Vyplňovanie oblastí a textúrovanie (otázky 61 - 68)¶

[Zdroj: PG_2021_Otazky_z_predmetu.pdf, skuska2023.pdf, prednasky.pdf]

61. Vyplňovanie oblastí používané v počítačovej grafike (charakteristika)¶

Súvis s vizualizačným procesom¶

Vyplňovanie oblastí sa typicky viaže na: - 4. vrstvu vizualizačného procesu (vyplňovanie/textúry v rámci generovania výsledného obrazu), - 6. a 7. vrstvu (kompozícia, vykresľovanie – výsledné „dostavenie“ farieb/pixelov do obrazu).

Typy vyplňovania (čo sa tým myslí)¶

Vyplňovanie oblasti 1 farbou
Najjednoduchší prípad: všetky body oblasti dostanú tú istú farbu výplne.
Vyšrafovanie oblasti
Vyplnenie oblasti čierno-bielym vzorom (šrafy, raster, opakujúci sa vzor).
Vyplnenie farebným vzorom (textúrovanie)
Vyplnenie oblasti farebným obrazovým vzorom (textúrou) tak, aby vznikol dojem materiálu (drevo, kameň, kov a pod.).

Rozdelenie algoritmov vyplňovania podľa toho, ako je zadaná hranica¶

Algoritmy sa delia podľa spôsobu zadania hranice vypĺňanej oblasti: - Hranica definovaná geometricky (výpočtovo)
Hranica je daná vrcholmi/hranolmi/polygónom, priesečníky sa rátajú matematicky. - Hranica nakreslená na zobrazovači
Hranica existuje ako pixely na obrazovke (pracuje sa priamo s farbou hranice/výplne).

Metódy vyplňovania uvádzané v materiáloch¶

Metóda riadkového rozkladu
Inverzné vyplňovanie – riadkové a plotové
Vyplňovanie spektrom
Semienkové vyplňovanie – rekurzívne a nerekurzívne

62. Metóda riadkového rozkladu pri vyplňovaní oblastí (scanline fill)¶

Základná charakteristika¶

Použiteľné pri hranici definovanej geometricky.
Oblasť sa vypĺňa po „rozkladových riadkoch“ rovnobežných s osou X (t. j. po riadkoch s konštantnou hodnotou Y).

Postup (kroky)¶

Postupuje sa od najvyššieho vrcholu oblasti k najnižšiemu, a v rámci riadka spravidla zľava doprava.
Pre každý rozkladový riadok (konštantné Y, zvyčajne s krokom -1):
nájdu sa priesečníky riadka s hranami vypĺňanej oblasti,
priesečníky sa uložia do zoznamu.
Priesečníky sa usporiadajú zľava doprava.
Vyfarbia sa úseky medzi:
1. a 2. priesečníkom,
1. a 4. priesečníkom,
atď.

Dôležitá podmienka¶

Počet priesečníkov v každom riadku musí byť párny, aby sa dali korektne spárovať úseky „vnútri“ oblasti.

63. Vyplňovanie spektrom (prechod farieb)¶

Vyplňovanie spektrom je vyplňovanie oblasti, kde farba plynule prechádza z prvej farby do druhej (a nejde o jednu konštantnú farbu).

Spôsoby realizácie¶

Uvádzajú sa dva spôsoby:

3.1 Spôsob 1: cez metódu riadkového rozkladu¶

Mnohouholník sa najprv otočí o uhol β tak, aby smer vykresľovania úsečiek bol rovnobežný s osou X.
Následne sa použije riadkový rozklad a nájdu sa priesečníky.
Úsečky medzi priesečníkmi sa pri kreslení spätne otočia o β (vrátia sa do pôvodnej polohy).
Rozdiel oproti klasickému riadkovému vyplneniu: úseky sa nevypĺňajú jednou farbou, ale farba sa mení postupne.

3.2 Spôsob 2: nastavenie orezávacej oblasti (napr. MS Windows)¶

Nastaví sa orezávacia oblasť na oblasť mnohouholníka.
Vypočítajú sa súradnice:
Xmin, Xmax, Ymin, Ymax.
Podľa veľkosti uhla β sa vyplní príslušný rovnobežník; orezávacia oblasť zabezpečí, že výsledok zostane len v oblasti mnohouholníka.

Poznámka: tento spôsob je viazaný na konkrétne grafické rozhrania (v materiáloch sa spomína Windows).

Typy zmeny farby / prechodu¶

Lineárna zmena farby (jednoduchšia)
Radiálna zmena farby

Plynulý prechod farieb v RGB priestore (výpočet prírastkov)¶

Pre dve farby C1=(R1,G1,B1) a C2=(R2,G2,B2): 1. Zistia sa rozdiely zložiek:
- ΔR = R2 - R1, ΔG = G2 - G1, ΔB = B2 - B1. 2. Určí sa počet úsečiek (krokov) n v rovnobežníku/prechode. 3. Prírastky na krok:
- pR = ΔR / n, pG = ΔG / n, pB = ΔB / n. 4. Farba sa mení po krokoch:
- Ri = R1 + i*pR, Gi = G1 + i*pG, Bi = B1 + i*pB.

Materiály uvádzajú, že plynulý prechod je ekvivalentom alfa miešania (v zmysle plynulého prechodu medzi dvoma farbami).

64. Inverzné a plotové vyplňovanie¶

Základná charakteristika¶

Vyžaduje, aby zobrazovač umožňoval dynamickú zmenu obsahu (typicky monitor).
Nie je implementovateľné na zariadeniach, kde „nevieš prepisovať obsah“ (v materiáloch sa uvádza príklad tlačiarne).
Hranica je na zobrazovači (pracuje sa priamo s pixelmi hranice).

XOR princíp¶

Používa sa operácia XOR (výhradne alebo), t. j.: - 0 XOR 0 = 0 - 1 XOR 1 = 0 - 0 XOR 1 = 1 - 1 XOR 0 = 1

Interpretácia pri vyplňovaní: - ak prejdeš cez tú istú oblasť druhýkrát, XOR ju „odfarbí“ (1 XOR 1 = 0).

Dva typy inverzného vyplňovania¶

Vodorovné (riadkové) vyplňovanie
rýchlejšie (typicky lepší prístup do pamäte).
Zvislé (plotové) vyplňovanie
pomalšie (offsetové odskoky, horší pamäťový prístup).

Typický postup¶

Pre každú hranu/hranový pixel:
XOR metódou sa „zafarbí“ všetko od hrany po pravý (alebo ľavý) okraj obrazovky.
Pri ďalšej hrane sa operácia opakuje.
Tam, kde sa prechody prekryjú, dôjde k odfarbovaniu (1 XOR 1 = 0) a výsledkom je vyplnená oblasť.

Poznámka z materiálov: - metóda „100 % nájde výsledok“, ale nie je „100 %“ pri „naliezovaní“ výplne (t. j. niektoré degenerované prípady môžu byť problematické).

65. Rekurzívne aj nerekurzívne semienkové vyplňovanie¶

Semienkové vyplňovanie začína vnútri oblasti zvolením počiatočného bodu (semienka) a rozširuje sa do okolia.

5.1 Rekurzívne semienkové vyplňovanie¶

Hranica je definovaná na obrazovke.
Pre každý pixel sa zisťuje:
či je pixel farby hranice,
alebo už je pixel farby výplne.
Ak nie je ani hranica, ani už vyplnený, pixel sa vyplní a rekurzívne sa pokračuje.

Typicky sa používa 4-susednosť: - hore, dole, vľavo, vpravo.

Nevýhody: - potrebuje veľa pamäte (rekurzia = zásobník volaní), - bez úprav je pre veľké plochy prakticky nepoužiteľný.

5.2 Nerekurzívne semienkové vyplňovanie¶

Základná myšlienka je rovnaká, ale body návratu sa ukladajú do vlastnej štruktúry:
zásobník (stack).
Najbližší „bod rozvoja“ je 1. voľný bod v zásobníku (podľa stratégie DFS/BFS).

Výhody: - menšie pamäťové nároky než čistá rekurzia, - je to prakticky použiteľná forma seed fill.

66. Textúrovanie a jeho vzťah k zobrazovacím reťazcom¶

Definícia (textúrovacia transformácia)¶

Textúrovanie je proces (textúrovacia transformácia, TT) nanášania obrazových vzoriek (textúr, „tapiet“) na povrch alebo objem objektu tak, aby vznikol vizuálny dojem materiálu (drevo, kameň, kov a pod.).

Typy textúr podľa topologického rozmeru¶

1D, 2D, 3D.

Typy textúr podľa spôsobu nanášania¶

Statické (nemenné textúry),
Dynamické,
Procedurálne (textúra sa počíta funkciou, napr. fraktálnou),
Animačné (zmena textúry v čase, typicky poradím statických textúr, často klasická 2D animácia).

Textúra v transformačnom reťazci¶

Zavádza sa SST (súradnicová sústava textúry) naviazaná na súradnicovú sústavu objektu.
Namiesto priestorových súradníc (x, y, z) sa pracuje so súradnicami textúry (u, v) v tzv. „UV priestore“.
TT je proces, ktorý mapuje body povrchu objektu na body textúry v SST.

Poznámka z materiálov: - textúrovacia transformácia je vnímaná ako prvý krok v transformačnom reťazci pre textúry, - typicky sa viaže najmä na súradnicovú sústavu objektu (SSO), s výnimkami (napr. pozadie SSZ).

67. Bilineárne textúrovanie, bump-map textúrovací procees a technológia „pečenia“ textúr¶

Charakteristika¶

Ide o základný spôsob UV textúrovania, kde sa ako vzor najčastejšie používa obrázok (textúra).
Textúra používa 2D súradnicovú sústavu SST [u, v]:
u zodpovedá x-ovej osi textúry,
v zodpovedá y-ovej osi textúry.
Jedna jednotka v u/v zodpovedá dĺžke/šírke obrázka textúry.

Bilineárne UV textúrovanie na nelineárnu plochu (napr. Bézierova plocha)¶

Pri nelineárnych plochách nie je mapovanie vždy lineárne („u a v nie sú lineárne“).
Súradnica [u, v] z textúry sa mapuje na priestorový bod [x, y] (resp. [x, y, z]) na ploche.
Dá sa tak aplikovať textúra na ľubovoľnú plochu, ale:
časová náročnosť je vyššia,
pri viacerých plochách treba riešiť aj nadväzovanie textúr (seamy; bázická plocha).

Bump map (výšková mapa)¶

Bump mapping pracuje s výškovou mapou (height map) a vytvára dojem, že povrch má nerovnosti.
Vplyv svetla na bod povrchu je ovplyvnený „výškou“ z bump mapy.
V praxi sa upravuje výsledný vzhľad (napr. jas, prípadne saturácia) bodov textúry tak, aby vznikol dojem hrboľatosti (3D efekt bez reálnej zmeny geometrie).
Umožňuje simulovať aj pohyb svetelného zdroja.
Vyžaduje vyšší výpočtový výkon.

Pečenie textúr¶

„Pečenie“ textúr je prenos (prepočítanie) detailných informácií zo zložitejšieho (detailnejšieho) 3D modelu na jednoduchší (lowpoly) model tak, aby jednoduchší model pôsobil vizuálne detailne.

V kontexte optimalizácie sa to často zaraďuje medzi LOD prístupy, lebo: - geometria sa zjednoduší (menej polygónov), - ale časť vizuálnych detailov sa zachová v mapách/textúrach.

Čo sa typicky „pečie“¶

Do textúr sa môže zapísať napríklad: - farba/albedo, - osvetlenie a tiene (lightmapy, AO), - normálové informácie (normal map), - odrazové informácie a iné materiálové parametre.

Prečo sa to robí (dôvody)¶

lowpoly model má menej dát, teda menší súbor a rýchlejšie spracovanie,
real-time aplikácie (hry, web, VR) často nezvládnu highpoly modely v reálnom čase,
vizuálna kvalita sa dá udržať cez mapy, aj keď geometria je jednoduchá.

Praktický príklad¶

Highpoly sochy/architektúra: tisíce až milióny polygonov, veľa jemných detailov.
Lowpoly verzia: výrazne menej polygonov, ale:
normal map a AO map spôsobia, že pri osvetlení objekt vyzerá detailne,
lightmap môže niesť statické osvetlenie interiéru.

68. LOD technológie v rámci počítačovej grafiky¶

Level of Detail (LOD) je technika optimalizácie, ktorá znižuje výpočtovú náročnosť tým, že znižuje zložitosť objektov alebo ich parametrov, najčastejšie podľa: - vzdialenosti od kamery, - uhla/smeru pohľadu (vrátane zorného poľa).

Spôsob aktivácie¶

Diskrétne LOD: prepínanie v skokoch (napr. 3 verzie modelu podľa vzdialenosti).
Kontinuálne LOD: plynulé dynamické prispôsobovanie (napr. priebežná zmena teselácie alebo detailu).

Základné typy LOD (stručne + príklady)¶

Geometrický LOD (tessellation LOD): mení počet trojuholníkov.
Príklad: blízky objekt má viac detailov, vzdialený má zjednodušený mesh.
Substitučný LOD (impostor/billboard): vzdialený 3D objekt sa nahradí 2D obrazom.
Príklad: stromy v diaľke ako billboardy.
Screen-space LOD: detail podľa toho, koľko pixelov objekt zaberá na obrazovke.
Príklad: malý objekt ďaleko má nižší detail než objekt, ktorý zaberá veľa pixelov.
Hierarchický LOD (HLOD/group LOD): vzdialené objekty sa zhlukujú do skupín.
Príklad: zhluk stromov sa zobrazí ako jeden jednoduchý objekt.
Terrain LOD (geomipmapping): terén je rozdelený na dlaždice, každá s vlastným detailom.
Príklad: dlaždice blízko kamery sú detailné, ďaleké sú hrubšie.
Materiálový/textúrovací LOD: mení sa kvalita textúr/materiálu (mipmapping, streaming, baking).
Príklad: vo veľkej vzdialenosti postačí farba alebo nízke rozlíšenie textúry.
Osvetľovací LOD: mení sa zložitosť osvetľovacieho modelu alebo sa používajú lightmapy.
Príklad: vzdialené objekty bez dynamických tieňov, s jednoduchým Lambertom.
Tieňovací LOD (shading LOD): voľba jednoduchšieho/zložitejšieho tieňovania podľa vzdialenosti.
Príklad: blízko Phong, ďaleko jednoduchšie tieňovanie.
Foveated LOD (eye-tracked): najvyšší detail len v oblasti fovey, periféria má nižší detail.
Príklad: vo VR sa detail znižuje mimo miesta, kam sa používateľ pozerá.

Rozšírené a urýchľovacie techniky (stručná pointa)¶

Mesh simplification/decimation: redukcia vrcholov a trojuholníkov s minimalizáciou vizuálnej straty.
Príklad: edge-collapse, vertex-clustering; často s minimalizáciou chyby (quadric error metrics).
Occlusion culling v kombinácii s LOD: nevykresľujú sa objekty, ktoré sú úplne zakryté.
Neural geometric LOD: generovanie/optimalizácia detailu neurónovou sieťou (napr. cez SDF a adaptívne štruktúry).

Rýchle skúškové zhrnutie (čo vedieť povedať)¶

Typy vyplňovania: 1 farba, vyšrafovanie, farebný vzor (textúra).
Rozdelenie podľa hranice: geometricky definovaná vs nakreslená na zobrazovači.
Scanline: priesečníky na riadku, zoradiť, vyfarbiť medzi nepárnym a párnym; párny počet priesečníkov.
Spektrum: dva spôsoby (otočenie o β + scanline; alebo orezávacia oblasť); lineárny/radiálny prechod; prírastky RGB; ekvivalent alfa miešania.
Inverzné vyplňovanie: XOR, riadkové vs plotové, potrebuje dynamický výstup.
Semienkové vyplňovanie: rekurzívne (pamäťovo náročné) vs nerekurzívne (stack).
Textúrovanie: SST, UV priestor, typy textúr (1D/2D/3D; statické/dynamické/procedurálne/animačné).
Bilineárne textúrovanie: mapovanie [u,v] na povrch, pri nelineárnych plochách náročnejšie, riešiť nadväzovanie.
Bump map: výšková mapa + vplyv svetla, dojem nerovností, vyššie nároky.
Pečenie textúr (texture baking): prenos detailov z highpoly modelu na lowpoly model pomocou textúr (normal map, AO, lightmap); znižuje počet polygónov pri zachovaní vizuálneho detailu; používa sa najmä v real-time aplikáciách (hry, web, VR).
LOD (Level of Detail): optimalizačná technika, ktorá mení zložitosť geometrie, textúr, materiálov alebo osvetlenia podľa vzdialenosti/uhla pohľadu; môže byť diskrétna (prepínanie verzií) alebo kontinuálna; zahŕňa geometrický, textúrový, osvetľovací, tieňovací a ďalšie typy LOD.