Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах и улицах «Добрая дорога детства» 2
Скачать 175.21 Kb.
|
ВВЕДЕНИЕ Компьютерная графика (также машинная графика) — область деятельности, в которой компьютеры используются в качестве инструмента как для синтеза (создания) изображений, так и для обработки визуальной информации, полученной из реального мира. Первые вычислительные машины не имели отдельных средств для работы с графикой, однако уже использовались для получения и обработки изображений. Программируя память первых электронных машин, построенную на основе матрицы ламп, можно было получать узоры. В 1961 году программист С. Рассел возглавил проект по созданию первой компьютерной игры с графикой. Создание игры («Spacewar!») заняло около 200 человеко-часов. Игра была создана на машине PDP-1. В 1963 году американский учёный Айвен Сазерленд создал программно-аппаратный комплекс Sketchpad, который позволял рисовать точки, линии и окружности на трубке цифровым пером. Поддерживались базовые действия с примитивами: перемещение, копирование и др. По сути, это был первый векторный редактор, реализованный на компьютере. Также программу можно назвать первым графическим интерфейсом, причём она являлась таковой ещё до появления самого термина. В середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Так, под руководством Т. Мофетта и Н. Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертёжную машину. В 1964 году General Motors представила систему автоматизированного проектирования DAC-1, разработанную совместно с IBM. В 1964 году группой под руководством Н. Н. Константинова была создана компьютерная математическая модель движения кошки. Машина БЭСМ-4, выполняя написанную программу решения дифференциальных уравнений, рисовала мультфильм «Кошечка», который для своего времени являлся прорывом. Для визуализации использовался алфавитно-цифровой принтер. В 1968 году существенный прогресс компьютерная графика испытала с появлением возможности запоминать изображения и выводить их на компьютерном дисплее, электронно-лучевой трубке. Основные области применения. Научная графика — первые компьютеры использовались лишь для решения научных и производственных задач. Чтобы лучше понять полученные результаты, производили их графическую обработку, строили графики, диаграммы, чертежи рассчитанных конструкций. Первые графики на машине получали в режиме символьной печати. Затем появились специальные устройства — графопостроители (плоттеры) для вычерчивания чертежей и графиков чернильным пером на бумаге. Современная научная компьютерная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов. Деловая графика — область компьютерной графики, предназначенная для наглядного представления различных показателей работы учреждений. Плановые показатели, отчётная документация, статистические сводки — вот объекты, для которых с помощью деловой графики создаются иллюстративные материалы. Программные средства деловой графики включаются в состав электронных таблиц. Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов, изобретателей новой техники. Этот вид компьютерной графики является обязательным элементом САПР (систем автоматизации проектирования). Средствами конструкторской графики можно получать как плоские изображения (проекции, сечения), так и пространственные трёхмерные изображения. Иллюстративная графика — это произвольное рисование и черчение на экране компьютера. Пакеты иллюстративной графики относятся к прикладному программному обеспечению общего назначения. Простейшие программные средства иллюстративной графики называются графическими редакторами. Художественная и рекламная графика — ставшая популярной во многом благодаря телевидению. С помощью компьютера создаются рекламные ролики, мультфильмы, компьютерные игры, видео уроки, видео презентации. Графические пакеты для этих целей требуют больших ресурсов компьютера по быстродействию и памяти. Отличительной особенностью этих графических пакетов является возможность создания реалистических изображений и «движущихся картинок». Получение рисунков трёхмерных объектов, их повороты, приближения, удаления, деформации связано с большим объёмом вычислений. Передача освещённости объекта в зависимости от положения источника света, от расположения теней, от фактуры поверхности, требует расчётов, учитывающих законы оптики. Компьютерная анимация — это получение движущихся изображений на экране дисплея. Художник создает на экране рисунки начального и конечного положения движущихся объектов, все промежуточные состояния рассчитывает и изображает компьютер, выполняя расчёты, опирающиеся на математическое описание данного вида движения. Полученные рисунки, выводимые последовательно на экран с определённой частотой, создают иллюзию движения. Мультимедиа — это объединение высококачественного изображения на экране компьютера со звуковым сопровождением. Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений. 1 Анализ и постановка задачи 1.1 Описание предметной области Трёхмерная графика (3D — от англ. three dimensions — «три измерения») оперирует с объектами в трёхмерном пространстве. Обычно результаты представляют собой плоскую картинку, проекцию. Трёхмерная компьютерная графика широко используется в кино, компьютерных играх. В трёхмерной компьютерной графике все объекты обычно представляются как набор поверхностей или частиц. Минимальную поверхность называют полигоном. В качестве полигона обычно выбирают треугольники. Всеми визуальными преобразованиями в 3D-графике управляют матрицы (см. также: аффинное преобразование в линейной алгебре). В компьютерной графике используется три вида матриц:
Любой полигон можно представить в виде набора из координат его вершин. Так, у треугольника будет 3 вершины. Координаты каждой вершины представляют собой вектор (x, y, z). Умножив вектор на соответствующую матрицу, мы получим новый вектор. Сделав такое преобразование со всеми вершинами полигона, получим новый полигон, а преобразовав все полигоны, получим новый объект, повёрнутый/сдвинутый/масштабированный относительно исходного. 1.2 Постановка задачи С помощью любого редактора трехмерной графики (например, Blender) создать полигональную модель трехмерной сцены. Допускается использование готовых моделей из интернета. На полигональную модель должна быть наложена единственная текстура диффузного рассеивания (определены текстурные координаты в каждой вершине). Модель следует экспортировать в открытый формат, поддерживающий экспорт координат вершин, граней и текстурных координат (например, .3ds, .X и другие). Написать программу, считывающую экспортируемый файл, реализовать фрагментный и вершинный шейдеры на языке GLSL для вывода сцены на экран. В шейдерах следует использовать следующие данные: набор координат вершин, образующий грани, набор нормалей и текстурные координаты в каждой вершине. Также необходимы следующие параметры источников света: положение, фоновый цвет, диффузный цвет, спектральный цвет. Значения цветов материала сцены задаются непосредственно в шейдерах и не передаются из основной программы (как правило, все составляющие определены белыми). Также в шейдер передаѐтся номер текстуры, как uniform переменная типа sampler2D. Все параметры, кроме номера текстуры могут быть переданы в шейдер через стандартные механизмы opengl: Координаты вершин, нормали и текстурные координаты – в блоке glBegin(GL_TRIANGLES)...glEnd(), параметры источников цвета с помощью функции задания параметров освещения. Для передачи вершинных данных (пространственные координаты, текстурные координаты, нормали) можно использовать любой стандартный механизм: блок glBegin(GL_TRIANGLES)...glEnd(), дисплейные списки, вершинные массивы или вершинные буферы VBO. Также основная программа должна предоставлять возможность навигации по сцене с помощью мыши, чтобы было возможно рассмотреть различные стороны сцены. Основная программа дополнительно выполняет следующие преобразования: 1. Читает карту высот и строит на ее основе карту нормалей. Нормаль в каждой точке карты высоты считается как вектор частных производных квадратичной. 2. Вычисляет базис касательного пространства в каждой вершине. Базис касательного пространства к каждой грани составляют три вектора: нормаль к гране , касательный вектор , и вектор бинормали . Для трех вершин одной грани касательное пространство едино, но если одна вершина входит в несколько граней, то следует найти среднее значение базиса касательного пространства в данной вершине. Вектор соответствует горизонтальной оси карты нормалей. Из вершинного шейдера убирается расчет освещения. Векторы, составляющие базис касательного пространства являются атрибутами вершин и должны быть преобразованы в систему наблюдателя и затем интерполированы на фрагменты. Фрагментный шейдер выполняет следующие операции: 1. Извлекает значения нормали из карты нормалей; 2. Рассчитывает нормаль в системе наблюдателя, используя базис касательного пространства; 3. На основе нормали рассчитывает освещенность фрагмента; 4. Комбинирует освещенность со значением, выбранным из диффузной текстуры. Преломление и отражение – сложные физические явления, корректное моделирования которых для случайной сцены возможно лишь с использованием алгоритмов трассировки лучей. Задачей данной работы является создание некоторого приближения реального отражения и преломления в режиме реального времени на графическом процессоре. Первым этапам создания отражения является генерация текстурной карты окружения. Наиболее удобным способом задания карты окружения в OpenGL является кубическая текстурная карта. Представим, объект, который отражает и преломляет окружающую среду в виде материальной точки – центра объекта. Опишем вокруг данной точки куб бесконечно малого размера так, чтобы точка оказалась посередине куба. Каждая сторона куба образует плоскость проекции для камеры с центром в центре отражающего и преломляющего объекта. Итого, имеем шесть камер, целиком фиксирующих среду вокруг объекта. Шесть изображений, полученных с данных камер, составляют кубическую карту текстуры. Данные изображения могут генерироваться в каждом кадре, для этого необходимо шесть раз отрендерить сцену с шести камер, располагающихся в центре объекта. Угол обзора таких камер составляет 90 градусов, а направления взгляда совпадают с положительными и отрицательными направлениями трех основных координатных осей. Сгенерированная кубическая карта передается в шейдер и целиком отражает окружение объекта. При отрисовки отражающего объекта рассчитываются два вектора: отраженный и преломленный на основе геометрического закона отражения и преломления, нормали в рассматриваемой точке и вектора, направленного на наблюдателя. Отраженный и преломленный вектор используются для получения значения из кубической текстуры окружения. Два значения из кубической текстуры (цвета данные отраженным и преломленным лучами) смешиваются на основе коэффициентов Френеля. Скелетная анимация – анимация сетки объекта, при которой евклидовы преобразования задаются не над вершинами сетки, а над управляющими объектами, которые в свою очередь, влияют на вершины объектов. Например, модель человека может состоять из 20000 вершин. Тогда, чтобы анимировать данную модель необходимо запомнить 20000 евклидовых преобразований на каждый ключевой кадр анимации. Между тем, скелет для данной модели может состоять из 15 – 60 костей, тогда на каждый ключевой кадр нужно помнить лишь 15-60 евклидовых преобразований. 1.3 Обоснование выбора средств реализации Unity — это мультиплатформенный инструмент для разработки двух- и трёхмерных приложений и игр, работающий под операционными системами Windows и OS X. Созданные с помощью Unity приложения работают под операционными системами Windows, OS X, Windows Phone, Android, Apple iOS, Linux[1], а также на игровых приставках Wii, PlayStation 3 и Xbox 360. Есть возможность создавать интернет-приложения с помощью специального подключаемого модуля к браузеру Unity, а также с помощью экспериментальной реализации в рамках модуля Adobe Flash Player. Позже от поддержки Flash отказались. Приложения, созданные с помощью Unity, поддерживают DirectX и OpenGL. Технические характеристики:
Особенности:
Данный игровой движок оптимально подходит для реализации данной курсовой работы. Движок содержит встроенный редактор для размещения моделей, источников света и частиц на сцене. 2 Анализ данных FBX - технология и формат файлов (.fbx), разрабатываемые компанией Autodesk. Используется для обеспечения совместимости различных программ трехмерной графики. FBX - проприетарный недокументированный формат. FBX возник как замена формата FilmBox , программного обеспечения базирующейся в Монреале компании Kaydara (компания основана в 1993). FilmBox был разработан для захвата данных о движении объекта с регистрирующих движение устройств. До 1996 года форматом использовалось расширение .FLM. Этот формат поддерживал только данные о движении, пользовательские параметры и список использованных для этого устройств. Эти данные были сериализованной версией библиотеки (двоичный дамп), содержащий память данных для чтения/записи. Потому как данные были записаны в данном формате, возникали проблемы в конечном счете из-за поддержки устаревших файлов с предстоящими релизами FilmBox. Параллельно с этой проблемой возник вопрос, где требовалось пользователями от FilmBox для Kaydara реализация целевого характера в сцене с данными захвата движения, с учетом возможности визуализации данных в 3D-виде с отображением маркеров. Для того чтобы выполнить данную просьбу, у Kaydara было достаточно причин, чтобы развить и изменить исходный формат файла FilmBox. Чтобы отделить себя от расширения имени файла FLM, Kaydara приняла решение использовать расширение файла "FBX" (сокращение от названия продукта FilmBox). FBX родился в 1996 году, с выходом FilmBox 1.5. Этот новый формат файла имел объектно-ориентированную модель, позволяющую хранение данных передвижения объекта, а также 2D и 3D данных, и поддерживал аудио и видео данные. Поддержка других программных пакетов началось с SoftImage 3D, Alias | Wavefront PowerAnimator, NewTek LightWave, Kinetix 3D Studio MAX и игрового движка Unity. 3 Программирование 3.1 Структуры данных GLSL (OpenGL Shading Language) — язык высокого уровня для программирования шейдеров. Синтаксис языка базируется на языке программирования ANSI C, однако, из-за его специфической направленности, из него были исключены многие возможности, для упрощения языка и повышения производительности. В язык включены дополнительные функции и типы данных, например для работы с векторами и матрицами. Пример простого вершинного шейдера (Vertex Shader) на GLSL. Преобразование входной вершины так же, как это делает стандартный конвейер.void main(void) { gl_Position = ftransform(); } #version 140 uniform Transformation { mat4 projection_matrix; mat4 modelview_matrix; }; in vec3 vertex; void main() { gl_Position = projection_matrix * modelview_matrix * vec4(vertex, 1.0); } Пример простого геометрического шейдера (Geometry Shader) на GLSL #version 120 #extension GL_EXT_geometry_shader4 : enable void main() { for(int i = 0; i < gl_VerticesIn; ++i) { gl_FrontColor = gl_FrontColorIn[i]; gl_Position = gl_PositionIn[i]; EmitVertex(); } } #version 150 layout(triangles) in; layout(triangle_strip, max_vertices = 3) out; void main() { for(int i = 0; i < gl_in.length(); i++) { gl_Position = gl_in[i].gl_Position; EmitVertex(); } EndPrimitive(); } Пример простого фрагментного шейдера (Fragment Shader) на GLSL #version 120 void main(void) { gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); } #version 150 void main(void) { MyFragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); } 3.2 Особенности реализации Диффузный шейдер реализован следующим образом. Shader "Diffuse" { Properties { _Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,1) _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {} } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 200 CGPROGRAM #pragma surface surf Lambert sampler2D _MainTex; fixed4 _Color; struct Input { float2 uv_MainTex; }; void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) { fixed4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color; o.Albedo = c.rgb; o.Alpha = c.a; } ENDCG } Fallback "VertexLit" } Шейдер bump mapping’а реализован следующим образом. Shader "Bumped Diffuse" { Properties { _Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,1) _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {} _BumpMap ("Normalmap", 2D) = "bump" {} } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 300 CGPROGRAM #pragma surface surf Lambert sampler2D _MainTex; sampler2D _BumpMap; fixed4 _Color; struct Input { float2 uv_MainTex; float2 uv_BumpMap; }; void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) { fixed4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color; o.Albedo = c.rgb; o.Alpha = c.a; o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap)); } ENDCG } FallBack "Diffuse" } Модели реализованы в графическом редакторе 3D MAX и экспортированы в формате FBX. Текстуры созданы в Adobe Photoshop и сохранены в формате tga с разрешение 1024х1024. 4 Документирование 4.1 Техническое задание 1 Введение Создание модели трехмерной сцены заброшенного бункера с включением скелетной анимации, построением микрорельефа поверхности и попиксельного освещения модели. 2 Назначение разработки Назначением разработки является создание трехмерной сцены. 3 Требования к функциональным характеристикам Программа позволяет выполнять следующие функции: 1) перемещение по сцене; 2) изменение ракурса камеры обзора; 3) скелетная анимация; 4) микрорельеф; 5) источники света. 4 Требования к надежности В программе должна присутствовать проверка входной информации на соответствие типов, принадлежность диапазону допустимых значений и в случае возникновения ошибок должна быть предусмотрена возможность вывода информативных диагностических сообщений. 5 Требования к составу и параметрам технических средств Программа должна функционировать на компьютере IBM PC с микропроцессором не ниже Intel Pentium IV, оперативной памятью объемом не менее 512 Мб, свободным пространством на жестком диске не менее 1 ГБ, монитором VGA 1024х768 и видеокартой с минимум 128 Мб видеопамяти. 6 Требования к информационной и программной совместимости Программа должна функционировать под управлением ОС семейства Windows с установленными графическими библиотеками DirectX и OpenGL. 4.2 Руководство пользователя 1 Общее назначение программы Программа позволяет перемещаться по трехмерной сцене заброшенного бункера. Программа позволяет выполнять следующие функции: – перемещаться по сцене; – изменять ракурс камеры; – изменение качества графики и разрешения приложения. 2 Установка и минимальные требования Для нормальной работы с программой необходим компьютер IBM PC с микропроцессором не ниже Intel Pentium IV, оперативной памятью объемом не менее 512 Мб, свободным пространством на жестком диске не менее 1 Гб, монитором VGA 1024x768 и видеопамятью не менее 128 Мб. В состав программы входят файлы: –IGS.exe – главный файл программы;
3 Описание запуска программы Для запуска программы необходимо выполнить файл «IGS.exe». Если на компьютере не установлены DirectX и OpenGL, то пользователь увидит соответствующее сообщение. Если библиотеки установлены и программа готова к работе, пользователь увидит окно запуска программы.  Рисунок 1 – Окно запуска программы После того, как пользователь настроит приложение, выбран разрешение и качество графики, необходимо нажать кнопку “Play!”. Приложение начнет загрузку ресурсов и построение трехмерной сцены, после чего пользователь увидит главное окно приложения.  Рисунок 2 – Главное окно программы ЗАКЛЮЧЕНИЕ Сейчас человечество не может представить себе современный мир без компьютерной графики. Словосочетания "компьютерная графика" (от англ. Digital Art) подразумевает рисование с помощью цифры. Зависимо от того, как создаются графические изображения, компьютерную графику делят на векторную, растровую и фрактальную. Также внутри этих направлений можно выделить отдельные техники по созданию изображений. Но самым молодым течением в этой сфере является 3D изображение. Но поначалу оно использовалось только в технике и науке, но сейчас широко используется в рекламе, кино, играх и при созданиях сайтов. Можно сделать вывод, что без компьютерной графики современный мир немыслим и это неотъемлемая часть нашей жизни. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
|
Добавить документ в свой блог или на сайт
