3D Grafika a úvod do problematiky

[TomG]

Kdysi jsem slíbil sepsat nějaký obecnější popis k 3D grafice. Defakto použiju upravené texty ze své diplomky a doplněné o další informace, které jsou podstatné pro samontnou vizualizaci, ale v diplomce nebyly nutné.
Moje diplomová práce měla téma: "Možnosti 3D modelování a vizualizace v operačním systému Linux".

Takže ne sice jak se grafika používa (klikání v nějaké 3D aplikaci), ale jak se (taková klikací aplikace) programuje na linuxu Diplomka však byla koncipována jako úvod do vizualizace a 3D grafiky, pro lidi kteří nejsou příliš zběhlí v používané terminologii a možná vám pomůže pochopit principy jak to funguje. Takže tuto část je možné použít.

Úvod

Počítače pronikly snad do všech oblastní našeho života. Pryč jsou doby, kdy hlavním nástrojem konstruktérů, designérů a grafiků byla obyčejná tužka, pastelky či barvy. Nyní mají mnohem větší možnosti než dříve. Výkonné grafické aplikace jim nejen usnadňují práci, ale umožňují jim provádět operace, které byly dřív nemožné. Umožňují jim například pracovat ve virtuálním světě zcela vytvořeném pomocí počítače. Návrháři tak mohou testovat a následně upravovat své produkty ještě předtím, než se vytvoří první reálný prototyp. Vizualizace, simulace a následná prezentace dat v průmyslu, lékařství nebo ve vojenství by bez výkonného a stabilního operačního systému s podporou grafiky nebyla možná. Toto všechno jsou systémy, kde je podstatné, aby zobrazování třírozměných dat probíhalo v reálném čase. Dalším neméně rozsáhlým použítím jsou systémy, kdy se třírozměrná data nezobrazují v reálném čase a mnohdy trvá vypočet jednoho snímku několik minut, hodin či dnů, v závislosti podle použitého rozlišení, úrovně detailů a vizuálních efektů až po vizualizaci reálného prostředí na počítači, tak aby to bylo nerozlišitelné od fotografie. Tyto systémy jsou většinou používány pro vizuální efekty/triky ve filmovém průmyslu, v reklamě a taky fotorealistická vizualizace prototypů vyrobků, než se vytvoří první reálný prototyp. Na tuto skupinu se zaměříme.

Pokračování ....

EDIT: Je možné se zde ptát a diskutovat. Tato diskuze pak bude po zodpovězení dotazů průběžně promazána.

[TomG]

Co je to vizualizace

Vizualizací rozumíme tu oblast počítačové grafiky, která se snaží převést obecná, vícerozměrná a tedy i negrafická data do obrazové podoby na vhodném grafickém zařízení. (např. monitor, LCD displej  případně výtisk z kvalitní barevné tiskárny.) a znázornit tak  vlastnosti, vztahy, tendence, odchylky těchto negrafických dat a tím umožnit uživateli je pochopit.

V nejširším významu vizualizací pak chápeme jako libovolný postup, při němž vyjadřujeme nějaké hodnoty, vztahy a informace pomocí obrázků. Např. popis umístění dané ulice ve městě se obvykle zapisuje do mapy, kde je ulice určena pozicí, tvarem a jejím názvem na mapě.  Jde o formu sdělení, která je velmi názorná a říká nám, že tato ulice je přesně tady a je součástí tohoto města. A tato názornost je podstatou vizualizace.

V užším slova smyslu chápeme vizualizaci jako sadu nástrojů a postupů, sloužících k vizuální analýze dat, tedy o celý proces zkoumání dat a informací po jejich převedení do grafické podoby. Cílem vizualizace je pochopení zkoumaných jevů a jejich vnitřních vztahů, tj. vniknutí do podstaty problému. Prostředkem však nejsou tabulky čísel, jako u numerické analýzy, ale zobrazení, v maximální míře interaktivní. Protože vizualizace je používána zejména vědci, označuje se často jako vizualizace vědeckotechnických dat.

Za první použití vizualizace k vědeckým účelům je považován kartografický plánek doktora Johna Snowa z roku 1855. Zabýval se výzkumem epidemie cholery, která postihla okolí londýnské ulice Broad Street v září roku 1854. Protože nemohl přijít na to, kde se nachází zdroj nákazy, zaznamenával si do mapky města místa, kde někdo zemřel, a zjistil tak, že všechny oběti braly pitnou vodu ze společné studny. Po bližším ohledání  se potvrdilo, že zdrojem nákazy je právě voda této studny, znečištěná kalem prosakujícím z nedaleké jímky odpadu.

O vznik vizualizace jako samostatné disciplíny se zasloužil hlavně rozvoj algoritmů umožňujících prostorové zobrazení velkého množství třírozměrných dat v osmdesátých letech. V současnosti je pro vizualizaci typické zejména velké množství často vícerozměrných dat (o objemech řádově desítek megabytů, v extrémních případech gigabytů). Z toho vyplývají vysoké nároky na efektivitu algoritmů i výpočetních systémů a omezená rychlost při zpracování. Vizualizace kromě vytváření vlastních postupů a metod přebírá metody a postupy z jiných oborů. Kromě počítačové grafiky jsou jimi například zpracování obrazu, klasická fotografie, počítačové vidění a umělá inteligence (například simulace pohybu skupin virtuálních postav, jak bylo možné poprvé vidět v bitvách ve filmové trilogii Pán Prstenů).

Pokračování ...

[TomG]

Používané termíny:

Pixel

Při vizualizaci se obraz převádí ze spojitého zobrazení na diskrétní hodnoty. Tedy z obrazu, který se zdá jednotlitý se pomocí nejrůznějších zařízení převádí na rastr (obvykle obdélník nebo čtverec) jednotlivých barevných bodů. Velikost a barva tohoto bodu závisí na použité konkrétní aplikaci a fyzikálních vlastnostech technického zařízení jež tento obraz vytváří a následně zobrazuje. Body tohoto rastru jsou pak nazývány pixely. Termín pixel je zkratkou anglického termínu Picture Element.

True Color a barevná hloubka

Barva pixelů je obvykle rozlišována barevnou hloubkou. Nejnižší je černobílá (anglicky Black and White)  a nejvyšší jsou právě Pravé/Realné barvy (anglicky True Color). Což je přibližně něco málo přes 4 miliard barev a jejich odstínů. Přesněji je to 2 na 32.

Rozlišení

Rozlišení (anglicky Resolution) je ve skutečnosti jen jiné označení pro výše zmíněný rastr pixelů. Kde jen specifikujete jeho rozměry. Tedy šířku a výšku. Takže například rozlišení 800 x 600 není nic jiné než rastr, který ma 800 pixelů na šiřku a 600 pixelů na výšku. Celkem to je 800x600=480 000 pixelů, kde každý takový pixel může mít jednu až z 4 miliard barev. Velikost daného pixelu pak zavisí na čem ho zobrazujete. Protože na 15ti palcovém monitoru bude asi o něco menší než na LCD panelu s úhlopříčkou 50 palců.

DPI

Tento termím souvisí především s tiskem digitálních dat, používá se ovšem i u digitalizace dat, především u skenerů. Anglicky tato zkratka znamená Dots Per Inch. Česky to znamená kolik dané zařízení dokáže vytisknout obrazových bodů (pixelů) na palec čtvereční. Palec ma rozměr 2,54 cm, takže palec čtvereční je čtverec, který má všechny strany dlouhé právě 2,54 cm. Z toho je jasné, že čím větší DPI tím je obraz ostřejší a lepší.
Totéž platí i digitalizace pomocí skeneru. Má to jeden drobný háček. Čím je větší DPI, tím víc dat daný obrázek má. V High Color (narozdíl od True Color je to jen 16,7 miliónů barev) vám zabere fotka formátu A4 (210 × 297 mm) v 300 DPI přibližně 50 MB dat.


Další termíny se objeví až bude třeba se o nich zmínit.

Pokračování ....

[TomG]

Přidáno hlasovátko, ať mám přehled, jestli má smysl tohle dál sepisovat.