Jak pracuje grafická karta - základy 3D | Kapitola 2

Vstupem do další fáze, tedy geometrického zpracování je již matematicky připravený obraz. Známe polohu objektů, jejich rozčlenění na základní plošky tzv. polygony (které jsou definovány ještě v 3D prostoru) a údaje o osvětlení scény. Vrcholy (společné pro několik trojúhleníků) objektových polygonů (povětšinou 3-úhleníky, ve složitější scéně i 4-úhelníky) se nazývají vertexy a jejich souřadnice mají v celém geometrickém postupu zásadní postavení. Je-li scéna takto matematicky připravena (představte si, že chcete namalovat obrázek na milimetrový papír a vedle na skicák si zatím napíšete přesné polohy všech vrcholů, ale ještě nic nerýsujete), můžou všechny údaje postoupit do geometrické jednotky (které se také říká Vertexová jednotka).

Mezi základní operace geometrické jednotky patří Transformace a Osvětlení (Transform & Lighting engine, T&L engine - dnes už tyto funkce mají na starosti Vertex Shadery od 1.0 do 3.0). Mezi první grafické čipy s hardwarovou podporou T&L patřily první karty řady nVidia GeForce a od této doby přebírá grafické jádro 3D akcelerátoru stěžejní část geometrických úkolů (dříve dopočítával transformace i osvětlení procesor počítače).

Práci Geometrické jednotky se říká Geometry processing, nebo pre-Rendering Setup a někdy také Vertex processing, což souvisí s uvedením grafických karet s programovatelným jádrem. Ke slovu se v tomto případě dostávají tzv. Vertex Shadery o kterých se ještě zmíním.

Transformování se aplikuje na jednotlivé polygony a má za úkol převést obraz z virtuální 3D scény (která je v tzv. světových souřadnicích) na zobrazovanou 2D projekci - soustavu která je spojená s pozorovatelem. Předpokládá se, že osa pohledu leží v ose "z" - tato osa slouží při výpočtu viditelnosti jako vzdálenost od pozorovatele - osy "x" a "y" se transformují tak, aby scéna vyplnila požadovaný výřez na obrazovce (osy x a y se dají použít přímo k vykreslení).

Dále vstupuje na scénu první aktivní subproces transformace nazývaný Visibility subsystem. Jelikož se obraz převádí z 3D do 2D pomocí lineární perspektivy, kdy je po celou operaci zapotřebí uchovávat informace o všech, tedy i o těch ve finále nezobrazených polygonech, zasahuje visibility subsystém již během procesu transformování scény a efektivně odstraňuje nepotřebné informace (tzv. Culling) - jedná se především o odstranění polygonů odvrácených od pozotovatele. Clipping je zase odstranění všech objektů ležících mimo "zorný jehlan".

Moderní grafické akcelerátory dokážou počítat transformace mezi soustavami hierarchicky propojených lokálních souřadných soustav (svět - objekt - subobjekt - součást, například: svět - vozidlo - otáčející se kulometná věž - rotující hlaveň). Tento postup může usnadnit práci hlavnímu procesoru a je možný mj. i díky programovatelným jednotkám "Vertex shaders".

Výpočet osvětlení probíhá souběžně s transformováním scény a patří mezi ty nejsložitější operace. V prvé řadě je tu fakt, že zřídka kdy přichází světlo jen z jednoho bodu a pod jedním úhlem. Dynamické scény s mnoho světly vyžadují např. při 8-mi světlech 8x více výpočtů než při výpočtu světla jednoho.

Každá projekce světla se skládá ze dvou částí - spekulární a difúzní (Specular and Diffuse Light). Difúzní část určuje jak se povrch objektu chová po dopadu světla a jak je světlo intenzivní na jeho bezprostředním okolí. Spekulární osvětlení počítá s odrazem světla od samotného objektu, od jeho okolí a s tzv. Surface repressing - závislostí intenzity, barvy a polohy světla na úhlu pohledu.

Ještě než scéna, teď již osvětlená a rozdělená na logické trojúhelníky (Triangle Setup Definition), přejde do texturovací části grafického procesu, je nutno určit ke každému vertexu hloubku stínování (tzv. Shading). Stínování patří mezi funkce T&L (případně je vykonávano Vertex Shadery) a stejně jako transformace s osvětlením probíhá souběžně ke všem procesům. U nových grafických karet souvisí již

stínování

s novými funkcemi, nazvanými Shader instructions (DirectX 8.0 - 9.0). Ve fázi geometrického procesu přebírá valnou část práce se stínováním část geometrické jednotky nazvaná Vertex Shader.

Obecně známe dva druhy stínování - Gouraudovo a Phongovo:

i Zdroj: PCTuning.cz

Jen pro ilustraci předběhněme a ukažme k čemu vůbec stínování je. První trojúhelník je již otexturovaný (což se děje v následující fázi o které je pojednáno níže) a druhý je vystínovaný. Sloučením obou trojúhelníků získáme vystínovanou texturu (jedná se o primitivní multitexturing).

Zmínil jsem se o tom, že vertexy, tedy vrcholy polygonů, nesou stěžejní informace nutné k transformaci virtuální scény z 3D prostoru na 2D projekci a mají důležitou funkci i při výpočtu osvětlení a stínování. K ulehčení práce se soustavou vertexů při transformaci a všech s tím spojených "srandiček" slouží dnes primárně Vertex Shadery.

Poprvé se Vertex Shadery objevily u GeForce3 jednotky a tehdy nazvané nFiniteFX, dnes již dokáže pracovat s Vertex Shadery každá novější grafická karta.

Aplikace VS spočívá v předdefinovaných efektech a posloupnostech (vlastně mikro-programech), které se aplikují na každý vrchol který vstoupí do řetězce geometrického zpracování. Jelikož jsou Vertex Shadery plně programovatelné jednotky, není nic jednoduššího, když si aplikace během inicializační fáze "nahraje" předdefinované efekty a procedury, které si ve fázi transformace a osvětlení "zavolá" na pomoc.