Rasterização

O termo rasterização, em geral, pode ser aplicado a qualquer processo pelo qual informações tipo vetorial podem ser convertidas num formato raster^{[carece de fontes?]}.

Em condições normais de utilização, o termo refere-se ao popular algoritmo de renderização, usado para exibir formas tridimensionais num computador^{[carece de fontes?]}. Rasterização é atualmente a técnica mais popular para a produção em tempo real de gráficos 3D^{[carece de fontes?]}. Aplicações em tempo real precisam responder de imediato aos usuários e, em geral, necessitam produzir taxas de pelo menos 24 fps (frames por segundo) para passar a sensação de movimento^{[carece de fontes?]}.

Comparada a outras técnicas, como renderização, a rasterização é extremamente rápida^{[carece de fontes?]}. No entanto, rasterização é simplesmente o processo de computar formas e geometria para pixels, e não prescreve uma determinada forma de calcular a cor desses pixels^{[carece de fontes?]}.

O mais básico algoritmo de rasterização pega uma cena 3D, descrita como polígonos, e transforma-a em uma superfície 2D, normalmente um monitor de computador^{[carece de fontes?]}. Polígonos são representados com uma coleções de triângulos^{[carece de fontes?]}. Triângulos são representados por 3 vértices no espaço tridimensional^{[carece de fontes?]}. Em um nível muito básico, os rasterizadors pegam um fluxo de vértices, e transforma-os em pontos de duas dimensões correspondentes ao monitor do telespectador e preenchem os triângulos 2D que foram transformados de acordo com a necessidade^{[carece de fontes?]}.

Transformations são normalmente realizados por matriz multiplicação^{[carece de fontes?]}. quaterniões matemática também podem ser utilizadas, mas que está fora do âmbito de aplicação do presente artigo^{[carece de fontes?]}. A 3 dimensional vértice pode ser transformado por um reforço adicional variável conhecida como uma variável homogênea e deixou 4-resultante da multiplicação do espaço vértice por uma transformação matriz 4 x 4^{[carece de fontes?]}. As principais transformações são tradução, escamação, rotação, e projeção^{[carece de fontes?]}.

Um 'Tradução', é simplesmente a circulação de um ponto a partir do seu local original para outro local, em 3 de espaço por uma constante deslocamento^{[carece de fontes?]}. As traduções podem ser representadas pela seguinte matriz:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}1&0&0&X\\0&1&0&Y\\0&0&1&Z\\0&0&0&1\end{bmatrix}}}$ 

X, Y, Z são os deslocamentos no 3 dimensões, respectivamente^{[carece de fontes?]}.

Um 'escamação' transformação é realizado pela multiplicação da posição de um vértice por um valor escalar^{[carece de fontes?]}. Isto tem o efeito de dimensionamento um vértice no que diz respeito à origem^{[carece de fontes?]}. Dimensionamento pode ser representada pela seguinte matriz:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}X&0&0&0\\0&Y&0&0\\0&0&Z&0\\0&0&0&1\end{bmatrix}}}$ 

X, Y, Z são os valores pelos quais cada uma das dimensões-3 são multiplicados^{[carece de fontes?]}. Assimétricas dimensionamento pode ser obtida através da variação do valor de X, Y, e Z^{[carece de fontes?]}.

'Rotação' matrizes dependem do eixo em torno do qual é um ponto a ser rodado^{[carece de fontes?]}.

Rotação sobre o eixo-X:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}1&0&0&0\\0&\cos {\theta }&-\sin {\theta }&0\\0&\sin {\theta }&\cos {\theta }&0\\0&0&0&1\end{bmatrix}}}$ 

Rotação sobre o eixo Y:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}\cos {\theta }&0&\sin {\theta }&0\\0&1&0&0\\-\sin {\theta }&0&\cos {\theta }&0\\0&0&0&1\end{bmatrix}}}$ 

Rotação sobre o eixo-Z:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}\cos {\theta }&-\sin {\theta }&0&0\\\sin {\theta }&\cos {\theta }&0&0\\0&0&1&0\\0&0&0&1\end{bmatrix}}}$ 

θ cada um desses em todos os casos representam o ângulo de rotação^{[carece de fontes?]}.

Uma série de tradução, redimensionamento, rotação e matrizes podem descrever logicamente mais transformações^{[carece de fontes?]}. Rasterization sistemas geralmente usam um 'transformação pilha' para mover o fluxo de entrada vértices no lugar^{[carece de fontes?]}. A transformação é um padrão pilha stack, que armazena matrizes^{[carece de fontes?]}. Incoming vértices são multiplicados pela matriz pilha^{[carece de fontes?]}.

Como um exemplo ilustrativo de como a transformação pilha é utilizada, imaginar um cenário simples, com um único modelo de uma pessoa. A pessoa está de pé na posição vertical, de frente para uma direção arbitrária, enquanto sua cabeça se transformou em outra direção. A pessoa também está localizado a uma certa distância entre a origem^{[carece de fontes?]}. Um fluxo de vértices, o modelo, seria carregado para representar a pessoa^{[carece de fontes?]}. Em primeiro lugar, uma tradução matriz seria empurrado para dentro da pilha para mover o modelo para o local correto^{[carece de fontes?]}. Um dimensionamento matriz seria empurrado para dentro da pilha a dimensão do modelo corretamente^{[carece de fontes?]}. A rotação sobre o eixo y-seria empurrado para dentro da pilha para orientar o modelo corretamente^{[carece de fontes?]}. Em seguida, o fluxo de vértices representando o corpo seria enviada através do rasterizer^{[carece de fontes?]}. Uma vez que a cabeça está a enfrentar uma direção diferente, a matriz de rotação seria surgiram fora do topo da pilha e de uma outra matriz de rotação sobre o eixo y-com um ângulo diferente seria empurrado^{[carece de fontes?]}. Por último, o fluxo de vértices representando a cabeça seria enviada para o rasterizer^{[carece de fontes?]}.

Depois de todos os pontos foram transformados para os seus locais desejados no espaço 3-no que diz respeito ao telespectador, eles devem ser transformados para a imagem 2-D avião^{[carece de fontes?]}. O mais simples projecção, o projecção ortogonal, simplesmente envolve a remoção do componente de z transformou 3d vértices^{[carece de fontes?]}. Projecções ortográficas têm a propriedade que todas as linhas paralelas no espaço 3-permanecerá em paralelo a 2-D representação^{[carece de fontes?]}. No entanto, as imagens são do mundo real perspectiva imagens, objetos distantes com menor do que os objectos que aparecem perto do telespectador^{[carece de fontes?]}. A perspectiva projeção transformação necessita de ser aplicada a esses pontos^{[carece de fontes?]}.

Conceptualmente, a idéia é a de transformar a perspectiva visualização em volume ortogonal a visualização volume^{[carece de fontes?]}. O volume é uma perspectiva visualização tronco, isto é, uma pirâmide truncada^{[carece de fontes?]}. O volume é uma visualização ortográficas caixa rectangular, onde tanto o de perto e longe vendo aviões são paralelas ao plano imagem^{[carece de fontes?]}.

Uma projeção perspectiva transformação pode ser representada pela seguinte matriz:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&(N+F)/N&-F\\0&0&1/N&0\end{bmatrix}}}$ 

F e N-se aqui as distâncias de perto e de longe a visualização aviões, respectivamente^{[carece de fontes?]}. Os quatro vectores resultante será um vector onde a variável não é homogênea 1^{[carece de fontes?]}. Homogeneizante do vetor, ou multiplicando-o pelo inverso do homogêneo variável de tal forma que a variável se torna homogéneos unitária, dá-nos a nossa resultante 2-D localização nas coordenadas x e y^{[carece de fontes?]}.

((seemain | Clipping (computação gráfica)))

Uma vez triângulo vértices são transformados para a sua correcta 2d locais, alguns destes locais podem estar fora da janela de visualização, ou o espaço na tela para que pixels serão efectivamente escrita^{[carece de fontes?]}. Clipping é o processo de truncagem triângulos para encaixá-los dentro da área visível^{[carece de fontes?]}.

O mais comum é a técnica Sutherland-Hodgeman recorte algoritmo^{[carece de fontes?]}. Nesta abordagem, cada uma das 4 bordas da imagem avião é testado em um momento^{[carece de fontes?]}. Para cada extremidade, de testar todos os pontos a serem prestados^{[carece de fontes?]}. Se o ponto está fora da borda, o ponto é removido^{[carece de fontes?]}. Para cada triângulo ponta que é Intersected pela imagem avião da ponta, ou seja, um vértice da ponta está dentro da imagem ea outra está no exterior, um ponto é inserido na intersecção e fora do ponto é removido^{[carece de fontes?]}.

O último passo no processo é a tradicional rasterization preencher o 2D triângulos que estão agora no plano da imagem^{[carece de fontes?]}. Esta é também conhecida como scan conversão^{[carece de fontes?]}.

((principal | Hidden superfície determinação)) O primeiro problema a considerar é ou não um pixel de chamar a todos^{[carece de fontes?]}. Para um pixel a ser prestado, deve ser dentro de um triângulo, e ele não deve ser ocluído, ou bloqueado por outro pixel^{[carece de fontes?]}. Há uma série de algoritmos para preencher em pixels dentro de um triângulo, o mais popular do que é o algoritmo scanline^{[carece de fontes?]}. Uma vez que é difícil saber que o motor rasterization vai chamar todos os pixels de frente para trás, tem de haver alguma forma de assegurar que pixels perto do telespectador não são substituídas por pixels longe^{[carece de fontes?]}. A z buffer é a solução mais comum^{[carece de fontes?]}. A z buffer é um array 2d o que corresponde a imagem do avião que armazena uma profundidade de valor para cada pixel^{[carece de fontes?]}. Sempre que um pixel é desenhada, ele atualiza o buffer z valor com a sua profundidade^{[carece de fontes?]}. Qualquer novo pixel deve verificar o seu valor contra a profundidade z buffer valor antes que seja traçada^{[carece de fontes?]}. Closer pixels são desenhadas e mais pixels são tidos em conta^{[carece de fontes?]}.

Para descobrir um pixel de cores, texturas e sombreamento cálculos devem ser aplicadas^{[carece de fontes?]}. A textura mapa é um bitmap que é aplicado a um triângulo de definir a sua aparência^{[carece de fontes?]}. Cada um triângulo vértice está também associado com uma textura e coordenar uma textura (u, v) para a normal 2-d texturas, além de coordenar a sua posição^{[carece de fontes?]}. Cada vez que um pixel em um triângulo é prestado, o correspondente Texel (ou textura elemento) na textura devem ser encontrado^{[carece de fontes?]}. Isso é feito por interpolação entre os vértices do triângulo "associados textura coordenadas pela pixels na tela distância dos vértices^{[carece de fontes?]}. Na perspectiva projecções, interpolação é realizada sobre a textura coordena dividida pela profundidade do vértice para evitar um problema conhecido como 'Perspectivas foreshortening'^{[carece de fontes?]}.

Antes do final cor do pixel pode ser decidido, uma iluminação cálculo deve ser efectuado à sombra dos pixels com base em qualquer luzes que podem estar presentes na cena^{[carece de fontes?]}. Não há luz geralmente três tipos comumente usados nas cenas^{[carece de fontes?]}. 'Direcional luzes' são luzes que provêm de uma única direção e têm a mesma intensidade ao longo de toda a cena^{[carece de fontes?]}. Na vida real, luz solar chega perto de ser uma luz direcional, como o sol está tão longe que os raios de sol aparecerá paralelo com observadores e ao cair do alto da Terra é desprezível^{[carece de fontes?]}. 'Ponto luzes são luzes com uma posição definida no espaço e irradiar luz uniformemente em todas as direções^{[carece de fontes?]}. Ponto luzes são geralmente sujeitos a alguma forma de 'atenuação, ou cair na intensidade da luz incidente sobre os objectos mais distante^{[carece de fontes?]}. Vida real fontes luminosas experiência quadrático cair do alto^{[carece de fontes?]}. Por último, 'holofotes são como as da vida real holofotes, com um tempo determinado ponto do espaço, uma direção, e definindo um ângulo do cone de luz da ribalta^{[carece de fontes?]}. Há também muitas vezes um 'luz ambiente é adicionado ao valor que todos os cálculos finais iluminação arbitrariamente para compensar a iluminação global rasterization efeitos que não pode calcular corretamente^{[carece de fontes?]}.

Há uma série de algoritmos para sombreamento rasterizers^{[carece de fontes?]}. Todos os algoritmos sombreamento em conta a necessidade de distância da luz e do vetor normal do objeto sombreadas no que diz respeito à direcção da luz incidente^{[carece de fontes?]}. Os algoritmos mais rápido simplesmente sombra todos os pixels em qualquer triângulo, com um único valor iluminação, também conhecido como coloração plana (flat shading)^{[carece de fontes?]}. Não há nenhuma maneira de criar a ilusão de superfícies lisas, desta forma, exceto por subdivisão em muitos pequenos triângulos^{[carece de fontes?]}. Algoritmos podem também separadamente sombra vértices, e interpole a iluminação valor dos vértices quando desenho pixels^{[carece de fontes?]}. Isto é conhecido como coloração Gouraud (Gouraud shading)^{[carece de fontes?]}. A abordagem mais lentos e mais realista é a de calcular iluminação em separado para cada pixel, também conhecido como coloração Phong (Phong shading)^{[carece de fontes?]}. Este realiza bilineares interpolação do vetores normais e utiliza o resultado para o local iluminação cálculo^{[carece de fontes?]}.

Para extrair o máximo de desempenho fora de qualquer rasterization motor, um número mínimo de polígonos, devem ser enviados para o renderer^{[carece de fontes?]}. Uma série de aceleração técnicas têm sido desenvolvidas ao longo do tempo para abater os objectos que não podem ser vistos^{[carece de fontes?]}.

((principal | Back-face abate)) A maneira mais simples de se abater polígonos de abater todos os polígonos que enfrentam longe do espectador^{[carece de fontes?]}. Isto é conhecido como backface abate^{[carece de fontes?]}. Como a maioria dos objetos 3D são completamente fechado, polígonos enfrenta fora de um telespectador são sempre bloqueada pelo polígonos virada para o telespectador, a menos que o espectador está dentro do objeto^{[carece de fontes?]}. A virada do polígono é definido pelo seu 'liquidação', ou a ordem em que seus vértices são enviados para o renderer^{[carece de fontes?]}. Um renderer pode definir tanto no sentido horário ou counterclockwise dissolução como frente ou para trás enfrenta^{[carece de fontes?]}. Uma vez que um polígono foi transformada a tela espaço, o seu encerramento pode ser verificada e, se for no sentido oposto, não é traçada a todos^{[carece de fontes?]}. Evidentemente, backface abate não podem ser utilizados com degenerar e unclosed volumes^{[carece de fontes?]}.

Utilizar técnicas mais avançadas estruturas de dados para reunir os objetos que estão fora da visualização volume, quer sejam ou oclusos por outros objectos^{[carece de fontes?]}. Os mais comuns são estruturas de dados binário espaço partição s, octree s, e 'célula e portal abate'^{[carece de fontes?]}.

Enquanto a base rasterization processo tem sido conhecido há décadas, continuam a fazer aplicações modernas otimizações e adições para aumentar o leque de possibilidades para o motor de renderização rasterization^{[carece de fontes?]}.

Texturas são criados em resoluções específicas, mas a partir da superfície para que sejam aplicadas podem ser, em qualquer distância do espectador, eles podem aparecer de tamanhos sobre a arbitrariedade da imagem final^{[carece de fontes?]}. Como resultado, um pixel na tela geralmente não corresponde diretamente a um Texel^{[carece de fontes?]}. Alguma forma de filtragem técnica devem ser aplicados para criar imagens limpas em qualquer distância^{[carece de fontes?]}. Uma variedade de métodos estão disponíveis, com diferentes troca entre qualidade da imagem e complexidade computacional^{[carece de fontes?]}.

Ambiente mapeamento é uma forma de mapeamento de texturas em que a textura coordenadas são dependentes de vista^{[carece de fontes?]}. Uma aplicação comum, por exemplo, é simular a reflexão sobre um objeto brilhante. Um pode mapear o ambiente interior de uma sala para um copo metal em uma sala^{[carece de fontes?]}. À medida que o telespectador se move sobre a taça, coordena a textura da taça vértices do movimento nesse sentido, fornecendo a ilusão de reflexo metálico^{[carece de fontes?]}.

Bump mapa ping é uma outra forma de mapeamento de texturas que não prevê pixels com cores, mas sim com profundidade^{[carece de fontes?]}. Especialmente com a moderna pixel sombreador (ver abaixo), lombada mapeamento cria a sensação de ver e de iluminação-dependente rugosidade em uma superfície de reforçar grandemente realismo^{[carece de fontes?]}.

Em muitas aplicações modernas, o número de polígonos, em qualquer cenário pode ser fenomenal^{[carece de fontes?]}. No entanto, um espectador em um cenário só será capaz de discernir detalhes do próximo-por objetos^{[carece de fontes?]}. Nível de pormenor algoritmos variar a complexidade de geometria como uma função da distância para o telespectador^{[carece de fontes?]}. Objetos em frente ao telespectador pode ser prestado em plena complexidade enquanto objetos mais distantes podem ser simplificados dinamicamente, ou até mesmo substituir completamente com o sprites^{[carece de fontes?]}.

Iluminação cálculos no processo tradicional rasterization não conta para a oclusão objeto^{[carece de fontes?]}. Sombra mapeamento e volume shadow s estão dois comuns modernas técnicas de criação de sombras^{[carece de fontes?]}.

Começando na década de 1990, aceleração hardware para computadores desktop normal consumidor tornou-se a norma^{[carece de fontes?]}. Considerando que os programadores gráficos mais cedo tinha invocado a mão-codificado montagem para fazer seus programas correr rápido, mais modernos programas são escritos a interface com uma das actuais API gráfica, que impulsiona uma dedicada GPU^{[carece de fontes?]}.

O último recurso apoio para GPUs programáveis pixel shader s que melhorar drasticamente as capacidades dos programadores^{[carece de fontes?]}. A tendência é no sentido da plena programabilidade dos gráficos gasoduto^{[carece de fontes?]}.

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