Tags:    c++ - Har du set nogle af Pixar's flotte 3D animationer?
- Har du nogen sinde undret dig over, hvordan man kan lave disse flotte 3D billeder?
- Vil du gerne lære teknikken så du kan lave lignende billeder med dit eget program?

Forord

Før vi går i gang bør du vide at dette er et meget bredt og kompliseret emne. Det kræver at du har en god matematisk forståelse. Artiklen vil prøve at forklare de mest vigtige teorier, men der kan være områder, hvor artiklen tager for givet at læseren har den nødvendige matematiske baggrundsviden til at kunne forstå det helt. Som altid bør du væbne dig med tålmodighed!

Forvent IKKE at denne artikel vil give dig et et program der kan levere billeder i samme kvalitet som Pixar's animations film. Denne artikel vil give læseren grundstenen som kan udvides efter behov. Der forventes at læseren allerede har en del erfaring i at programmere og kendskab til den 3-dimensionelle verden.

Lad os starte helt fra bunden! Når vi snakker om at lave flotte billeder på en computer, bruger vi ofte betegnelsen: "Rendering". Vi kan derfor sige at vi "Rendere" et billede. Det er et engelsk ord som egenligt bare betyder at man gennemgår en process. I vores tilfælde er det altså at lave 3D billeder ved hjælp af en computer eller med andre ord, at genererer computer skabte billeder.

Der er to populære renderings teknikker, den ene bliver kaldt for "Rasterisation" og den anden bliver kaldt for "Raytracing". Matematikken bag disse to teknikker er egenligt meget ens langt hen ad vejen, men tankegangen og udførelsen er derimod meget forskellige. De begge er designet til at rendere komplekse 3D scener. De kan begge beregne skygger, reflektioner, refraktioner osv., de gør det bare på lidt forskellige måder. Derfor har de begge deres fordele og ulemper.

Denne artikel vil fokuserer på Raytracing fordi det er den mest lineær teknik. Det er også den teknik der kan lave de mest nøjagtige billeder fordi den ligger tættest op af den fysiske verden. Det er også den renderings metode der er lettest at udvide med avancerede effekter. Desværre er alt ikke guld og grønne skove. Raytracing teknikken er gennem tiden blevet beskyldt for at være utrolig langsom. Der er heldigvis blevet udviklet mange forskellige algoritmer som kan få renderings processen til at gå betydelig hurtigere. Takket være den store konkurrence blandt hardware producenterne bliver hardwaren hurtigere og hurtigere for hvert år. De sidste nyheder fra grafikkort producenterne, er, at de gerne vil implementere Raytracing teknikken på fremtidens grafikkort, så man kan opnå foto-realistisk grafik til spil. Så der ér altså alt muligt grund til at fokusere på Raytracing.

Vi vil bygge en række klasser fra bunden og skrive selve programmet i et konsol applikations projekt.

Introduktion til Raytracing

Han sagde >>Der skal være lys!<< og der blev lys.

Uden lys ville der kun være mørke og vi ville derfor ikke kune se noget som helst. Det er et faktum der er til at kunne forstå af de fleste. Men hvad er lys og hvorfor er det vigtigt for os at forstå, hvordan lys bevæger sig gennem rum når vi vil genererer computer skabte billeder?

Når vi taler om at rendere et computerskabt billede, så betyder det egenligt at vi vil simulere lysets adfærd. Lys er en energi kilde der rejser gennem rum i en meget høj fart. Faktisk rejser lys så hurtigt at man i mange år troede at lyset ikke rejste fra et punkt til et andet men snarer var en konstant element.

Når vi tænder for en el-pære i et lokale vil lokalet formegenligt blive oplyst med det samme. Vores hjerner er dog ikke hurtige nok til at kunne opfatte, hvad der egenligt foregår.
1) Lyset starter først fra gløden i el-pæren der spreder sig ud til alle sider.
2) Derefter rammer lystes stråler lokalets vægge og dens genstande.
3) I dét strålerne rammer de forskellige genstande bliver de kastet tilbage.
4) Nogle af lysstrålerne vil til sidst ramme vores øjne og først da kan vi se det oplyste lokale.

Vi starter altså fra lyskilden, der i dette tilfælde er en el-pære, og slutter rejsen ved vores øjne. Hvis vi skulle kopiér dette forløb nøjagtigt i en virtuel verden, ville vi skulle bruge utrolig mange data. Mange flere data end nogen computer er i stand til at kunne håndtere. Samtidigt vil langt de fleste at dataerne være spildt, fordi kun en lille del af lysets samlet stråler vil ramme vores øjne. For at løse dette problem, vil vi gå den modsatte vej. Vi vil derfor starte rejsen fra vores øjne og afslutte den ved lyskilden. På den måde koncentrerer vi os kun om de lystråler vi kan se og dermed er relevant for vores rendering.

Men hvordan kan vi vide, hvor mange lysstråler der rammer os?
Det kan vi egenligt heller ikke! Det vil altid blive et gæt. Det eneste vi kan vide med sikkerhed, er, at jo flere stråler vi benytter i vores renderings forløb, desto mere detaljeret et billede vil vi genererer. Siden vi bruger en computer skærm til at vise vores renderet billede med, bliver vi nødt til at repræsentere vores rendering i pixels. Den mest simple måde, er, at lade en pixel repræsentere én lysstråle. Hvis vores billede format er 320x240 vil vi skulle bruge 76.800 lysstråler. Det kan umiddelbart lyde som mange lysstråler, men ikke desto mindre er de nødvendige for at kunne rendere hele vores billede. Faktisk vil du opleve at det er en meget lav opløsning i forbindelse med Raytracing. Resultatet af sådan en opløsning vil altid blive meget pixeleret, specielt for 3D objekter der befinder sig langt væk fra vores kamera eller viewport. Dette er grundidéen bag Raytracing, hvis du forstår dette er du allerede godt hjulpet på vej.

For at opsummere det hele kan vi sige at Raytracing egenligt bare går ud på at følge lysstråler, der er blevet spredt af en lyskilde, men vi bevæger os i den modsatte retning. Vi går faktisk mod lyset, for at sige det lidt firkantet! Hver pixel i vores færdig renderet billede vil repræsenter minimum én lysstråle. Afhængigt af lystrålernes styrke vil de tilsammen afspejle en given virtuel verden.

Dette billede illustrerer teknikken bag Raytracing.



Den blå pil repræsenterer én lystråle. Læg mærke til at vi starter fra en given pixel i vores billede og slutter til sidst ved vores lyskilde.

I vores første forsøg vil vi ikke fokusere så meget på, hvor realistisk vi kan rendere en lyskilde. Vi er mere interesseret i at kunne se nogle genstande. Når dét er lykkes, kan vi derefter prøve at simulere et realistisk lysfald. Først skal vi lave en række klasser der kan indeholde 3-dimensionelle data.


Hvad synes du om denne artikel? Giv din mening til kende ved at stemme via pilene til venstre og/eller lægge en kommentar herunder.

Del også gerne artiklen med dine Facebook venner:  

Karma barometer (30 dage)

IT jobs | Kontakt | Om Udvikleren.dk | Om karma | IT nyheds arkiv | Annoncering

X