Генерация и построение изображений ландшафта в реальном времени (стр. 4 из 8)
Мипмапы
Мипмапы (MipMaps) или Мип-карты — предрассчитанный, оптимизированный набор изображений связанных с одной текстурой и предназначенный для увеличения скорости рендеринга и улучшения качества изображения.
Каждое следующее изображение в наборе вдвое меньше предыдущего. То есть самое первое имеет размер равный размеру текстуры, второе вдвое меньший, третье — вчетверо и т.д. до размера 1х1 тексель.
Смысл такого вот предрассчитанного набора состоит в том, что при текстурировании будет выбираться изображение с наиболее подходящим размером.
Предположим, что на модель натянута текстура размером 512х512. Модель стоит далеко от камеры и геометрические размеры на экране у нее малы (скажем 3 пикселя)
При отключенном мипмапинге видеокарте придётся выбирать, какой тексель из большой текстуры будет использован для расчёта цвета точки. Этот выбор может меняться при изменении ракурса камеры, что приведёт к мерцанию объектов вдали.
При включенном мипмапинге видеокарта выберет более подходящий размер текстуры, и будет производить выборку из него, что избавит нас от артефактов изображения.
При применении Трилинейной Фильтрации или Билинейной фильтрации с мипмапингом можно получить более размытые текстуры на поверхностях вдали или под углом. Для улучшения качества желательно применять Анизотропную фильтрацию.
Использование мипмапинга также повышает быстродействие, так как более эффективно используется текстурная кэш-память видеокарты, и меньше данных приходиться передавать по шине.
Генерацию мип-уровней можно сделать несколькими способами:
Самое простое, это указать видеокарте сгенерировать мип-уровни, но качество не будет очень хорошим, так как для генерации, скорее всего, будет использоваться простой Box фильтр (Используется в нашей программе).
Другой вариант - генерировать мипмапы самому, своими реализациями фильтров, или воспользовавшись пакетами для редактирования изображений, которые уже имеют нужную функциональность. Таким образом, можно выбирать, какой фильтр даёт наилучший результат, и ещё больше поднять качество.
Ещё один вариант требует намного больше труда, чем предыдущие два. Он заключается в рисовании всех мип-уровней вручную. В зависимости от опыта художника качество может измениться в ту или иную сторону.
Принцип действия
Создаётся так называемая MIP-пирамида — последовательность текстур с разрешением от максимального до 1×1. Например: 1×1, 2×2, 4×4, 8×8, 16×16, 32×32, 64×64, 128×128, 256×256 и 512×512. Каждая из этих текстур называется MIP-уровнем или уровнем детализации
На всех этих текстурах находится одно и то же изображение. Таким образом, MIP-текстурирование увеличивает расход видеопамяти на треть:
.При наложении текстур вычисляется расстояние до объекта, соответственно находится номер текстуры как
,где resolution - разрешение виртуальной камеры (количество пикселей, которое будет в объекте размером в 1 ед., расположенном в 1 ед. от камеры),
texelsize — размер текселя в единицах трёхмерного мира,
dist — расстояние до объекта в тех же единицах,
mip bias — число, позволяющее выбирать более или менее детальную текстуру, чем даёт формула. Эта цифра округляется до целого, и текстура с соответствующим номером (нулевая — самая детальная, первая — вдвое меньшая и т. д.) накладывается на объект.
Недостатки, способы решения
Расход видеопамяти увеличивается на треть. Впрочем, видеопамять сейчас достаточно дешева. К тому же, если объект далеко, его детальную текстуру можно и выгрузить в оперативную память.
MIP-текстурирование не решает проблему текстур, находящихся под острым углом к зрителю (например, дорога ). У таких текстур разрешение по одной оси сильно отличается от разрешения по другой — и, например, по оси X изображение явно размыто, в то время как по оси Y видны мерцания, свойственные завышенному разрешению текстуры.
Есть сразу несколько способов решения этого (начиная с наименее качественного):
1. Установить наиболее комфортное значение mip bias — числа, которое отвечает за выбор номера текстуры в пирамиде. Если оно отрицательное, видеоплата берёт более детальные текстуры, если положительное — менее детальные.
2. Воспользоваться анизотропной фильтрацией — методом текстурирования, который направлен именно на решение этой проблемы.
Наконец, видна чёткая граница между MIP-уровнями. Это решается трилинейной фильтрацией.
Билинейная фильтрация — процесс извлечения нескольких пикселей исходной текстуры с последующим усреднением их значений для получения окончательного значения пикселя. Понятие «билинейная фильтрация», точно так же, как и сходное понятие «трилинейная фильтрация», применимо только к двумерным текстурам. Для трехмерных, например, данное понятие неприменимо, а понятие трилинейной фильтрации имеет совершенно другое значение. Пример исходного кода функции билинейной фильтрации.
Трилинейная фильтрация — усовершенствованный вариант билинейной фильтрации. Цвет пикселя высчитывается как средневзвешенное восьми текселей: по четыре на двух соседних MIP-текстурах. В случае, если формулы MIP-текстурирования дают самую крупную или самую маленькую из MIP-текстур, трилинейная фильтрация вырождается в билинейную.
MIP-текстурирование, повышая чёткость изображения и процент попаданий в кэш на дальних расстояниях, имеет серьёзный недостаток: ясно видны границы раздела между MIP-уровнями. Трилинейная фильтрация позволяет исправить этот недостаток ценой некоторого снижения резкости текстур.С недостаточной резкостью борются, устанавливая отрицательный mip bias — то есть, текстуры берутся более детальные, чем нужно было бы без трилинейной фильтрации.
Алгоритм, использующий Z-буфер
Это один из простейших алгоритмов удаления невидимых поверхностей. Работает этот алгоритм в пространстве изображения. Идея z-буфера является простым обобщением идеи о буфере кадра. Буфер кадра используется для запоминания атрибутов (интенсивности) каждого пикселя в пространстве изображения, z-буфер – это отдельный буфер глубины, используемый для запоминания координаты z, или глубины каждого видимого пикселя в пространстве изображения.
Главное преимущество алгоритма – его простота. Кроме того, этот алгоритм решает задачу об удалении невидимых поверхностей и делает тривиальной визуализацию пересечений сложных поверхностей. Сцены могут быть любой сложности. Поскольку габариты пространства изображения фиксированы, оценка вычислительной трудоемкости алгоритма не более чем линейна. Поскольку элементы сцены или картинки можно заносить в буфер кадра или в z-буфер в произвольном порядке, их не нужно предварительно сортировать по приоритету глубины. Поэтому экономится вычислительное время, затрачиваемое на сортировку по глубине. При этом, алгоритм z-буфера, будучи реализованный аппаратно, является самым быстрым алгоритмом удаления невидимых поверхностей.
Основной недостаток алгоритма – большой объем требуемой памяти. Если сцена подвергается видовому преобразованию и отсекается до фиксированного диапазона координат г значений, то можно использовать z-буфер с фиксированной точностью. Для обработки информации о глубине достаточно 32 бит. z-буфер размером 1280*1024*32 бит требует 40 Mb памяти. Но в настоящее время этот недостаток перестал быть актуальным из-за удешевления и миниатюризации элементов памяти.
Альтернативой созданию специальной памяти для z-буфера является использование для этой цели видео памяти.
Другой недостаток алгоритма z-буфера состоит в трудоемкости и высокой стоимости устранения лестничного эффекта, а также реализации эффектов прозрачности и просвечивания.
При визуализации изображения, как пиксельная информация, так и глубина усредняются. В этом методе требуются очень большие объемы памяти. Например, изображение размером 512х512х24 бита, использующее z-буфер размером 20 бит на пиксель, разрешение которого повышено в 2 раза по осям х и у, и на котором устранена ступенчатость методом равномерного усреднения, требует почти 6 Mb памяти.
Описание алгоритма z-буфера таково:
Заполнить буфер кадра фоновым значением интенсивности или цвета.
Заполнить z-буфер минимальным значением z.
Преобразовать каждый многоугольник в растровую форму в произвольном порядке.
Для каждого Пиксель(x, y) в многоугольнике вычислить его глубину z(х, у).
Сравнить глубину z(x, у) со значением Z буфер(x, у), хранящимся в z-буфере в этой же позиции.
Если z(х, у) > Z буфер(x, у), то записать атрибут этого многоугольника (интенсивность, цвет и т. п.) в буфер кадра и заменить Z буфер( х, у) на z(х, у).
В противном случае никаких действий не производить.
В качестве предварительного шага там, где это целесообразно, применяется удаление нелицевых граней.
Если известно уравнение плоскости, несущей каждый многоугольник, то вычисление глубины каждого пикселя на сканирующей строке можно проделать пошаговым способом. Напомним, что уравнение плоскости имеет вид
ах + by + cz + d = 0
z = -(ах + by + d)/с
Для сканирующей строки y = const. Поэтому глубина пикселя на этой строке, у которого х1 = x + Dх, равна
z1 – z = -(ах1 + d)/c + (ах + d)/с = а(х – х1)/с
или
z1 = z-(a/c)Dx
Но Dx = 1, поэтому z1 = z – (а/с).
Освещение
В любом трёхмерном приложении использование какой-либо модели освещения всегда придаёт реалистичность обрабатываемой сцене. Как правило, в неё включается закон, по которому рассчитывается освещённость точки в пространстве, и метод закраски освещённого многоугольника. От выбора той или иной модели освещения зависит качество изображения, построенного компьютером, и скорость работы программы.