Scan Linien Rendern: Erforschung des visuellen Realismus durch Scan Linien Rendern Techniken

Von Fouad Sabry

Was ist Scan Linien Rendern?

Scan Linien Rendern ist ein Algorithmus zur Bestimmung sichtbarer Oberflächen in 3D-Computergrafiken, der zeilenweise und nicht Polygon-für-Polygon oder Pixel für Pixel arbeitet. Alle zu rendernden Polygone werden zunächst nach der oberen Y-Koordinate sortiert, an der sie zum ersten Mal erscheinen. Anschließend wird jede Zeile oder Scanlinie des Bildes anhand des Schnittpunkts einer Scanlinie mit den Polygonen am Anfang der sortierten Liste berechnet Die sortierte Liste wird aktualisiert, um nicht mehr sichtbare Polygone zu verwerfen, während die aktive Scanlinie im Bild nach unten verschoben wird.

Wie Sie davon profitieren

(I) Erkenntnisse und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Scan Linien Rendern

Kapitel 2: Maler-Algorithmus

Kapitel 3: Rasterisierung

Kapitel 4: Texturzuordnung

Kapitel 5: Z-Pufferung

Kapitel 6: Grafikpipeline

Kapitel 7: Clipping (Computergrafik)

Kapitel 8: Bestimmung verdeckter Oberflächen

Kapitel 9: Schatten

Kapitel 10: Schattenvolumen

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zum Scan Linien Rendern.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz von Scan Linien Rendern in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch ist

Fachleute, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über grundlegende Kenntnisse oder Informationen für jede Art von Scan Linien Rendern hinausgehen möchten.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 14. Mai 2024

Buchvorschau

Scanline-Rendering

Scanline-Rendering (auch Scanline-Rendering und Scan-Line-Rendering) ist ein Ansatz zur Bestimmung sichtbarer Oberflächen in 3D-Computergrafiken, der zeilenweise und nicht auf Polygon-für-Polygon- oder Pixel-für-Pixel-Basis arbeitet. Jede Zeile oder Scanlinie des Bildes wird anhand des Schnittpunkts einer Scanlinie mit den Polygonen auf der Vorderseite der sortierten Liste berechnet, während die sortierte Liste aktualisiert wird, um nicht mehr sichtbare Polygone zu eliminieren, wenn die aktuelle Scanlinie entlang des Bildes fortschreitet.

Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass sie die Anzahl der Vergleiche zwischen Kanten verringert, indem Scheitelpunkte entlang der Normalen der Abtastebene sortiert werden. Darüber hinaus ist es nicht unbedingt erforderlich, die Koordinaten aller Eckpunkte vom Hauptspeicher in den Arbeitsspeicher zu übersetzen. Nur Scheitelpunkte, die Kanten bilden, die die aktuelle Scanlinie kreuzen, müssen sich im aktiven Speicher befinden, und jeder Scheitelpunkt wird nur einmal eingelesen. Der Hauptspeicher ist häufig viel langsamer als die Verbindung zwischen der Zentraleinheit und dem Cache-Speicher. Daher kann das Vermeiden des erneuten Zugriffs auf Scheitelpunkte im Hauptspeicher zu einer erheblichen Beschleunigung führen.

Diese Art von Algorithmus kann leicht mit einer Vielzahl anderer Grafiktechniken zusammengeführt werden, einschließlich des Phong-Reflexionsmodells und des Z-Puffer-Algorithmus.

Kanten projizierter Polygone werden in der Regel in Eimern platziert, einer pro Scanline; Der Rasterizer verwaltet eine aktive Edge-Tabelle (AET). Einträge behalten Sortierlinks, X-Koordinaten, Farbverläufe und Verweise auf die gebundenen Polygone bei. Um die nächste Scanline zu rastern, werden irrelevante Kanten entfernt und neue Kanten aus dem Y-Bucket der aktuellen Scanline in der Reihenfolge der X-Koordinate platziert. In den Einträgen der aktiven Kantentabelle werden X und andere Parameter erhöht. Einträge für aktive Kantentabellen werden in einer X-sortierten Liste verwaltet, was zu einer Änderung führt, wenn sich zwei Kanten schneiden. Nach dem Aktualisieren von Kanten wird die aktive Kantentabelle in X-Reihenfolge durchlaufen, um nur sichtbare Bereiche auszugeben, während eine aktive Bereichstabelle in Z-Reihenfolge beibehalten wird und Flächen eingefügt und gelöscht werden, wenn Kanten gekreuzt werden.

Eine Mischung aus dieser und Z-Pufferung eliminiert die aktive Kantentabellensortierung und rastert jeweils eine Scanline in einen Z-Puffer, während aktive Polygone von einer Scanline zur nächsten gespannt bleiben.

In einer zweiten Form wird ein ID-Puffer in einer Zwischenstufe gerastert, wodurch die Schattierung der resultierenden sichtbaren Pixel verzögert werden kann.

1967 veröffentlichten Wylie, Romney, Evans und Erdahl wahrscheinlich zum ersten Mal die Scanline-Rendering-Technik. Ivan Sutherlands Grafikgruppe an der University of Utah und die Firma Evans & Sutherland in Salt Lake City haben einen Großteil der frühen Arbeit an diesen Technologien geleistet.

Die frühe ESIG-Reihe von Evans & Sutherland von Bildgeneratoren (IGs) nutzte den Ansatz in der Hardware on the fly, um Bilder zeilenweise ohne Framebuffer zu erzeugen, wodurch der Bedarf an teurem Speicher zu dieser Zeit entfiel. Spätere Varianten verwendeten eine gemischte Strategie.

Der Nintendo DS ist die neueste Hardware, die in der Lage ist, 3D-Szenen auf diese Weise zu rendern, mit der Möglichkeit, gerasterte Grafiken im VRAM zwischenzuspeichern.

Die Sprite-Hardware, die in den Videospielkonsolen der 1980er Jahre allgegenwärtig ist, ist eine rudimentäre Art von Scanline-Rendering.

Der Ansatz wurde für das Software-Rendering der Umgebung in der ursprünglichen Quake-Engine verwendet (aber bewegte Objekte wurden darüber Z-gepuffert). Die Priorisierung der statischen Szenerie basierte auf einer BSP-abgeleiteten Sortierung. Es erwies sich als überlegen gegenüber den Methoden des Z-Buffer/Type Painters bei der Handhabung von Szenen mit kostspieligen Pixeloperationen und hoher Tiefenkomplexität (d.h. perspektivisch korrektes Textur-Mapping ohne Hardware-Unterstützung). Diese Praxis ging auf die breite Einführung von Z-Puffer-basierten GPUs zurück, die derzeit auf PCs weit verbreitet sind.

Während der Entwicklung der PlayStation 3 experimentierte Sony mit Software-Scanline-Renderern auf einem zweiten Cell-Prozessor, bevor es sich für eine Standard-CPU/GPU-Konfiguration entschied.

In ähnlicher Weise werden beim gekachelten Rendering (vor allem beim PowerVR 3D-Prozessor) Primitive in den Bildschirmbereich sortiert und eine Kachel nach der anderen im schnellen On-Chip-Speicher gerendert. Im Geiste des Hardware-Scanline-Renderings verfügte der Dreamcast über einen Modus zum Rastern einer Reihe von Kacheln für das direkte Raster-Scanning, wodurch die Notwendigkeit eines vollständigen Framebuffers entfiel.

Einige Software-Rasterizer verwenden Span-Buffering (oder Coverage-Buffering), bei dem eine Liste sortierter, abgeschnittener Spannen in Scanline-Buckets gespeichert wird. Eine Reihe von Primitiven wird auf diese Datenstruktur angewendet, bevor nur die sichtbaren Pixel gerastert werden.

Der Hauptvorteil des Scanline-Renderings gegenüber der Z-Pufferung besteht darin, dass die Anzahl der sichtbaren Pixel auf ein absolutes Minimum beschränkt wird, was immer eins ist, wenn keine Transparenzeffekte angewendet werden, was bei hoher Auflösung oder kostspieligen Schattierungsberechnungen von Vorteil ist.

Ähnliche Verbesserungen können in aktuellen Z-Puffersystemen erzielt werden, indem grobe Front-to-Back-Sortierung (Annäherung an die Reverse-Painters-Methode), frühe Z-Ausschuss- (in Verbindung mit hierarchischem Z) und seltenere verzögerte Rendering-Techniken auf programmierbaren GPUs verwendet werden.

Scanline-Ansätze, die mit dem Raster arbeiten, haben den Nachteil, dass die Überladung nicht ordnungsgemäß behandelt wird.

Es wird nicht angenommen, dass die Technik effektiv skaliert, wenn die Anzahl der Primitiven steigt. Dies liegt an der Größe der Zwischendatenstrukturen, die während des Renderns erforderlich sind, was bei komplizierten Szenen die Kapazität eines Z-Puffers überschreiten kann.

Infolgedessen ist der Z-Puffer in interaktiven Grafikanwendungen der Gegenwart allgegenwärtig geworden. Der Z-Puffer ermöglicht das lineare, parallele und hardwarefreundliche Durchlaufen größerer Mengen von Primitiven. Verlassen Sie niemals den