Ayrıntı düzeyi (bilgisayar grafikleri) - Level of detail (computer graphics)
Olarak bilgisayar grafik , detay düzeyi ( LOD ) bir karmaşıklık belirtir 3D modeli temsil. LOD, model izleyiciden uzaklaştıkça veya nesne önemi, bakış açısına göre hız veya konum gibi diğer metriklere göre azaltılabilir. LOD teknikleri , genellikle köşe dönüşümleri olmak üzere , grafik işlem hattı aşamalarındaki iş yükünü azaltarak işleme verimliliğini artırır . Modelin azalan görsel kalitesi, uzaktayken veya hızlı hareket ederken nesne görünümü üzerindeki küçük etki nedeniyle genellikle fark edilmez.
LOD çoğu zaman sadece geometri detayına uygulansa da , temel kavram genelleştirilebilir. Son zamanlarda, LOD teknikleri , piksel karmaşıklığının kontrolünü elinde tutmak için gölgelendirici yönetimini de içeriyordu . Yıllardır doku haritalarına mipmapping adı altında bir tür detay yönetimi uygulanmış ve aynı zamanda daha yüksek render kalitesi sağlanmıştır.
Nesne, temeldeki LOD-ing algoritması tarafından basitleştirildiğinde "bir nesnenin LOD-ed " olduğunu söylemek olağandır .
Tarihsel referans
3D bilgisayar grafikleri için tüm LOD algoritmalarının kökeni, James H. Clark'ın Communications of the ACM'nin Ekim 1976 sayısında yayınlanan bir makalesine kadar götürülebilir . O zamanlar bilgisayarlar yekpare ve nadirdi ve grafikler araştırmacılar tarafından yönlendiriliyordu. Donanımın kendisi hem mimari hem de performans açısından tamamen farklıydı. Hal böyle olunca günümüz algoritmaları açısından pek çok farklılık gözlemlenebildiği gibi birçok ortak nokta da gözlemlenebilmektedir.
Orijinal algoritma, burada tartışılacak olanlara çok daha genel bir yaklaşım sundu. Geometri yönetimi için bazı mevcut algoritmalar tanıtıldıktan sonra, en verimli kazanımların "...oluşturulan ortamların yapılandırılmasından" geldiği ve daha hızlı dönüşümler ve kırpma işlemlerinden yararlanmaya izin verildiği belirtildi .
Aynı ortam yapılandırması, artık değişen ayrıntıları kontrol etmenin ve böylece gereksiz hesaplamalardan kaçınmanın, ancak yeterli görsel kalite sağlamanın bir yolu olarak öneriliyor:
Örneğin, bir dodecahedron yeterince büyük bir mesafeden bir küre gibi görünür ve bu nedenle, o veya daha büyük bir mesafeden görüldüğü sürece onu modellemek için kullanılabilir. Ancak, daha yakından bakılması gerekiyorsa, bir onikiyüzlü gibi görünecektir. Bunun çözümlerinden biri, onu gerekli olabilecek en ayrıntılı şekilde tanımlamaktır. Bununla birlikte, o zaman, onu büyük mesafelerde temsil etmek için gerekenden çok daha fazla ayrıntıya sahip olabilir ve bu tür birçok nesnenin bulunduğu karmaşık bir ortamda, görünür yüzey algoritmalarının verimli bir şekilde işlemesi için çok fazla çokgen (veya diğer geometrik ilkeller) olacaktır .
Önerilen algoritma , yaylarında hem dönüşümleri hem de daha ayrıntılı nesnelere geçişleri kodlayan bir ağaç veri yapısı öngörmektedir . Bu şekilde, her düğüm bir nesneyi kodlar ve hızlı bir buluşsal yönteme göre ağaç, her nesneye daha fazla ayrıntı sağlayan yapraklara iner. Bir yaprak ulaşıldığında daha ayrıntılı gibi, gerektiğinde başka yöntemler kullanılabilir Catmull 'nin özyinelemeli alt bölüm .
Bununla birlikte, önemli olan nokta, karmaşık bir ortamda, ortamdaki çeşitli nesneler hakkında sunulan bilgi miktarının, bu nesnelerin işgal ettiği görüş alanının kesrine göre değişmesidir.
Kağıt daha sonra kırpma ( çoğunlukla benzer olmasına rağmen ayırma ile karıştırılmamalıdır ), grafik çalışma seti ve performans üzerindeki etkisi hakkında çeşitli hususlar, oluşturma hızını artırmak için önerilen algoritma ve diğerleri arasındaki etkileşimleri tanıtmaktadır .
İyi bilinen yaklaşımlar
Yukarıda tanıtılan algoritma, bir dizi ayrıntı yönetimi tekniklerini kapsamasına rağmen, gerçek dünya uygulamaları genellikle, işlenen bilgiye göre uyarlanmış özel yöntemler kullanır. Durumun gereksinimlerine bağlı olarak iki ana yöntem kullanılır:
İlk yöntem, Ayrık Ayrıntı Düzeyleri (DLOD) , orijinal geometrinin azaltılmış geometrik ayrıntı düzeyleriyle çoklu, ayrık versiyonlarını oluşturmayı içerir. Çalışma zamanında, tam detaylı modeller, gerektiğinde azaltılmış detaylı modeller ile değiştirilir. Seviyelerin ayrık doğası nedeniyle, bir model diğeriyle değiştirildiğinde görsel patlama olabilir . Bu , geçiş sırasında durumlar arasında alfa harmanlama veya dönüşüm yoluyla hafifletilebilir .
İkinci yöntem, Kesintisiz Ayrıntı Düzeyleri (CLOD) , sürekli değişken bir geometrik ayrıntı spektrumu içeren bir yapı kullanır. Daha sonra yapı, durum için gerekli olan uygun ayrıntı düzeyini sorunsuz bir şekilde seçmek için incelenebilir. Bu tekniğin önemli bir avantajı, ayrıntıyı yerel olarak değiştirebilme yeteneğidir; örneğin, büyük bir nesnenin görünüme daha yakın olan tarafı, aynı anda uzak tarafındaki ayrıntıyı azaltırken yüksek ayrıntılı olarak sunulabilir.
Her iki durumda da, LOD'ler, LOD'nin tam ayrıntılı modele göre geometrik hatasının değerlendirilmesi gibi, ayrıntıdaki azalma nedeniyle ne kadar ayrıntının kaybolduğunu yargılamak için kullanılan bazı buluşsal yöntemlere dayalı olarak seçilir. Daha sonra nesneler, kabul edilebilir bir görsel kalite düzeyini korurken performansı en üst düzeye çıkarmak için geometrik ayrıntıları mümkün olduğunca en aza indirecek şekilde tasarlanan buluşsal yöntemi karşılamak için gereken minimum ayrıntı miktarıyla görüntülenir.
Ayrık LOD ile ilgili ayrıntılar
Ayrık LOD'nin (DLOD) temel konsepti, aynı nesneyi temsil etmek için çeşitli modeller sağlamaktır. Bu modelleri elde etmek, genellikle önemsiz olmayan ve birçok poligon azaltma tekniğine konu olan harici bir algoritma gerektirir . Ardışık LOD-ing algoritmaları basitçe bu modellerin mevcut olduğunu varsayacaktır.
DLOD algoritmaları, genellikle belleğe kolayca sığabilen küçük veri kümelerine sahip, yoğun performans gerektiren uygulamalarda kullanılır. Her ne kadar dışı iç algoritmaları kullanılabilir, bilgi ayrıntı de uygulama bu tür için uygun değildir. Bu tür bir algoritmanın çalışması genellikle daha kolaydır ve ilgili birkaç işlem nedeniyle hem daha hızlı performans hem de daha düşük CPU kullanımı sağlar.
DLOD yöntemleri, muhtemelen karmaşık animasyon yöntemleri de dahil olmak üzere, genellikle "bağımsız" hareketli nesneler için kullanılır. Popüler bir arazi oluşturma algoritması olan geomipmapping için farklı bir yaklaşım kullanılır , çünkü bu, "nesne" ağlarından hem grafik hem de topolojik olarak farklı olan arazi ağları için geçerlidir. Bir hatayı hesaplamak ve buna göre ağı basitleştirmek yerine, geomipmapping sabit bir indirgeme yöntemi alır, ortaya çıkan hatayı değerlendirir ve hatanın kabul edilebilir olduğu bir mesafeyi hesaplar. Basit olmasına rağmen, algoritma iyi performans sağlar.
Ayrık bir LOD örneği
Basit bir örnek olarak, bir küre düşünün . Ayrık bir LOD yaklaşımı, farklı mesafelerde kullanılmak üzere belirli sayıda modeli önbelleğe alır. Model , matematiksel formülasyonu ile önemsiz bir şekilde prosedürel olarak oluşturulabildiğinden , yüzeyde dağıtılan farklı sayıda örnek noktasının kullanılması, gerekli çeşitli modelleri oluşturmak için yeterlidir. Bu geçiş bir LOD-ing algoritması değildir.
| resim |
|
|
|
|
|
|---|---|---|---|---|---|
| tepe noktaları | ~5500 | ~2880 | ~1580 | ~670 | 140 |
| Notlar | Yakın çekimler için maksimum ayrıntı . |
Minimum detay, çok uzak nesneler. |
Gerçekçi bir dönüşüme bağlı senaryoyu simüle etmek için, geçici bir yazılı uygulama kullanılabilir. Basit algoritmaların ve minimum parça işlemlerinin kullanılması, CPU sınırlamasının oluşmamasını sağlar. Her kare, program her kürenin mesafesini hesaplayacak ve bu bilgilere göre bir havuzdan bir model seçecektir. Konsepti kolayca göstermek için, her modelin kullanıldığı mesafe kaynakta sabit kodlanmıştır . Daha kapsamlı bir yöntem, seçilen kullanım mesafesine göre yeterli modelleri hesaplayacaktır.
OpenGL , küçük partileri yönetmedeki yüksek verimliliği, her modeli bir görüntüleme listesinde depolaması ve böylece iletişim masraflarından kaçınması nedeniyle işleme için kullanılır . İdeal olarak sonsuz uzaklığa yerleştirilmiş iki yönlü ışık kaynağı uygulanarak ek tepe yükü verilir.
Aşağıdaki tablo, LOD farkında oluşturma ve tam ayrıntı ( kaba kuvvet ) yönteminin performansını karşılaştırır .
| kaba | DLOD | Karşılaştırmak | |
|---|---|---|---|
| İşlenmiş görüntüler |
|
|
|
| oluşturma süresi | 27,27 ms | 1.29 ms | 21 × azaltma |
| Sahne köşeleri | 2.328.480 | 109.440 | 21 × azaltma |
hiyerarşik LOD
Donanım, büyük miktarda ayrıntıya yönelik olduğundan, düşük poligonlu nesnelerin işlenmesi, optimumun altında performans gösterebilir. HLOD, farklı nesneleri birlikte gruplayarak sorunu önler. Bu, yakınlık hususlarından yararlanmanın yanı sıra daha yüksek verimlilik sağlar.
Pratik uygulamalar
Video oyunları
LOD, özellikle 3D video oyunlarında kullanışlıdır. Video oyunu geliştiricileri, oyunculara büyük dünyalar sağlamak isterler, ancak her zaman donanım, kare hızı ve video oyunu grafiklerinin gerçek zamanlı doğası ile kısıtlanırlar . 1990'larda 3D oyunların ortaya çıkmasıyla, birçok video oyunu uzaktaki yapıları veya nesneleri basitçe oluşturmadı. Yalnızca yakındaki nesneler oluşturulacak ve daha uzaktaki parçalar yavaş yavaş kaybolacak ve esasen mesafe sisi uygulanacaktır . LOD oluşturma kullanan video oyunları bu sis etkisinden kaçınır ve daha büyük alanlar oluşturabilir. 3D video oyunlarında LOD oluşturmanın bazı önemli erken örnekleri arasında The Killing Cloud , Spyro the Dragon , Crash Bandicoot: Warped , Unreal Tournament ve Ciddi Sam motoru sayılabilir . Modern 3D oyunların çoğu, büyük yapılar için farklı modeller ve çimen ve ağaçlar gibi çevre ayrıntıları için uzaktan ayırma kullanarak LOD oluşturma tekniklerinin bir kombinasyonunu kullanır. Etki bazen, örneğin oyuncu karakteri sanal arazi üzerinde uçtuğunda veya uzun mesafeli görüntüleme için bir keskin nişancı dürbünü kullandığında, hala fark edilebilir. Özellikle ot ve yeşillik, yakınlaştıkça ortaya çıkıyor gibi görünecek, aynı zamanda yeşillik ayırma olarak da bilinir. LOD, fraktal araziyi gerçek zamanlı olarak oluşturmak için de kullanılabilir .
Popüler şehir kurma oyunu Cities: Skylines'da modlar çeşitli derecelerde LOD-ing'e izin verir.
CBS ve 3B şehir modellemede
LOD, benzer bir kavram olarak GIS ve 3B şehir modellerinde bulunur . Gerçek dünyadaki özelliklerin ne kadar kapsamlı bir şekilde eşlendiğini ve modelin gerçek dünyadaki karşılığına ne kadar bağlı olduğunu gösterir. Geometrik karmaşıklığın yanı sıra, bir modelin LOD'sinde uzamsal-anlamsal tutarlılık, doku çözünürlüğü ve nitelikler gibi diğer metrikler de dikkate alınabilir. Standart CityGML , en belirgin LOD kategorizasyonlarından birini içerir.
CBS'deki "LOD-ing" analojisine genelleme denir .
Render ve modelleme yazılımı
- MeshLab , 3B poligonal ağları doğru bir şekilde basitleştirebilen açık kaynaklı bir ağ işleme aracıdır.
- Polygon Cruncher , Mootools'un, nesnelerin poligon sayısını, görünümlerini değiştirmeden azaltan ticari bir yazılımıdır.
- Simplygon için ticari bir ağ işlem paketi remeshing içine genel giriş kafes gerçek zamanlı renderable kafesleri.
Ayrıca bakınız
Referanslar
- ^ ACM Communications of the ACM, Ekim 1976 Cilt 19 Sayı 10. Sayfalar 547-554. Görünür Yüzey Algoritmalar Hiyerarşik Geometrik ModellertarafındanJames H. Clark, Santa Cruz California Üniversitesi'nden. Dijitalleştirilmiş tarama,https://web.archive.org/web/20060910212907/http://accad.osu.edu/%7Ewaynec/history/PDFs/clark-vis-surface.pdf adresindeücretsiz olarak mevcuttur.
- ^ Catmull E.,Kavisli Yüzeylerin Bilgisayar Görüntüsü için Bir Alt Bölüm Algoritması. Teknoloji UTEC-CSc-74-133, Utah Üniversitesi, Salt Lake City, Utah, 1 Aralık
- ^ Ribelles, López ve Belmonte, "Bir Artımlı Temsil Yoluyla Geliştirilmiş Ayrık Ayrıntı Düzeyi Modeli", 2010,http://www3.uji.es/~ribelles/papers/2010-TPCG/tpcg10.pdf
- ^ de Boer, WH,GeometrikMipmappingkullanarak Hızlı Arazi Oluşturma, flipCode özellikli makalelerde, Ekim 2000.https://www.flipcode.com/archives/Fast_Terrain_Rendering_Using_Geometrical_MipMapping.shtml adresinde bulunabilir.
- ^ Carl Erikson'ınhttp://www.cs.unc.edu/Research/ProjectSummaries/hlods.pdfadresindeki makalesi HLOD mekanizmalarına hızlı ama etkili bir bakış sağlar. https://wwwx.cs.unc.edu/~geom/papers/documents/dissertations/erikson00.pdf adresindekitezinde daha kapsamlı bir açıklama yer almaktadır.