46
warsztat architekta
rendering czasu rzeczywistego
praktyka projektowa
powierzchnię rozpraszającą. W drugim etapie na podstawie mapy
fotonów wykonuje się rendering. Metoda mapowania fotonowego
jest dostępna we wszystkich programach do modelowania i anima-
cji komputerowej, ponieważ pozwala prawidłowo odwzorować
każde zjawisko świetlne: miękkie cienie, przenikanie kolorów,
odbicia kierunkowe, przezroczystość czy efekty kaustyczne (rys. 4).
Plamistość można usunąć z obrazu techniką final gathering.
Przedstawione wyżej metody wymagają wielu obliczeń i dłu-
giego czasu renderingu na procesorze głównym – CPU (ang.
centralprocessing unit
). W 2001 roku pojawiły się programowalne
karty graficzne wyposażone już w GPU (ang.
graphics processing
unit
) – procesor graficzny stosowany z myślą o grafice trójwy-
miarowej czasu rzeczywistego. Od tej pory tysiące małych, lecz
wydajnych, rdzeni GPU zaczęło wykonywać obliczenia równolegle,
co znacznie je przyspieszało. Ponadto, można było programować
etapy potoku renderingu, pisząc shadery – krótkie skrypty cieniu-
jące powierzchnie, które pozwalały kontrolować wygląd obiektu
poprzez parametry. Procesor GPU używa shaderów do wygene-
rowania każdego wierzchołka geometrii i każdego piksela. Powstały
również technologie umożliwiające zapisywanie oraz uruchamianie
na karcie graficznej oprogramowania ogólnego przeznaczenia
(CUDA Nvidii i otwarty standard OpenCL). W 2002 i 2003 roku
ukazały się publikacje Tima Purcella, dotyczące programowania
algorytmów śledzenia promieni i mapowania fotonowego na GPU,
a nie na CPU. Z kolei 15 sierpnia 2008 roku firma Nvidia zapre-
zentowała ray tracing w czasie rzeczywistym, połączony z techniką
IBL (ang.
image based lighting
). Dziś z mocy obliczeniowych GPU
mogą korzystać popularne programy, takie jak Adobe Photoshop,
Autodesk 3ds Max i Maya, AutoCAD oraz Revit.
Te cechy materialności przedmiotu, których nie można uzyskać
w wyniku modelowania geometrii lub obliczeń oświetlenia, są
z powodzeniem imitowane przez teksturę. Składają się na nią mapa
tekstury, będąca zwykle obrazem, oraz metody odwzorowania
(inaczej mapowania) na powierzchnię obiektu danych zapisanych
w jej mapie. Podstawową teksturą jest tekstura koloru, dzięki której
na danych płaszczyznach pojawia się wzór. Użytecznymi metodami
teksturowania są: mapowanie przemieszczeń (ang.
displacement
mapping
) i mapowanie nierówności (ang.
bump mapping
). Pierwsza
technika, choć bardziej czasochłonna, zmienia położenie wierzchoł-
ków, modyfikując zamodelowaną geometrię obiektu. Używana jest
do uzyskania efektów wytłoczenia (np. fugi w murze) lub korekty
kształtu. Drugą metodę stosuje się do imitowania chropowatości
powierzchni, ponieważ dzięki zwichrowaniu normalnych (tzn. wek-
torów prostopadłych do powierzchni) modyfikuje cieniowanie w taki
sposób, jakby naprawdę istniały na niej nierówności, choć model
jest gładki. Gdy obliczenia wykonywane są przez shadery na GPU,
zamiast mapy nierówności używa się mapy normalnych zwichrowa-
nych. Aby wygląd pomarszczeń zmieniał się wraz z kątemobserwacji,
łączy się mapowanie normalnych z mapowaniem paralaksy.
Podsumowanie
Przy symulowaniu oświetlenia w scenie graficznej stosowane
są podejścia: naukowe (matematyczne, fizyczne, algorytmiczne),
informatyczne (programowanie shaderów, potoków renderingu),
artystyczne i techniczne. Proces ten jest sztuką, jeśli obraz sceny ma
być czytelny, przekonujący, przyciągać wzrok i wywoływać u widza
określone skojarzenia czy emocje. Wymaga również biegłości
w posługiwaniu się programami graficznymi oraz przynajmniej pod-
stawowej wiedzy informatycznej. Na realizm obrazu syntetycznego
wpływa ponadto stopień dokładności odwzorowania geometrii
i materialności obiektów, który osiąga się poprzez odpowiedni
dobór metod (modelowania, skanowania i teksturowania).
prof. nadzw. dr hab. inż. Maria Pietruszka,
dr inż. Rafał Szrajber,
Instytut Informatyki Politechniki Łódzkiej
Przypisy
1.
Projekt pt. „Czasoprzestrzenne
modele rzeźb w środowisku rze-
czywistości wirtualnej” finansowany
przez Komitet Badań Naukowych.
2.
Projekt pt. „Wirtualne rekonstruk-
cje w międzynarodowych środowi-
skach naukowych – Portal: Pałace
i parki byłych Prus Wschodnich”,
finansowany z programu SAW
Stowarzyszenia Leibniz.
4
4.
Rendering metodą strumie-
niowego mapowania fotonowego:
diakaustyka (lewy), katakaustyka
(środkowy), miękkie cienie i prze-
nikanie koloru (prawy), (autorska
metoda K. Guzka).
