Determinación de superficies ocultas: Revelando los secretos de la visión por computadora

Por Fouad Sabry

¿Qué es la determinación de superficies ocultas?

En gráficos por computadora en 3D, la determinación de superficies ocultas es el proceso de identificar qué superficies y partes de superficies se pueden ver desde un ángulo de visión particular. . Un algoritmo de determinación de superficies ocultas es una solución al problema de la visibilidad, que fue uno de los primeros problemas importantes en el campo de los gráficos por ordenador en 3D. El proceso de determinación de la superficie oculta a veces se denomina ocultación, y dicho algoritmo a veces se denomina ocultador. Cuando se hace referencia a la representación de líneas, se la conoce como eliminación de líneas ocultas. La determinación de la superficie oculta es necesaria para renderizar una escena correctamente, de modo que no se puedan ver las características ocultas detrás del modelo mismo, permitiendo que solo la parte del gráfico visible naturalmente sea visible.

Cómo se beneficiará

(I) Insights y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Determinación de superficies ocultas

Capítulo 2: Renderizado (gráficos por computadora)

Capítulo 3: Algoritmo de Painter

Capítulo 4: Representación de líneas de exploración

Capítulo 5: Rasterización

Capítulo 6: Binario partición del espacio

Capítulo 7: Mapeo de texturas

Capítulo 8: Almacenamiento en búfer Z

Capítulo 9: Volumen de sombras

Capítulo 10: Rayo casting

(II) Respondiendo a las principales preguntas del público sobre la determinación de superficies ocultas.

(III) Ejemplos del mundo real para el uso de la determinación de superficies ocultas en muchos campos.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes de pregrado y posgrado, entusiastas, aficionados y aquellos que quieran ir más allá del conocimiento o la información básica para cualquier tipo de determinación de superficies ocultas. .

 

 

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 4 may 2024

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Capítulo 1: Determinación de superficies ocultas

En gráficos por computadora en 3D, la determinación de superficies ocultas (también conocida como determinación de superficie mostrada, eliminación de superficies ocultas (HSR), selección de oclusión (OC) o determinación de superficies visibles (VSD)) es el proceso de identificar qué superficies y partes de superficies son visibles desde un ángulo de visión específico. Un algoritmo de determinación de superficie oculta es una solución al problema de la visibilidad, que fue uno de los primeros problemas importantes en los gráficos por computadora en 3D. La determinación de la superficie oculta también se conoce como ocultación, y dicho algoritmo a veces se denomina ocultación. La representación de líneas a menudo se conoce como eliminación de líneas ocultas. La determinación de la superficie oculta es necesaria para renderizar adecuadamente una escena, de modo que las entidades ocultas detrás del propio modelo no sean visibles y solo se vea la sección visible de forma natural del gráfico.

La determinación de superficies ocultas es un método para identificar superficies que no se deben mostrar al usuario (por ejemplo, una pantalla de ordenador), ya que están ocultas por cosas opacas como paredes) no se pueden renderizar.

A pesar de los aumentos en el rendimiento del hardware, sigue siendo necesario contar con algoritmos de renderizado sofisticados.

La función de un motor de renderizado es habilitar entornos globales expansivos y, a medida que el tamaño del mundo se acerca al infinito, el motor debe mantener una velocidad constante y no desacelerarse.

La optimización de este procedimiento requiere asegurarse de que se asignen los mínimos recursos posibles al dibujo de superficies que no se presentarán al usuario.

Existen numerosos enfoques para determinar las superficies ocultas. Son principalmente un ejercicio de clasificación, y el orden en el que se realiza la clasificación y se subdivide el problema suele variar. Normalmente, los grandes volúmenes de primitivas gráficas se ordenan dividiendo y conquistando.

Los siguientes algoritmos controlan de forma diferente los pasos de proyección, recorte y rasterización de la canalización de representación:

Almacenamiento en búfer Z

Durante la rasterización, el valor de profundidad/Z de cada píxel (o muestra en el caso del suavizado, aunque se utiliza la palabra píxel sin pérdida de generalidad) se compara con un valor de profundidad existente. Si el píxel actual está detrás del píxel en el búfer Z, se rechaza y su valor de profundidad reemplaza al del búfer Z. El almacenamiento en búfer Z facilita la creación de escenas dinámicas y actualmente se implementa de manera efectiva en hardware de gráficos. Esta es la norma actual. El almacenamiento en búfer Z utiliza hasta 4 bytes por píxel y requiere el método de rasterización para comparar cada muestra rasterizada con el búfer Z. Los problemas de precisión pueden causar artefactos en el búfer Z (también conocido como lucha Z).

Zonas de influencia de superficie y zonas de influencia (C-buffer) (S-buffer)

Más rápido que los búferes Z y se usa a menudo en los juegos de la era Quake I. En lugar de mantener el valor Z en cada píxel, almacenan una lista de segmentos que ya se han presentado por línea de pantalla. A continuación, los nuevos polígonos se dividen en segmentos existentes que los ocultarían. Un búfer S puede mostrar polígonos sin ordenar, pero un búfer C debe mostrar polígonos de más cerca a más lejos. Debido al hecho de que un píxel no se renderiza dos veces con la técnica C-buffer, el procedimiento es un poco más rápido. Esto se empleaba a menudo con árboles de partición de espacio binario (BSP), que proporcionaban clasificación de polígonos.

Lista ordenada de aristas activas

Esto se usó en Quake 1 para guardar una lista de los bordes de los polígonos mostrados anteriormente (ver renderizado de líneas de escaneo). Los polígonos se muestran desde la distancia más cercana a la más lejana. Los nuevos polígonos se recortan contra los bordes de los polígonos mostrados anteriormente, generando nuevos polígonos y almacenando los bordes adicionales. Es sustancialmente más difícil de implementar que los búferes S/C/Z, pero se escala mucho mejor a medida que aumenta la resolución.

Algoritmo de Painter

Ordena los polígonos según su baricentro y los dibuja hacia atrás. Esto provoca pocos artefactos en escenarios con polígonos de tamaño similar que crean mallas suaves con la selección de la cara posterior habilitada. El gasto aquí es la etapa de clasificación y la posibilidad de artefactos visuales. Esta técnica no puede manejar polígonos en diferentes configuraciones típicas, como superficies que se cruzan.

Subdivisión del espacio binario (BSP)

Separa una escena a lo largo de planos que corresponden a los bordes del polígono. Al atravesar el árbol BSP, la subdivisión está diseñada para proporcionar un orden de profundidad inequívoco desde cualquier punto de la escena. La desventaja es que se requiere un costoso proceso previo para generar el árbol BSP. En consecuencia, es menos ideal para escenarios con geometría dinámica. La ventaja es que los datos están preordenados y libres de errores, lo que los hace adecuados para los métodos discutidos anteriormente. Tenga en cuenta que el BSP es simplemente un complemento y no una solución para HSR.

Trazado de rayos

Modela la ruta de los rayos de luz a un punto de vista trazando rayos en la escena desde el punto de vista. Resuelve implícitamente el problema de la eliminación de superficies ocultas localizando la superficie más cercana a lo largo de cada rayo de vista. Esto es esencialmente idéntico a ordenar toda la geometría por píxel.

El algoritmo de Warnock

Separa la pantalla en regiones más pequeñas y organiza triángulos dentro de ellas. Si existe ambigüedad (es decir, los polígonos se superponen en profundidad dentro de estas áreas), se produce una mayor segmentación. A la máxima resolución, la subdivisión puede producirse a nivel de píxel.

La determinación de la superficie visible (VSD) está relacionada con la selección, que normalmente precede a la VSD en un proceso de renderizado. Las primitivas o grupos de primitivas pueden ser rechazadas en su totalidad, lo que en un sistema bien diseñado suele minimizar la carga.

La selección temprana en el proceso tiene la ventaja de eliminar la necesidad de recuperar, transformar, rasterizar o sombrear objetos invisibles completos. Los siguientes son ejemplos de algoritmos de selección:

El frustum de visualización representa geométricamente el volumen visto por la cámara virtual. Los objetos fuera de este volumen se descartan ya que no se pueden ver en la imagen final. Con frecuencia, los objetos se encuentran en el borde del frasco de visión. Este procedimiento se conoce como recorte, y las porciones que se encuentran fuera del frustum se descartan porque no hay dónde extraerlas.

Con los objetos 3D, una parte de la superficie del objeto está orientada hacia la cámara, mientras que el resto está de espaldas a la cámara, o está en la parte posterior del objeto, que está oscurecida por la parte frontal. Si las superficies de un objeto son completamente opacas, nunca es necesario dibujarlas. Se definen por el orden de bobinado de los vértices: si el triángulo que mira hacia la cámara tiene sus vértices en el sentido de las agujas del reloj en el plano de proyección, cambian al orden en sentido contrario a las agujas del reloj a medida que la superficie se aleja de la cámara.

Además, esto hace que los objetos sean totalmente transparentes cuando la