.11.2. Static volume 3d display Безопасность и влияние на здоровье Компания Sony признала наличие неприятных побочных эффектов от 3D-фильмов и игр (головокружение, тошнота и др.), и рекомендовала ограничить такие развлечения для детей, особенно до шести лет. Ранее аналогичное предупреждение выпустила компания Samsung. Перечисляется гораздо больше возможных неприятностей от стереокино – включая ухудшение зрения, мышечный тик, головную боль и дезориентацию. Рекомендуется не ставить 3D-телевизоры вблизи лестниц и балконов, чтобы не сломать шею после просмотра. А также не рекомендуется смотреть 3D, будучи в состоянии опьянения, либо беременности. 11.2 Историческая справка Технология стереоскопического показа является современником фотографии и кинематографа: первый патент на электромеханические затворные очки для просмотра стереофильмов был выдан еще в ХIX веке, а первый цветной стереотелевизор (по одной из версий) был изготовлен в Ленинградском электротехническом институте связи (ЛЭИС) еще до начала массового цветного телевещания (Шмаков П.В.). Еще раньше начал использоваться анаглифический метод, основанный на свойствах светофильтров пропускать одни и задерживать другие лучи в зависимости от их цвета. Как правило, используются красный и дополнительный к нему сине-зеленый светофильтр, а на экран выводится изображение, полученное цветовым наложением двух изображений 242 стереопары. При этом в каждом пикселе суммарного изображения составляющая R (красная) соответствует таковой в левом изображении, а составляющие G (зеленая) и B (синяя) – в правом. При просмотре суммарного изображения через цветные фильтры (красный и сине-зеленый), пропускающие световые пучки красного и синего с зеленым цветов к разным глазам, формируется стереоэффект. Благодаря крайней простоте (а значит и низкой стоимости) анаглифических очков, представляющих собой два разноцветных стекла или пленки в оправе, и отсутствию дополнительных ограничений на конфигурацию компьютера, анаглифическое стерео представляется оптимальным для демонстрационных целей. Недостатком является то, что при просмотре через сине-красные очки приглушается цвет изображения, а для получения качественной стереокартины необходимо точное соответствие цветовой гаммы очков и цветового спектра дисплея, в противном случае возникает двоение контуров объектов, что затрудняет их восприятие. Кроме того, при работе с цветными растрами наблюдаются проблемы с изображением объектов, имеющих цвет, близкий к красному или синему. Адаптация зрителя к специфическим условиям восприятия происходит достаточно быстро. Однако после долгого пребывания в анаглифи-ческих очках у зрителя на некоторое время снижается цветовая чувствительность и возникает ощущение дискомфорта от восприятия обычного (не красно-голубого) мира. Примерно 20 лет назад, после появления быстродействующих ЖК- и ЭЛТ-дисплеев, стал развиваться более совершенный метод временного разделения кадров – так называемый эклипсный метод, который позволял сохранить цвета изображения. При эклипсном методе на экран дисплея последовательно по времени выводится правое и левое изображение стереопары, и синхронно с выводом изображений открывается/закрывается правый/левый оптический затвор ЖК-очков. При достаточно высокой частоте смены кадров (>100 Гц, порог зависит от яркости экрана и общей 243 освещенности) ракурсы стереопары воспроизводятся слитно, без мерцания и артефактов. Позднее эклипсный метод был почти забыт широкой публикой. Это связано прежде всего с интенсивным развитием ЖК-технологий. Более компактные ЖК-дисплеи практически полностью вытеснили с рынка традиционные ЭЛТ-дисплеи. Кроме компактности, ЖК-дисплеи обладают рядом преимуществ по сравнению с ЭЛТ-дисплеями: более стабильным изображением и отсутствием мерцания. Однако до недавнего времени ЖК-дисплеи обладали слишком низкой скоростью смены изображения, что не позволяло реализовать на них эклипсный метод с нужной частотой кадров: 100Гц и выше. Во многом благодаря этому стали развиваться другие методы получения стереоизображения, более пригодные для реализации на ЖК-дисплеях, в основном – поляризационные. Более подробно эти стереодисплеи, а также современная реинкарнация эклипсного метода на основе новейших быстрых ЖК-дисплеев, и будут рассмотрены ниже. 11.3 Виды ЖК дисплеев Эклипсные 120-герцовые ЖК-дисплеи Эклипсный метод стереоотображения основан на попеременном показе с высокой частотой изображений для левого и правого глаза и синхронного с показом нужного ракурса переключения оптических ЖК-затворов стереоочков. С ЭЛТ-дисплеями данный метод используется уже свыше 20 лет, но только недавно появились ЖК-дисплеи, способные обновлять изображение с нужной частотой. Первой моделью 120-герцового ЖК- дисплея стал Samsung SyncMaster 2233RZ. Подобные дисплеи с диагональю 22''… 24'' позднее выпустили также фирмы LG, ViewSonic, Acer и др. 3D-параметры данных дисплеев близки, так как используется общая элементная база. Обычно стереодисплеи маркируются логотипом 3D Ready или просто 3D. Главной особенностью 3D- дисплеев является повышенная частота кадров (120 Гц) и увеличенная 244 пропускная способность канала данных (используются оба канала интерфейса DVI – так называемый Dual Link DVI). В остальном это обычные ЖК-дисплеи как по конструкции, так и по потребительским свойствам, поэтому уже в ближайшее время логотип 3D Ready может стать вполне обычным для большинства дисплеев. Помимо стереодисплеев, эклипсный метод сейчас также используется в ноутбуках со 120-герцовыми ЖК-экранами (выпускаются компаниями MSI и Asus), в ЖК- и плазменных 3D-телевизорах (на сегодня доступны модели с размерами по диагонали 50''…65'' фирм Samsung, Sony, Panasonic и др.). При эклипсном методе, помимо дисплея, существенной частью системы являются затворные очки, так как они представляют собой довольно сложное устройство, от которого в большой степени зависят качество 3D- изображения, стоимость системы и удобство пользователя. Большинство производителей 3D-телевизоров комплектует их очками собственного производства. Для компьютерных ЖК-дисплеев, в основном, используется комплект «очки + USB-передатчик» 3D Vision фирмы NVidia (США). Остальные фирмы выпускают специализированные устройства для профессиональных видеокарт с аппаратной поддержкой стереорежима или со специальным ПО, так как для синхронизации переключения изображения на экране и затворов очков требуется глубокая интеграция драйверов видеокарты и контроллера управления очками, что доступно только фирме- разработчику видеодрайвера. Достоинства мониторов данного типа: сравнительно невысокая цена; стандартные габариты; совместимость с имеющимися стандартами графики (OpenGL – для профессиональных видеокарт, DirectX/Nvidia 3D Vision – для видеокарт на основе чипсетов Nvidia Geforce). 245 Недостатки: мерцание изображения из-за импульсного режима показа (изображения показываются последовательно на одном экране). Для снижения мерцания обычно повышают частоту кадров: считается, что при частоте кадров 120 Гц мерцания практически не видно. Однако для ЖК- стереодисплеев проблема усугубляется малой скважностью показа изображения: из-за низкого быстродействия ЖК-матрицы соответствующий затвор очков открывается не сразу по смене кадров, а только по окончании переключения матрицы дисплея. В результате, при частоте кадров 120 Гц из рабочего периода 16 мс каждое изображение показывается только 2 мс (то есть со скважностью 1:8, тогда как у ЭЛТ-дисплеев она равна 1:2), что значительно увеличивает общее мерцание изображения; значительное снижение яркости изображения: типичное пропускание ЖК-затворов в открытом состоянии составляет 20…35%, поэтому при скважности открытия затвора 1:8 результирующая яркость стереоизображения не превысит 5% от яркости экрана в монорежиме, что создает дополнительную нагрузку на зрение и значительно ухудшает качество стереоэффекта, особенно на динамичных сценах; высокая цена затворных очков и дополнительные затраты на элементы питания при их эксплуатации. |