3D गेम रेंडरिंग कैसे काम करता है: वर्टेक्स प्रोसेसिंग

इस पोस्ट में हम कार्य के चरण पर विचार करेंगे। यही है, हमें फिर से गणित पर पाठ्यपुस्तकों को प्राप्त करना होगा और रैखिक बीजगणित, मैट्रिक्स और त्रिकोणमिति को याद करना होगा। हुर्रे!

हम यह पता लगाएंगे कि 3D मॉडल कैसे रूपांतरित होते हैं और प्रकाश स्रोतों को ध्यान में रखा जाता है। हम शीर्ष और ज्यामितीय रंगों के बीच अंतर के बारे में भी विस्तार से बताएंगे, और आपको पता चल जाएगा कि किस स्तर पर नक्षत्र का स्थान है। समझ की सुविधा के लिए, हम आरेखों और कोड उदाहरणों का उपयोग करते हैं जो प्रदर्शित करते हैं कि खेल गणना और प्रक्रिया मूल्यों को कैसे निष्पादित करता है।

पोस्ट की शुरुआत में स्क्रीनशॉट गेम GTA V को वायरफ्रेम डिस्प्ले मोड में दिखाता है। इसकी तुलना बहुत कम जटिल अर्ध-जीवन 2 वायरफ्रेम से की जाती है। इमेज को थेल्सेट द्वारा रेहाडे के साथ बनाया गया था।

क्या कहना है?

गणित की दुनिया में, एक डॉट ज्यामितीय अंतरिक्ष में एक जगह है। एक बिंदु से छोटा कुछ भी नहीं है, इसका आकार नहीं है, इसलिए बिंदुओं का उपयोग लाइन सेगमेंट, विमानों और संस्करणों जैसे ऑब्जेक्ट्स की शुरुआत और अंत के सटीक स्थान को निर्दिष्ट करने के लिए किया जा सकता है।

3 डी ग्राफिक्स के लिए, ऐसी जानकारी महत्वपूर्ण रूप से महत्वपूर्ण है, सब कुछ की उपस्थिति इस पर निर्भर करती है, क्योंकि सभी वस्तुओं को लाइन सेगमेंट, विमानों, आदि के सेट के रूप में प्रदर्शित किया जाता है। नीचे दी गई छवि बेथेस्डा 2015 फॉलआउट 4 से एक स्क्रीनशॉट दिखाती है:


आपके लिए यह देखना आसान नहीं होगा कि यह केवल डॉट्स और लाइनों का एक विशाल गुच्छा है, इसलिए हम आपको दिखाएंगे कि वायरफ्रेम मोड में एक ही दृश्य कैसा दिखता है। इस मोड में, 3 डी रेंडरिंग इंजन पिक्सेल चरण में किए गए बनावट और प्रभावों को छोड़ देता है और डॉट्स को जोड़ने वाली केवल बहु-रंगीन रेखाएँ खींचता है।


अब सब कुछ पूरी तरह से अलग दिखता है, लेकिन हम देखते हैं कि विभिन्न वस्तुओं, वातावरण और पृष्ठभूमि को बनाने के लिए सभी लाइनों को कैसे जोड़ा जाता है। कुछ में केवल दर्जनों लाइनें शामिल हैं, उदाहरण के लिए, अग्रभूमि में पत्थर, जबकि अन्य में इतनी सारी लाइनें होती हैं कि वे ठोस दिखती हैं।

प्रत्येक पंक्ति की शुरुआत और अंत में प्रत्येक बिंदु पर गणना का एक पूरा गुच्छा प्रदर्शन करके संसाधित किया जाता है। कुछ गणना बहुत सरल और तेज़ हैं, अन्य बहुत अधिक जटिल हैं। समूहों में बिंदुओं को संसाधित करके, विशेष रूप से त्रिकोण के रूप में, आप उत्पादकता में उल्लेखनीय वृद्धि प्राप्त कर सकते हैं, इसलिए आइए उन पर करीब से नज़र डालें।

त्रिकोण के लिए क्या आवश्यक है?

नाम त्रिकोण यह स्पष्ट करता है कि आकृति में तीन आंतरिक कोने हैं; ऐसा करने के लिए, उसे तीन कोने वाले बिंदु और उन्हें जोड़ने वाले तीन खंडों की आवश्यकता होती है। एक कोने बिंदु को एक शीर्ष (वर्टेक्स) (बहुवचन में - कोने) कहना सही है; प्रत्येक शीर्ष बिंदु द्वारा परिभाषित किया गया है। चूंकि हम एक त्रि-आयामी ज्यामितीय दुनिया में हैं, कार्टेसियन समन्वय प्रणाली का उपयोग अंकों के लिए किया जाता है। आमतौर पर निर्देशांक तीन मानों के रूप में लिखे जाते हैं, उदाहरण के लिए, (1, 8, -3) या उदारतापूर्वक ( x, y, z )।


अगला, हम एक त्रिकोण बनाने के लिए दो और कोने जोड़ सकते हैं:


ध्यान दें कि दिखाई गई लाइनें वैकल्पिक हैं - हम बिंदुओं को सेट कर सकते हैं और सिस्टम को बता सकते हैं कि ये तीन कोने त्रिकोण बनाते हैं। सभी शीर्ष डेटा को मेमोरी के एक सन्निहित ब्लॉक में संग्रहीत किया जाता है जिसे वर्टेक्स बफर कहा जाता है; उनके द्वारा बनाए गए आंकड़े के बारे में जानकारी या तो सीधे रेंडरिंग प्रोग्राम में एन्कोड की जाती है, या मेमोरी के किसी अन्य ब्लॉक में इंडेक्स बफर नामक स्टोर की जाती है।

यदि जानकारी एक रेंडरिंग प्रोग्राम में एन्कोड की गई है, तो वर्टिस द्वारा बनाई जा सकने वाली विभिन्न आकृतियों को आदिम कहा जाता है । Direct3D उन्हें डॉट्स, लाइनों और त्रिकोण के रूप में स्ट्रिप्स और प्रशंसकों के लिए एक सूची का उपयोग करने का सुझाव देता है। जब सही ढंग से उपयोग किया जाता है, तो त्रिकोण की धारियां एक से अधिक त्रिकोण के लिए कोने का उपयोग करती हैं, जिससे उत्पादकता में सुधार होता है। नीचे दिए गए उदाहरण में, हम देखते हैं कि एक साथ जुड़े दो त्रिकोण बनाने के लिए, केवल चार कोने की आवश्यकता होती है - यदि उन्हें अलग किया जाता है, तो हमें छह कोने चाहिए।


बाएं से दाएं: अंकों की सूची, रेखाओं की सूची और त्रिकोणों की पट्टी

यदि हमें उदाहरण के लिए, एनपीसी मॉडल में एक बड़े सेट को संसाधित करने की आवश्यकता है, तो एक मेष नामक एक वस्तु का उपयोग करना बेहतर होता है, मेमोरी का एक और ब्लॉक, लेकिन कई बफ़र्स (वर्टिस, इंडेक्स, आदि) और मॉडल संसाधनों से मिलकर। । Microsoft के ऑनलाइन दस्तावेज़ में इन बफ़र्स का उपयोग करने का एक संक्षिप्त विवरण है।

अभी के लिए, आइए इस पर ध्यान केंद्रित करें कि प्रत्येक नए फ्रेम को प्रस्तुत करते समय 3 डी गेम में इन कोने का क्या होता है। संक्षेप में, वे दो में से एक ऑपरेशन करते हैं:

• शीर्ष एक नई स्थिति में जाता है।
• वर्टेक्स का रंग बदलता है

गणित के लिए तैयार हैं? उत्कृष्ट, क्योंकि हमें इसकी आवश्यकता है।

वेक्टर मंच पर दिखाई देता है।

कल्पना करें कि आपके पास स्क्रीन पर एक त्रिकोण है और आप इसे बाईं ओर ले जाने के लिए एक कुंजी दबाते हैं। स्वाभाविक रूप से, हम तदनुसार बदलने के लिए प्रत्येक शीर्ष की संख्या ( x, y, z ) की अपेक्षा करते हैं; जो होता है, लेकिन परिवर्तनों को लागू करने का एक अप्रत्याशित तरीका है । केवल निर्देशांक बदलने के बजाय, 3 डी ग्राफिक्स रेंडरिंग सिस्टम का विशाल बहुमत एक विशेष गणितीय उपकरण का उपयोग करता है: हमारा मतलब है वैक्टर ।

एक वेक्टर को एक तीर के रूप में अंतरिक्ष में एक विशिष्ट बिंदु की ओर इशारा किया जा सकता है और वांछित लंबाई हो सकती है। वर्टिस आमतौर पर कार्टेशियन निर्देशांक के आधार पर वैक्टर का उपयोग करके निर्धारित किए जाते हैं:


ध्यान दें कि नीला तीर एक स्थान पर शुरू होता है (इस मामले में, मूल बिंदु ) और ऊपर तक फैली हुई है। वेक्टर सेट करने के लिए, हमने एक कॉलम में रिकॉर्ड का उपयोग किया, लेकिन एक पंक्ति में रिकॉर्ड का उपयोग करना काफी संभव है। आपने देखा होगा कि एक और, चौथा, मूल्य होता है, जिसे आमतौर पर w- घटक कहा जाता है। इसका उपयोग यह दिखाने के लिए किया जाता है कि वेक्टर क्या है: बिंदु स्थिति ( स्थिति वेक्टर ) या सामान्य दिशा ( दिशा वेक्टर)। एक दिशा वेक्टर के मामले में, यह इस तरह दिखेगा:


यह वेक्टर एक ही दिशा में इंगित करता है और पिछली स्थिति वेक्टर के समान लंबाई है, अर्थात, मान ( x, y, z ) समान होंगे; हालाँकि, w- घटक 1 नहीं है, लेकिन शून्य है। हम बाद में दिशा वैक्टर के उपयोग की व्याख्या करेंगे, लेकिन अभी के लिए, इस तथ्य को याद रखें कि 3 डी दृश्य के सभी कोने इस तरह से वर्णित किए जाएंगे। क्यों? क्योंकि इस प्रारूप में उन्हें स्थानांतरित करना बहुत आसान है।

गणित, गणित और फिर गणित

स्मरण करो कि हमारे पास एक सरल त्रिभुज है और हम इसे बाईं ओर ले जाना चाहते हैं। प्रत्येक शीर्ष को एक स्थिति वेक्टर द्वारा वर्णित किया जाता है, इसलिए, "आंदोलन गणित" ( परिवर्तन कहा जाता है ) इन वैक्टर के साथ काम करना चाहिए। एक नया उपकरण दिखाई देता है: मैट्रिक्स (एकवचन में मैट्रिक्स )। यह एक एक्सेल स्प्रेडशीट के समान प्रारूप में पंक्तियों और स्तंभों के साथ मानों की एक सरणी है।

प्रत्येक प्रकार के परिवर्तन के लिए एक संगत मैट्रिक्स है, और एक परिवर्तन के लिए यह केवल रूपांतरण मैट्रिक्स और स्थिति वेक्टर को गुणा करने के लिए पर्याप्त है। हम इस बात के विवरण में नहीं जाएंगे कि यह कैसे और क्यों होता है, लेकिन सिर्फ यह देखें कि यह कैसा दिखता है।

3D स्थान में एक शीर्ष को स्थानांतरित करना अनुवाद कहलाता है , और इसके लिए निम्नलिखित गणना की आवश्यकता होती है:


मान x ₀ , आदि। वेक्टर के मूल निर्देशांक का प्रतिनिधित्व करते हैं; डेल्टा - x मान उस राशि का प्रतिनिधित्व करते हैं जिसके द्वारा शीर्ष को स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है। मैट्रिक्स और वेक्टर का गुणन इस तथ्य की ओर जाता है कि वे बस संक्षेप में बताते हैं (ध्यान दें कि w- घटक अपरिवर्तित रहता है ताकि समाप्त उत्तर स्थिति वेक्टर पहले की तरह बनी रहे)।

आगे बढ़ने के अलावा, हमें त्रिभुज को घुमाने या इसके पैमाने को बदलने की भी आवश्यकता हो सकती है - इन परिचालनों के लिए भी रूपांतर हैं।


यह परिवर्तन XY विमान में z अक्ष के चारों ओर शीर्ष को घुमाता है


और इसका उपयोग तब किया जाता है जब आपको आकृति के पैमाने को बदलने की आवश्यकता होती है

हम पूरे आंकड़े के लिए इन गणनाओं की कल्पना करने के लिए रियल-टाइम रेंडरिंग से WebGL- आधारित ग्राफिक्स टूल का उपयोग कर सकते हैं। चलो मानक स्थिति में बॉक्स के साथ शुरू करते हैं:


इस ऑनलाइन टूल में, मॉडल बिंदु स्थिति वेक्टर है, विश्व मैट्रिक्स परिवर्तन मैट्रिक्स है, और विश्व-स्थान बिंदु रूपांतरित शीर्ष के लिए स्थिति वेक्टर है।

आइए बॉक्स में विभिन्न परिवर्तन लागू करें:


ऊपर की छवि में, आंकड़ा प्रत्येक अक्ष के साथ 5 इकाइयों को स्थानांतरित किया गया था। इन मूल्यों को मध्य बड़े मैट्रिक्स के अंतिम कॉलम में देखा जा सकता है। मूल स्थिति वेक्टर (4, 5, 3, 1) वैसी ही बनी रहती है, जैसी होनी चाहिए, लेकिन रूपांतरित क्रिया को अब (9, 10, 8, 1) में ले जाया जाता है।


इस परिवर्तन में, सब कुछ 2 के एक कारक द्वारा बढ़ाया गया था: अब बॉक्स के किनारे लंबे समय तक दो बार हो गए हैं। अंत में, रोटेशन का उदाहरण देखें:



समांतर कोश को 45 ° के कोण से घुमाया जाता था, लेकिन इस कोण के साइन और कोसाइन का उपयोग मैट्रिक्स में किया जाता है। एक वैज्ञानिक कैलकुलेटर पर जाँच करने के बाद, हम उस पाप (45 °) = 0.7071 ... को देख सकते हैं, जो कि 0.71 के दिखाए गए मान पर गोल है। हमें कॉशन मूल्य के लिए एक ही उत्तर मिलता है।

मैट्रिक्स और वैक्टर वैकल्पिक हैं; उनके लिए एक लोकप्रिय विकल्प, विशेष रूप से जब जटिल घुमावों को संभालना, जटिल संख्याओं और quaternions का उपयोग होता है। ये गणना वैक्टर से बहुत अलग हैं, इसलिए हम उन पर विचार नहीं करेंगे, परिवर्तनों के साथ काम करना जारी रखेंगे।

वर्टेक्स शेडर पावर

इस स्तर पर, हमें यह समझने की आवश्यकता है कि यह सब रेंडरिंग कोड प्रोग्रामिंग करने वाले लोगों द्वारा किया जाता है। यदि कोई गेम डेवलपर तीसरे पक्ष के इंजन (उदाहरण के लिए, एकता या अवास्तविक) का उपयोग करता है, तो यह सब उसके लिए पहले ही किया जा चुका है; लेकिन अगर कोई अपने इंजन को खरोंच से बनाता है, तो उसे इन सभी गणनाओं को लंबवत करना होगा।

लेकिन कोड के संदर्भ में यह सब कैसे दिखता है?

इसे समझने के लिए, हम अद्भुत Braynzar सॉफ्ट वेबसाइट से उदाहरणों का उपयोग करेंगे। यदि आप स्वयं 3 डी प्रोग्रामिंग के साथ काम करना शुरू करना चाहते हैं, तो यह मूल बातें सीखने के लिए सही जगह है, साथ ही साथ अधिक जटिल चीजें ...


यह ऑल-इन-वन ट्रांसफॉर्मेशन का एक उदाहरण है। यह कीबोर्ड इनपुट के आधार पर उपयुक्त ट्रांसफॉर्मेशन मेट्रिक्स बनाता है, और फिर उन्हें एक ऑपरेशन में मूल स्थिति वेक्टर पर लागू करता है। ध्यान दें कि यह हमेशा दिए गए क्रम में किया जाता है (स्केलिंग - रोटेशन - ट्रांसफर), क्योंकि कोई अन्य तरीका पूरी तरह से परिणाम को बर्बाद कर देगा।

कोड के ऐसे ब्लॉकों को वर्टेक्स शेड कहा जाता है, उनकी जटिलता और आकार में काफी भिन्नता हो सकती है। उपर्युक्त उदाहरण सरल है, यह केवल एक शीर्ष shader है जो shaders की पूर्ण प्रोग्राम योग्य प्रकृति का उपयोग नहीं करता है। शेड्स का एक और अधिक जटिल अनुक्रम 3 डी अंतरिक्ष में वस्तुओं को बदल सकता है, दृश्य कैमरे के दृष्टिकोण से उनकी उपस्थिति को संसाधित कर सकता है, और फिर डेटा को रेंडरिंग प्रक्रिया के अगले चरण में स्थानांतरित कर सकता है। शीर्ष प्रसंस्करण के आदेश को ध्यान में रखते हुए, हम अन्य उदाहरणों का अध्ययन करेंगे।

बेशक, उनका उपयोग बहुत अधिक किया जा सकता है, इसलिए 3 डी गेम खेलते समय, यह मत भूलो कि आपके द्वारा देखे जाने वाले सभी आंदोलन जीपीयू के शीर्ष कमांडर को निष्पादित करते हैं।

हालांकि, यह हमेशा मामला नहीं था। यदि आप 1990 के दशक के मध्य-अंत में वापस जाते हैं, तो उस युग के ग्राफिक्स कार्ड में स्वतंत्र रूप से कोने और प्राइमिटिव को संसाधित करने की क्षमता नहीं थी, अकेले केंद्रीय प्रोसेसर ने यह सब किया।


इस प्रक्रिया के अपने स्वयं के हार्डवेयर त्वरण के साथ पहले प्रोसेसर में से एक Nvidia GeForce था , जिसे 2000 में जारी किया गया था , और इस कार्यक्षमता को हार्डवेयर ट्रांसफ़ॉर्म एंड लाइटिंग (संक्षेप में, हार्डवेयर TnL) कहा जाता था। टीमों द्वारा इस उपकरण को संभालने वाली प्रक्रिया बहुत सीमित थी, लेकिन नए चिप्स के जारी होने के साथ, स्थिति तेजी से बदल गई। आज, अनुलंब प्रसंस्करण के लिए कोई अलग उपकरण नहीं है, और एक उपकरण एक ही बार में सब कुछ करता है: अंक, आदिम, पिक्सेल, बनावट इत्यादि।

वैसे, प्रकाश व्यवस्था के बारे में: यह ध्यान देने योग्य है कि हम सब कुछ प्रकाश के लिए धन्यवाद देखते हैं, तो आइए देखें कि इसे शीर्ष स्तर पर कैसे संसाधित किया जा सकता है। ऐसा करने के लिए, हमें उस चीज़ का फायदा उठाने की ज़रूरत है जो हमने पहले की बात की थी।

लाइट, कैमरा, मोटर!

इस चित्र की कल्पना करें: खिलाड़ी एक अंधेरे कमरे में खड़ा है, दाईं ओर एक प्रकाश स्रोत से प्रकाशित है। कमरे के बीच में एक विशाल केतली है। आपको इसके लिए मदद की आवश्यकता हो सकती है, इसलिए चलिए रियल-टाइम रेंडरिंग वेबसाइट का उपयोग करें और देखें कि यह कैसा दिखता है:


यह मत भूलो कि यह ऑब्जेक्ट एक साथ जुड़े फ्लैट त्रिकोण का एक सेट है; अर्थात्, प्रत्येक त्रिभुज का तल एक निश्चित दिशा में निर्देशित होगा। उनमें से कुछ को कैमरे की ओर निर्देशित किया जाता है, कुछ - दूसरे को, कुछ विकृत हो जाएगा। स्रोत से प्रकाश प्रत्येक विमान पर पड़ता है और एक निश्चित कोण पर उससे परावर्तित होता है।

प्रकाश कहां परिलक्षित होता है, इसके आधार पर, विमान का रंग और चमक बदल सकता है, और वस्तु का रंग सही दिखने के लिए, इस सब की गणना और ध्यान में रखना होगा।

शुरू करने के लिए, हमें यह पता लगाना होगा कि प्रत्येक विमान कहाँ निर्देशित है, और इसके लिए हमें विमान के सामान्य वेक्टर की आवश्यकता है। यह एक और तीर है, लेकिन स्थिति वेक्टर के विपरीत, इसका आकार महत्वपूर्ण नहीं है (वास्तव में, सामान्य वैक्टर के पैमाने की गणना के बाद हमेशा कम हो जाता है ताकि उनकी लंबाई 1 हो), और यह हमेशा सीधा (दाएं हाथ में) विमान पर निर्देशित होता है।


प्रत्येक त्रिभुज के तल के सामान्य को दो दिशा वाले वैक्टर ( पी और क्यू के ऊपर दिखाया गया) के वेक्टर उत्पाद का निर्धारण करके गणना की जाती है जो त्रिभुज के किनारे बनाते हैं। वास्तव में, प्रत्येक शीर्ष के लिए उनकी गणना करना बेहतर है, और एक त्रिकोण के लिए नहीं, लेकिन चूंकि उत्तरार्द्ध की तुलना में हमेशा पूर्व के अधिक होते हैं, इसलिए त्रिकोणों के मानदंडों की गणना करना तेज होगा।

सतह को सामान्य प्राप्त करने के बाद, आप प्रकाश स्रोत और कैमरे पर विचार करना शुरू कर सकते हैं। 3 डी प्रतिपादन में, प्रकाश स्रोत विभिन्न प्रकार के हो सकते हैं, लेकिन इस लेख में हम केवल दिशात्मक स्रोतों पर विचार करेंगे, उदाहरण के लिए, स्पॉटलाइट्स। त्रिकोण के विमान की तरह, स्पॉटलाइट और कैमरा एक निश्चित दिशा में इंगित करेगा, कुछ इस तरह से:


प्रकाश स्रोत वेक्टर और सामान्य वेक्टर का उपयोग उस कोण की गणना करने के लिए किया जा सकता है जिस पर प्रकाश सतह पर पड़ता है (वैक्टर के स्केलर उत्पाद और उनके आकार के उत्पाद के बीच संबंध का उपयोग करके)। त्रिकोण के कोने में उनके रंग और सामग्री के बारे में अतिरिक्त जानकारी होगी। सामग्री बताती है कि सतह से टकराने पर प्रकाश का क्या होता है।

एक चिकनी धातु की सतह उस कोण पर लगभग सभी घटना प्रकाश को दर्शाएगी जिस पर वह गिर गई थी, और मुश्किल से वस्तु का रंग बदल गया था। किसी न किसी मैट मटेरियल को कम पूर्वानुमानित तरीके से हल्का किया जाता है और रंग को थोड़ा बदल देता है। इसे ध्यान में रखने के लिए, आपको कोने में अतिरिक्त मान जोड़ने होंगे:

• मूल आधार रंग
• परिवेश सामग्री विशेषता - एक मूल्य जो यह निर्धारित करता है कि प्रकाश "कितना" पृष्ठभूमि को अवशोषित कर सकता है और एक शीर्ष को प्रतिबिंबित कर सकता है
• डिफ्यूज़ सामग्री की विशेषता एक और मूल्य है, लेकिन इस बार शीर्ष के "खुरदरापन" का निर्धारण, जो बदले में, बिखरे हुए प्रकाश के अवशोषण और प्रतिबिंब की मात्रा को प्रभावित करता है।
• स्पेक्युलर मटेरियल एट्रीब्यूट्स - वेरीअल ग्लॉस निर्दिष्ट करने वाले दो मूल्य

विभिन्न प्रकाश मॉडल इन सभी विशेषताओं को समूहित करने के लिए विभिन्न गणितीय सूत्रों का उपयोग करते हैं, और गणना का परिणाम आउटगोइंग लाइटिंग वेक्टर है। कैमरा वेक्टर के साथ संयोजन में, यह आपको त्रिकोण के समग्र स्वरूप को निर्धारित करने की अनुमति देता है।


एक दिशात्मक प्रकाश स्रोत कई अलग-अलग एनवीडिया डेमो को प्रकाशित करता है

हमने कई विस्तृत विवरणों को छोड़ दिया, और अच्छे कारण के लिए: किसी भी 3 डी प्रतिपादन ट्यूटोरियल को खोलें, और आप देखेंगे कि पूरे अध्याय इस प्रक्रिया के लिए समर्पित हैं। हालांकि, आधुनिक खेलों में, प्रकाश और सामग्री प्रभावों की सभी गणना पिक्सेल प्रसंस्करण चरण में की जाती है, इसलिए हम अगले लेख में उनके पास लौट आएंगे।


नमूना कोड बी। एंगुएलोव दिखा रहा है कि फॉन्ग लाइट रिफ्लेक्शन मॉडल को वर्टेक्स शेडर में कैसे संसाधित किया जा सकता है।

ऊपर हमने जो कुछ भी जांच की वह सब कुछ शीर्ष शेड्स द्वारा किया गया है, और ऐसा लगता है कि उनके लिए कुछ भी असंभव नहीं है; दुर्भाग्य से ऐसा नहीं है। वर्टेक्स शेड्स नए वर्टिकल नहीं बना सकते हैं, और प्रत्येक शेडर को प्रत्येक व्यक्तिगत शीर्ष को संसाधित करना होगा। यह सुविधाजनक होगा यदि आप कोड का उपयोग उन लोगों के बीच नए त्रिकोण बनाने के लिए कर सकते हैं जो हमारे पास पहले से ही हैं (दृश्य गुणवत्ता बढ़ाने के लिए), और एक ऐसा शेडर है जो पूरे आदिम (प्रसंस्करण को गति देने के लिए) को संसाधित करता है। खैर, आधुनिक GPU में हम यह कर सकते हैं!

कृपया सर, मुझे और अधिक (त्रिकोण) चाहिए

आधुनिक ग्राफिक्स चिप्स बेहद शक्तिशाली हैं और हर पल लाखों मैट्रिक्स-वेक्टर गणना करने में सक्षम हैं; वे आसानी से एक समय में चोटियों के विशाल ढेर का सामना करते हैं। दूसरी ओर, प्रतिपादन के लिए अत्यधिक विस्तृत मॉडल बनाना एक बहुत लंबी प्रक्रिया है, और यदि मॉडल दृश्य से कुछ दूरी पर है, तो ये सभी विवरण बर्बाद हो जाएंगे।

यही है, हमें किसी तरह प्रोसेसर को एक बड़े आदिम को विभाजित करने का आदेश देने की आवश्यकता है, उदाहरण के लिए, मूल एक के अंदर स्थित छोटे त्रिकोण के एक सेट में एक फ्लैट त्रिकोण। इस तरह की प्रक्रिया को टेसलेशन कहा जाता है , और ग्राफिक चिप्स ने पहले ही इसे बहुत अच्छा प्रदर्शन करना सीख लिया है; विकास के वर्षों में, प्रोग्रामर के पास इस प्रक्रिया पर नियंत्रण की डिग्री बढ़ गई है।

इसे कार्रवाई में देखने के लिए, हम यूनीगिन इंजन के हेवन बेंचमार्क टूल का उपयोग करेंगे , क्योंकि यह हमें परीक्षण में उपयोग किए गए मॉडल के लिए अलग-अलग टेसलेशन मूल्यों को लागू करने की अनुमति देता है।


शुरू करने के लिए, आइए बेंचमार्क में जगह लें और बिना टेसलेशन के इसका अध्ययन करें। ध्यान दें कि जमीन पर कोब्लैस्टोन बहुत अप्राकृतिक दिखते हैं - उपयोग की गई बनावट प्रभावी है, लेकिन यह गलत लगता है। आइए दृश्य पर टेसेलेशन लागू करें: यूनीगिन इंजन इसे केवल व्यक्तिगत भागों पर लागू करता है, लेकिन अंतर महत्वपूर्ण होगा।


भूमि, इमारतों के किनारे और दरवाजे बहुत अधिक यथार्थवादी लगते हैं। हम देख सकते हैं कि इस प्रक्रिया को फिर से शुरू करके इसे कैसे प्राप्त किया गया था, लेकिन इस बार सभी प्राइमेटिव (वायरफ्रेम में) के चयन के साथ:


यह स्पष्ट रूप से देखा जाता है कि पृथ्वी इतनी अजीब क्यों दिखती है - यह पूरी तरह से सपाट है! दरवाजा दीवारों के साथ विलीन हो जाता है, और इमारत के किनारों को सरल समानताएं हैं।

Direct3D में, तीन-चरणीय प्रक्रिया करके प्राइमिटिव्स को छोटे भागों के समूह में विभाजित किया जा सकता है (इस प्रक्रिया को सब-डिवीजन कहा जाता है ) । सबसे पहले, प्रोग्रामर एक सतह shader (पतवार shader) लिखते हैं - वास्तव में, यह कोड एक संरचना बनाता है जिसे ज्यामिति पैच कहा जाता है । आप इसे प्रोसेसर के नक्शे के रूप में सोच सकते हैं जहां प्रारंभिक आदिम के अंदर नए बिंदु और रेखाएं दिखाई देंगी।

फिर, GPU के अंदर tessellator ब्लॉक इस पैच को आदिम पर लागू करता है। अंत में, एक डोमेन shader निष्पादित किया जाता हैसभी नए कोने की स्थिति की गणना। यदि आवश्यक हो, तो इस डेटा को वर्टेक्स बफर में वापस स्थानांतरित किया जा सकता है ताकि प्रकाश गणना नए सिरे से की जा सके, लेकिन इस बार बेहतर परिणाम के साथ।

यह कैसा दिखता है? आइए, तारांकित दृश्य के वायरफ्रेम संस्करण को लॉन्च करें:


ईमानदारी से, हम प्रक्रिया के स्पष्टीकरण को अधिक दृश्यमान बनाने के लिए अधिक उच्च स्तर के टेसेलेशन निर्धारित करते हैं। कोई फर्क नहीं पड़ता कि आधुनिक ग्राफिक्स चिप्स कितने अच्छे हैं, यह हर दृश्य में नहीं किया जाना चाहिए - उदाहरण के लिए, दरवाजे के बगल में दीपक पर।

वायरफ्रेम के साथ छवियों में अक्षम, आप शायद ही इस दूरी पर मतभेद पाएंगे, और हम देखते हैं कि इस तरह के स्तर में कई स्तरों पर इतने अधिक त्रिभुज जोड़े गए हैं कि उन्हें एक दूसरे से अलग करना मुश्किल है। हालांकि, जब सही तरीके से उपयोग किया जाता है, तो यह वर्टेक्स प्रोसेसिंग फ़ंक्शन शानदार दृश्य प्रभाव पैदा कर सकता है, खासकर जब कोमल शरीर के टकरावों का अनुकरण करता है।

आइए देखें कि यह Direct3D कोड के संदर्भ में कैसा लग सकता है; इसके लिए हम एक और महान वेबसाइट, RasterTek से उदाहरण का उपयोग करते हैं ।

यहाँ एक छोटा सा हरे रंग का त्रिभुज है जिसे कई छोटे त्रिभुजों में रखा गया है ...


वर्टेक्स प्रोसेसिंग तीन अलग-अलग शेड्स द्वारा किया जाता है ( कोड उदाहरण देखें ): एक वर्टेक्स शेडर जो टेसेलेशन के लिए एक त्रिकोण तैयार करता है, एक सतह shader जो एक पैच उत्पन्न करता है, और एक डोमेन shader जो नए वर्सेट्स को प्रोसेस करता है। परिणाम पर्याप्त रूप से समझ में आता है, लेकिन यूनीगाइन उदाहरण संभावित लाभ और तनाव के व्यापक उपयोग के खतरों दोनों को प्रदर्शित करता है।

"लोहा" इसे बर्दाश्त नहीं कर सकता!

याद रखें, हमने कहा था कि वर्टेक्स शेड्स हमेशा एक सीन में हर एक वर्टेक्स को प्रोसेस करते हैं? यह समझना आसान है कि टेसूलेशन यहां एक गंभीर समस्या हो सकती है। और कई दृश्य प्रभाव हैं जहां आपको एक आदिम के विभिन्न संस्करणों को संसाधित करने की आवश्यकता होती है, लेकिन बहुत शुरुआत से उन्हें बनाए बिना, उदाहरण के लिए, बाल, फर, घास और विस्फोट के कण।

सौभाग्य से, विशेष रूप से ऐसी चीजों के लिए, एक और shader है - एक ज्यामितीय shader । यह वर्टेक्स शेडर का अधिक सीमित संस्करण है, लेकिन इसे पूरे आदिम पर लागू किया जा सकता है। Tessellation के साथ संयोजन में, यह प्रोग्रामर वर्टिकल के बड़े समूहों पर नियंत्रण बढ़ा देता है।


उल बेंचमार्क के 3DMark सहूलियत - ज्यामितीय shaders प्रक्रिया कणों और

Direct3D झंडे , सभी आधुनिक ग्राफिक्स एपीआई की तरह, यह आपको कोने के साथ बहुत सारी गणना करने की अनुमति देता है। तैयार डेटा या तो रेंडरिंग प्रक्रिया ( रेस्टराइजेशन ) के अगले चरण में स्थानांतरित किया जा सकता है , या अन्य प्रयोजनों के लिए केंद्रीय प्रोसेसर द्वारा पुनर्प्रसंस्करण या पढ़ने के लिए मेमोरी पूल में वापस आ सकता है। जैसा कि Direct3D पर Microsoft दस्तावेज़ कहता है , इसे डेटा स्ट्रीम के रूप में लागू किया जा सकता है:


चरण उत्पादन धारा (धारा उत्पादन) वैकल्पिक, विशेष रूप से, क्योंकि यह प्रतिपादन पुरातन को वापस किया जा सकता पूरे चक्र केवल (बल्कि अलग-अलग कोने से), लेकिन यह प्रभाव है कि कणों की एक बड़ी संख्या की आवश्यकता होती है के लिए उपयोगी है। एक ही चाल को एक चर या गतिशील वर्टेक्स बफर का उपयोग करके किया जा सकता है , लेकिन इनपुट बफ़र्स को अपरिवर्तित रखना बेहतर होता है, क्योंकि जब आप उन्हें संपादन के लिए खोलते हैं, तो प्रदर्शन कम हो जाता है।

वर्टेक्स प्रोसेसिंग प्रतिपादन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है, क्योंकि यह निर्धारित करता है कि कैमरा दृष्टिकोण से दृश्य कैसा दिखेगा। आधुनिक खेलों में, लाखों त्रिकोण दुनिया बनाने के लिए इस्तेमाल किए जा सकते हैं, और इनमें से प्रत्येक कोने को किसी भी तरह से बदल दिया जाता है और रोशन किया जाता है।


त्रिकोण। इनकी संख्या लाखों में है।

इन सभी गणनाओं और गणित को संसाधित करना एक बुरे सपने की तरह लग सकता है, लेकिन ग्राफिक्स प्रोसेसर (जीपीयू) और एपीआई को इस सब को ध्यान में रखकर बनाया गया है - उत्पादन पाइपलाइन के माध्यम से एक समय में एक उत्पाद को पारित करने वाले पूरी तरह से काम करने वाले कारखाने की कल्पना करें।

अनुभवी 3 डी गेम रेंडरिंग प्रोग्रामर्स को गणित और भौतिकी में मौलिक ज्ञान है; वे ऑपरेशन को ऑप्टिमाइज़ करने के लिए सभी संभावित ट्रिक्स और टूल्स का उपयोग करते हैं, वर्टेक्स प्रोसेसिंग स्टेज को सिर्फ कुछ मिलीसेकंड तक संकुचित करते हैं। लेकिन यह केवल एक 3 डी फ्रेम के निर्माण की बहुत शुरुआत है - अगला चरण रेखांकन है, फिर पिक्सेल और बनावट के बेहद जटिल प्रसंस्करण, और उसके बाद ही छवि मॉनिटर पर मिलती है।