3D-grafiikka

Hakusana ”3D” ohjaa tänne. 3D on myös Robert Del Najan taiteilijanimi.
 Tämän artikkelin tai sen osan kieliasua on pyydetty parannettavaksi.
Voit auttaa Wikipediaa parantamalla artikkelin kieliasua.
Tarkennus: Kielenhuoltoa, lähteistystä, tarkennusta termeihin ym. tarvitaan
3D-grafiikkaa.

3D-grafiikka eli kolmiulotteinen grafiikka (engl. three dimensional) on tietokonegrafiikkaa, joka on sisäisesti mallinnettu kolmen tilaulottuvuuden suhteen. 3D-grafiikka projisoidaan kaksiulotteiselle kuvapinnalle.

Tyypillisiä 3D-grafiikan sovellusalueita:

3D-grafiikka perustuu grafiikkaprimitiiveille, joka on usein polygoni. Tämän lisäksi on matemaattisesti kuvattuja pintoja kuten NURBS-pintoja. 3D-grafiikka käyttää kolmiulotteisella mallinnuksella määritellyiltä kappaleilta, joita esitettävät pinnat ja primitiivit muodostuvat, esimerkiksi geometriset mallit ja matemaattiset mallit.

Esittämistä varten kolmiulotteisen mallin kuvaus muutetaan esitettävään muotoon renderöinnillä. 3D-grafiikka käyttää myös eräitä samoja algoritmeja kuin kaksiulotteinen vektorigrafiikka (polygonimallien käsittelyssä) ja kaksiulotteinen lopullinen kuva eli bittikarttagrafiikka. Lisäksi on olemassa vokseliin eli kolmiulotteiseen pikseliin perustuvaa vokseligrafiikkaa.

3D-grafiikan renderöintitapoja

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Pääartikkeli: Renderöinti

Kolmiulotteisen grafiikan automaattista piirtämistä esimerkiksi kaksiulotteiselle pinnalle sanotaan 3D-renderöinniksi. Se tarkoittaa esimerkiksi kappaleen varjostusta siten, että syntyy vaikutelma kolmiulotteisuudesta. Renderöintitekniikat vaihtelevat etenkin sen mukaan, kuinka paljon aikaa ja laitteistoresursseja yksittäisen kuvan piirtämiseen on käytettävissä.

Reaaliaikainen 3D-animaatio, jota käytetään esimerkiksi tietokonepeleissä ja demoissa, vaatii yksittäisen kuvan piirtoa sekunnin murto-osassa. Tämän vuoksi piirtomenetelmät ovat melko suoraviivaisia ja rasterointipohjaisia; rasterointipohjaisissa menetelmissä pinnan valaistus ei perustu säteenseurantamenetelmään. Näille piirtoalgoritmeille on tehokkaita laitteistotason toteutuksia nykyaikaisissa grafiikkasuorittimissa.

Sekä rasterointi- että säteenseurantamenetelmä voi käyttää geometriatietona polygonia tai vektoriformaattia, mutta suurin ero kuvan laadussa ja suorituskyvyssä tulee säteenseurannan vaatimasta laskentamäärästä valonsäteiden heijastuksien ja hajoamisen määrien vuoksi.[1][2] Säteenseurantaa varten eräissä grafiikkasuorittimissa on erikoistuneita toimintoja nopeuttamaan BVH-hakuja (engl. bounding volume hierarchy) vähentämällä tarvittavia säteiden leikkauskohtien hakuja, mutta menetelmä ei täysin korvaa rasterointia laskennan vaativuuden vuoksi.[3][4] Kehitykseen vaikutti grafiikkasuorittimien muuttuminen kiinteätoimisista suurempaan ohjelmoitavuuteen.[5]

Reaaliaikaisen grafiikan renderöintiin käytetään ohjelmointirajapintoja kuten Khronos Groupin OpenGL:iä, Microsoftin Direct3D:tä, Applen Metalia, AMD:n Mantlea ja uusimpana rajapintana Khronos Groupin Vulkania.[6]

Elokuvateollisuudessa ja kuvituksessa näyttävyys on piirtonopeutta tärkeämpi prioriteetti, joten niissä saatetaan käyttää laskennallisesti vaativampia menetelmiä. Pyyhkäisyviivarenderöinti (engl. scanline rendering) oli suosittua kun rasterointi oli vielä uutta.[7] Pyyhkäisyviivamenetelmää käytti muun muassa RenderManin edeltäjä Reyes.[8][9]

Suunnitteluohjelmistoissa mallintamiseen käytettävät ohjelmistot vaativat pinnoilta hyvää tarkkuutta. Parhaat ohjelmistot laskevat pinnat käyrien perusteella NURBS-pintoina. Jotkut ohjelmistot kykenevät myös reaaliaikaiseen toimintojen mallintamiseen ja simulointiin.

Rasterointi

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Reaaliaikaisen 3D-grafiikan renderöinnin yleisin menetelmä on rasterointi.[1][2] Rasterointi tarkoittaa jatkuva-geometrisen esityksen (kolmion) muuntamista diskreettiin geometriaan pikselipohjaiselle näyttölaitteelle.[10] Grafiikkaliukuhihnassa rasterointi muuttaa grafiikkaprimitiivit pikseleiksi: jokainen näkyvä reuna ja kolmio jokaisessa kappaleessa esitetään näyttöavaruudessa.[11] Tekstuurit liitetään, Z-puskurin syvyystiedolla käsitellään näkyvyydet sekä tehdään muut alpha- ja stencil-tarkistukset.[11]

Toisin kuin säteenseuranta-algoritmeissa, rasteroidessa ei käytetä valonheijastuksia arvioimaan, mitkä pinnat näkyvät lopputuloksessa (suoraan tai epäsuoraan mm. heijastuksien tai läpinäkyvyyden seurauksena). Rasterointi arvioi pintojen sijaintia ja piiloon jäämistä syvyyssijainnin perusteella.

Videopeleissä säteenseurantaa käytetään rasterointimenetelmän kanssa, jossa säteenseurannalla tuotetut varjot ja valaistus yhdistetään.[12] Polunseuranta (path tracing) on eräs tavoiteltava renderöintimuoto.[13]

Rasterointimenetelmässä käytetään ympäristökarttoja tai kuutiokarttoja (engl. cube mapping) heijastuksien sijaan: nämä ovat kiinteitä kuvia, jotka esittävät ympäristöä ja käytetään matkimaan heijastusta ilman säteenseurannan laskennallista vaativuutta.[14] Kuutiokartat näytteistetään siihen tarkoitetulla menetelmällä suuntavektorin avulla, joka eroaa tavallisesta teksturoinnista.[14]

Katso myös

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suomalaisia alan ohjelmistoja Wikipediassa

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  1. ↑ a b Rasterization: a Practical Implementation scratchapixel.com. Arkistoitu 18.1.2017. Viitattu 17.1.2017.
  2. ↑ a b An Overview of the Ray-Tracing Rendering Technique scratchapixel.com. Arkistoitu 18.1.2017. Viitattu 17.1.2017.
  3. ↑ What you need to know about ray tracing and NVIDIA's Turing architecture hardwarezone.com.sg. 14.9.2018. Viitattu 22.1.2021. (englanniksi)
  4. ↑ Turing RT Cores: Hybrid Rendering and Real Time Raytracing anandtech.com. 14.9.2018. Viitattu 22.1.2021. (englanniksi) 
  5. ↑ Timothy J. Purcell & Ian Buck & William R. Mark & Pat Hanrahan: Ray Tracing on Programmable Graphics Hardware (PDF) graphics.stanford.edu. Viitattu 9.9.2024. (englanniksi)
  6. ↑ Khronos Releases Vulkan 1.0 Specification Khronos Group. Viitattu 17.1.2017.
  7. ↑ Akeley, Feiner, Foley, Hughes, Van Dam, McGuire, Sklar: Computer Graphics Principles and Practice, s. 209. (Third Edition) Addison-Wesley, 2014. ISBN 978-0-321-39952-6 (englanniksi)
  8. ↑ Ian Failes: RenderMan at 30: A Visual History vfxvoice.com. Viitattu 29.12.2020. (englanniksi)
  9. ↑ Robert L. Cook & Loren Carpenter & Edwin Catmull: The Reyes Image Rendering Architecture (PDF) graphics.pixar.com. Viitattu 31.12.2020. (englanniksi)
  10. ↑ Akeley, Feiner, Foley, Hughes, Van Dam, McGuire, Sklar: Computer Graphics Principles and Practice, s. 18. (Third Edition) Addison-Wesley, 2014. ISBN 978-0-321-39952-6 (englanniksi)
  11. ↑ a b Akenine-Möller, Tomas & Haines, Eric & Hoffman, Naty: Real-Time Rendering, s. 26. (Third Edition) CRC Press, 2008. ISBN 978-1-56881-424-7 (englanniksi) 
  12. ↑ Ray Tracing In Vulkan khronos.org. 17.3.2020. Viitattu 23.11.2020. (englanniksi)
  13. ↑ Eric Frederiksen: Nvidia Says Real-Time Path Tracing Is On the Horizon, But What Is It? gamespot.com. 1.5.2022. Viitattu 11.7.2022. (englanniksi)
  14. ↑ a b Tutorial 13: Cube Mapping (PDF) research.ncl.ac.uk. Viitattu 11.7.2022. (englanniksi)

Aiheesta muualla

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta 3D-grafiikka.
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=3D-grafiikka&oldid=22623083”