3D počítačová grafika

Reprezentace 3D scény. GPU. Pojem shader. Virtuální realita.

Jaké hlavní části tvoří 3D scénu a jakým způsobem lze popsat 3D objekty?
Vysvětlete účel a princip fungování grafického akcelerátoru.
Co je to shader? V čem spočívá přínos využití shaderů na grafických kartách?
Vysvětlete princip fungování VR headsetu.

3D Scéna

Kamera

Reprezentuje v prostoru pozici uživatele, ten pomocí ní vnímá svět kolem sebe, protože z jejího pohledu se vykresluje scéna

Světla

Díky nim můžeme vidět barvu objektů a rozlišit je od pozadí, jako když nám svítí sluníčko (v noci taky vidíme méně)

3D objekty

Reprezentují jednotlivé věci v naší scéně. Jsou vymodelovány buď manuálně uživatelem, naskenováním nějaké věci z reálného světa nebo na základě počítačové simulace. Popisují se pomocí vrcholů (vertexů), které dávají dohromady polygonovou síť (mesh). Obvykle se skládá z mnoha trojúhelníků (podle nich se určuje složitost, propracovanost modelu)

GPU

K vykreslování nám pomáhá GPU (Graphics Processing Unit) - grafická karta, kterou máme v počítačích buď integrovanou (součástí procesoru) nebo dedikovanou (samostatný celek). Samotné GPU je velmi podobné procesoru, je ale speciálně přizpůsobené pro grafické výpočty (paralelní výpočty / multitasking). Mají mnohem, MNOHEM více jader, než procesory (u výkonných až 4 000, procesory obvykle mívají 4-8 fyzických), ale zase zvládají jenom jednoduché operace. Celý proces funguje tak, že procesor předá instrukce pro výpočet GPU, to ho optimalizovaně spočítá a vrátí výsledek, který se potom zobrazí uživateli. Dedikované se obvykle připojují pomocí portu PCI Express (PCI-E) a mají vlastní RAM (tzv. VRAM - Video RAM, výkonné klidně 16 GB)

Shadery

Samostatné kusy kódu, které nějak manipulují se 3D objekty. Jsou psány ve specializovaných jazycích (GLSL, HLSL). Obvykle běží na grafické kartě, aby mohly výpočty běžet paralelně. Dělí se na několik typů:

Vertex shadery

Pomocí transformačních matic pohybují / otáčejí s jednotlivými vrcholy objektu. Používá se k vytvoření více fluidních a realistických efektů (pohyb trávy při chůzi v ní, pohyb vln na vodní hladině)

Geometry shadery

Na rozdíl od vertex shaderů umí i přidávat a mazat vrcholy (vertex shader je může jenom upravovat). Slouží obvykle k procedurálnímu generování detailů (např. trávy na kamenu)

Pixel/Fragment shadery

Provádí se pro každý pixel a jejich barevné hodnoty nějak je pomocí matematických operací upravují. Používají se obvykle na aplikaci textur a procedurálně generované vizuální efekty

VR Headset

Zařízení, které umožňuje zobrazit obraz ve virtuální realitě. Funguje na principu dvou obrazovek (jedna pro každé oko), které zobrazují z trochu jiných úhlů (stejně jako naše oči). Mívá několik senzorů pro ovládání (gyroskop, akcelerometr, optické senzory), to ale může být ovládáno i externě - infračervené kamery, lasery. Data ze senzorů jdou do řídící jednotky (“mozku headsetu”), ta je zpracuje, aktualizuje obraz a ten pošle do obrazovek. Tento proces by měl trvat co nejkratší dobu, aby nedocházelo k příliš vysoké odezvě. Příliš velká latence totiž může způsobovat nemoc z pohybu, také zvaná Kinetóza. Headsety se používají například v lékařství, armádě, k edukativním účelům nebo hraní her. Mezi příklady patří Apple Vision Pro, HTC Vive, Meta Quest, Oculus Rift, nebo také Google Cardboard, kde řídící jednotku, senzory i obrazovky nahrazuje mobilní telefon Je také dobré rozlišovat mezi virtuální realitou a augmentovanou realitou. Zatímco virtuální realita vytváří kompletně nový svět, augmentovaná realita využívá obraz z kamery a přidává do něj dodatečné věci