Курсовая Построение изображения трехмерных объектов

Программная реализация построения изображения трехмерных объектов встречается все реже. Это вызвано большими затратами ресурсов вычислительной машины. В последнее время активно ведётся разработка систем построения объемных изображений, использующих графический процессор современных видеоадаптеров взамен центрального процессора. Сегодня эффективность видеоадаптеров для таких вычислений намного выше и позволяет строить более сложные и реалистичные сцены, но в то же время имеет ряд недостатков. Основным аспектом аппаратной визуализации в первую очередь является ориентация на скорость исполнения задачи, получение качественного результата задача второстепенная. Кроме того накладываются ограничения набором инструкций адаптера, предусмотренным производителем. Программную обработку можно встретить в основном в системах моделирования компании Autodesk. Иногда программное построение изображений имеет некоторые преимущества по сравнению с аппаратной реализацией – одним из главных особенностей является как разбиение процесса на множество потоков (распараллеливать, вследствие большого объема однотипных вычислений), и как следствие использовать в многопроцессорных системах. Как противопоставление, используя программные методы моделирования и построения изображения, программист ограничивается только собственной фантазией – примером такого продукта является система визуализации изображения V-Ray. Система V-ray позволяет моделировать крайне реалистичное освещение в трехмерных сценах, отражения и рассеивания света, и, вследствие, требует большего количества расчетов. Аппаратное построение по сравнению с программным наследует большинство основных принципов реализации – от расчета и построения нормалей до формирования z-buffer – отличие в выполнении расчетов на видеоадаптере, высвобождая центральный процессор для других задач.

Трехмерное моделирование или 3D графика позволяет решать множество задач и применяется различных сферах деятельности. Это как строительство – результатом может быть модель будущего дома, как частного, так и многоквартирного, офисного здания, или же любого промышленного объекта. Кроме того, визуализация активно применяется в дизайн-проектах интерьеров. Объемное изображение спроектированного сооружения отличается фотографической точностью и позволяет лучше представить себе, как будет выглядеть проект, воплощенный в жизни, внести определенные коррективы. 3D модель обычно производит гораздо большее впечатление, чем все остальные способы презентации будущего проекта. Передовые технологии позволяют добиваться потрясающих результатов. 3D модели популярны так же набирают популярность среди веб-дизайнеров. Многие конструкторы уже давно перешли от использования линейки и карандаша к современным трехмерным компьютерным программам. На основе трехмерного моделирования основаны и множество систем автоматизированного проектирования (САПР) для визуализации результатов, реализуемых математическим обеспечением для демонстрации тех или иных физических процессов. Постепенно новые технологии осваивают и другие компании, прежде всего, производственные и торговые, но не так активно.

В основном трехмерные модели используются в демонстрационных целях. Они незаменимы для презентаций, выставок, а также используются в работе с клиентами, когда необходимо наглядно показать, каким будет итоговый результат. Кроме того, методы трехмерного моделирования полезны в ситуациях, где нужно показать в объеме уже готовые объекты или те объекты, которые существовали когда-либо. Все чаще наработанные технологии начинают использоваться в кинематографе, телевидении, а так же все чаще в компьютерных играх. Трехмерное моделирование это не только будущее, но прошлое и настоящее.

1.    Этапы развития компьютерной графики

Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных и военных исследованиях. 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 середине 1960-х гг. появились разработки в промышленных приложениях компьютерной графики. Графикой на тот момент занимались только при выводе на принтер, в этот период были заложены основные математические основы. Так, была разработана цифровая электронная чертёжная машина, немногим позже были представлены и первые системы автоматизированного проектирования. В 70-х годах начали появляться персональные компьютеры, т.е. появился доступ пользователя к дисплеям. Роль графики резко возросла, но наблюдалось очень низкое быстродействие компьютера, ввиду чего подавляющее большинство программ писалось на ассемблере. Но уже спустя совсем немного времени, в 80-х годах появились персональные компьютеры, позволяющие выводить графические объекты на экраны мониторов, что позволило использовать машинную графику в качестве инструмента специалистам различных областей, не связанных с программированием. Увеличение памяти и скорости обработки информации в персональных ЭВМ, создание видеокомплексов с широким набором программ машинной графики, возможность управления ими в диалоговом режиме способствовали дальнейшему расширению применения машинной графики. Важную, практически определяющую роль в этом процессе сыграл выпуск компанией Apple компьютеров Macintosh. Они были для своего времени настоящей революцией. Во-первых, Macintosh серийно поставлялся с цветным монитором. Во-вторых, его операционная система обладала наглядным, визуальным интерфейсом (своего рода аналог более поздней ОС Windows). И в-третьих, их мощности было достаточно для обработки графических изображений. Именно поэтому Macintosh сразу заслужил внимание множества профессиональных художников и дизайнеров, которые сменили карандаш и кисть на мышь и клавиатуру. С тех пор графический способ отображения данных стал неотъемлемой принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня является стандартом “де-факто” для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем. Результат многолетнего развития технологий данного рода индустрии можно ежедневно наблюдать в повседневной жизни в неожиданных местах – от старой доброй растровой графики до векторной графики и 3D.

Для упрощения работы с графикой в настоящий момент существует ряд программных и аппаратных решений, позволяющих сконцентрироваться на основной задаче. На рынке широко представлены всевозможные графические акселераторы и массивы быстрой памяти. Ведущие производители электронных компонентов, такие как Intel и AMD, поддерживают обработку изображения на уровне процессорной техники (MMX, 3D Now), следовательно, становится возможным реализация «медленных», но дающих лучшее качество изображения алгоритмов. Среди средств, упрощающих написание программной части корпорация Microsoft предлагает два решения. Первое это DirectX, без которого не в состоянии работать подавляющее большинство приложений игровой индустрии. DirectX - это набор готовых классов, процедур, функций, структур и констант. DirectX представляет собой интерфейс программирования приложений ориентированный на упрощенное использование аппаратных мультимедиа-решений компьютера, а так же подразумевает прямой доступ к ним. DOS позволяла разработчику получить прямой доступ к видеокарте, клавиатуре/мыши/джойстику и прочим частям системы, в то время как новая ОС, Windows, с её защищённой моделью памяти, предоставляла более стандартизованный, но в то же время весьма ограниченный и накладный доступ к устройствам. Вторым решением для разработчиков является Microsoft XNA - набор инструментов с управляемой средой времени выполнения .NET для DirectX, облегчающий разработку и управление компьютерными играми и графическими приложениями. Использование этого продукта позволяет избежать многих технических трудностей и отстраниться от написания подсистемы вывода графики – остается подгрузить уже заранее подготовленные структуры объектов (модели) и описать их взаимодействие в процессе работы приложения.

Существует ряд конкурирующих решений, таких как OpenGL - открытая графическая библиотека. Это довольно мощный независимый от языка программирования, кросс-платформенный программный интерфейс для написания приложений, использующих как двумерную, так и трёхмерную компьютерную графику. Он включает в себя более 250 функций для рисования сложных трёхмерных сцен из простых примитивов, довольно часто используется при создании компьютерных игр, САПР, систем виртуальной реальности, а так же визуализации в научных исследованиях. Существенным преимуществом платформы являются эффективные реализации OpenGL для Windows, Unix-платформ, PlayStation 3 и Mac OS, в отличие от DirectX, применимого только в среде Windows. Еще одной важной особенностью среды является возможность исключительно программной реализации спецификации OpenGL одной из которых является библиотека Mesa в случае отсутствия аппаратных средств либо скудной производительности последних. Для программиста OpenGL хорош не только своей сравнительной простотой реализации и наглядной простотой кода, но и большим выбором дополнительных библиотек, позволяющим расширить возможности среды. Яркими представителями являются GLU и GLUT.

1. Зуев Е.А. Программирование на языке TURBO PASCAL 6.0/7.0 М. Веста, Радио и связь, 1993.
2. Александр Фролов, Григорий Фролов Операционная система MS-DOS М.: Диалог-МИФИ, 1991.
3. Эдвард Энджел Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс. 2-е изд. Вильямс, 2001.
4. Горнаков С.Г. Программирование компьютерных игр под Windows в XNA Game Studio Express. – М.: ДМК Пресс, 2008.
5. Керниган Б.В., Пайк Р. UNIX – универсальная среда программирования. М.: Финансы и статистика, 1992.