مسار الرسومات

نظام الإحداثيات العالمي هو نظام الإحداثيات الذي يُنشأ فيه العالم الافتراضي. غالبًا ما تُصمَّم العناصر الموجودة في المشهد (المنازل، الأشجار، السيارات) في نظام إحداثياتها الخاص (يُسمى أيضًا نظام إحداثيات النموذج أو نظام الإحداثيات المحلي) لتسهيل عملية النمذجة. ولتعيين إحداثيات هذه العناصر في نظام الإحداثيات العالمي أو نظام الإحداثيات الشامل للمشهد بأكمله، تُحوَّل إحداثيات العناصر باستخدام الإزاحة أو الدوران أو تغيير الحجم. ويتم ذلك بضرب مصفوفات التحويل المناسبة . بالإضافة إلى ذلك، يمكن إنشاء نسخ متعددة مُحوَّلة بشكل مختلف من عنصر واحد، على سبيل المثال، إنشاء غابة من شجرة. يُسمى هذا الإنشاء بالنسخ المتعددة .

بالإضافة إلى العناصر، يُحدد المشهد أيضًا كاميرا افتراضية أو عارضًا يُشير إلى موضع واتجاه الرؤية التي يُعرض المشهد بالنسبة لها. يتم تحويل المشهد بحيث تكون الكاميرا عند نقطة الأصل وتنظر على طول المحور Z. يُسمى نظام الإحداثيات الناتج بنظام إحداثيات الكاميرا، ويُسمى التحويل بتحويل الكاميرا أو تحويل الرؤية .

تحوّل خطوة الإسقاط ثلاثي الأبعاد حجم العرض إلى مكعب ذي إحداثيات نقاط الزاوية (-1، -1، 0) و(1، 1، 1)؛ وفي بعض الأحيان تُستخدم أحجام مستهدفة أخرى. تُسمى هذه الخطوة بالإسقاط ، على الرغم من أنها تحوّل حجمًا إلى حجم آخر، لأن إحداثيات Z الناتجة لا تُخزّن في الصورة، بل تُستخدم فقط في التخزين المؤقت Z في خطوة المسح اللاحقة. في الرسم التوضيحي المنظوري ، يُستخدم إسقاط مركزي .

للحد من عدد العناصر المعروضة، تُستخدم مستويان إضافيان للقص؛ وبالتالي، يكون الحجم المرئي على شكل هرم ناقص ( مخروط ناقص ). يُستخدم الإسقاط المتوازي أو المتعامد ، على سبيل المثال، في التمثيلات التقنية لأنه يتميز بأن جميع الخطوط المتوازية في فضاء الكائن تكون متوازية أيضًا في فضاء الصورة، وتكون الأسطح والأحجام متساوية الحجم بغض النظر عن المسافة من المشاهد. تستخدم الخرائط، على سبيل المثال، الإسقاط المتعامد (ما يُسمى بالصورة المتعامدة )، ولكن لا يمكن استخدام الصور المائلة للمناظر الطبيعية بهذه الطريقة - على الرغم من إمكانية عرضها تقنيًا، إلا أنها تبدو مشوهة للغاية بحيث لا يمكننا الاستفادة منها.

لأسباب تتعلق بالكفاءة، تُدمج مصفوفة الكاميرا ومصفوفة الإسقاط عادةً في مصفوفة تحويل واحدة، ما يُلغي الحاجة إلى نظام إحداثيات الكاميرا. وتكون المصفوفة الناتجة عادةً متطابقة لصورة واحدة، بينما تختلف مصفوفة العالم لكل كائن. عمليًا، تُحسب مصفوفة العرض والإسقاط مسبقًا، بحيث لا يلزم سوى تعديل مصفوفة العالم أثناء العرض. مع ذلك، يُمكن إجراء تحويلات أكثر تعقيدًا، مثل دمج الرؤوس. كما يُمكن تنفيذ مُظللات هندسية قابلة للبرمجة بحرية لتعديل الشكل الهندسي.

في خطوة العرض الفعلية، يتم حساب مصفوفة العالم * مصفوفة الكاميرا * مصفوفة الإسقاط، ثم يتم تطبيقها على كل نقطة على حدة. وبذلك، تُنقل نقاط جميع الكائنات مباشرةً إلى نظام إحداثيات الشاشة (تقريبًا، حيث لا يزال نطاق قيم المحاور من -1 إلى 1 للنطاق المرئي، انظر قسم "تحويل نافذة العرض").

غالبًا ما يحتوي المشهد على مصادر إضاءة موزعة في مواقع مختلفة لجعل إضاءة الأجسام تبدو أكثر واقعية. في هذه الحالة، يُحسب عامل تضخيم للنسيج لكل رأس بناءً على مصادر الإضاءة وخصائص المادة المرتبطة بالمثلث المقابل. في خطوة التحويل إلى صورة نقطية لاحقة، تُستكمل قيم رؤوس المثلث على سطحه. تُطبق إضاءة عامة (إضاءة محيطة) على جميع الأسطح، وهي عبارة عن سطوع منتشر، وبالتالي غير مرتبط بالاتجاه، للمشهد. تُعد الشمس مصدر ضوء موجه، ويمكن افتراض أنها بعيدة جدًا. تُحدد الإضاءة التي تُحدثها الشمس على سطح ما من خلال حساب حاصل الضرب القياسي لمتجه الاتجاه من الشمس والمتجه العمودي على السطح. إذا كانت القيمة سالبة، فإن السطح يواجه الشمس.

لا يلزم رسم (نقل) سوى العناصر الأولية الموجودة داخل الحجم المرئي. يُعرَّف هذا الحجم المرئي بأنه الجزء الداخلي من مخروط ناقص ، وهو شكل هرمي ذو قمة مقطوعة. تُهمل العناصر الأولية الموجودة خارج الحجم المرئي تمامًا، وتُسمى هذه العملية " استبعاد المخروط الناقص ". من الناحية النظرية، يمكن تطبيق طرق استبعاد أخرى، مثل استبعاد الأوجه الخلفية، الذي يقلل عدد العناصر الأولية المطلوب معالجتها، في أي خطوة من خطوات معالجة الرسومات. يجب قص العناصر الأولية الموجودة جزئيًا داخل المكعب على المكعب. تكمن ميزة خطوة الإسقاط السابقة في أن القص يتم دائمًا على نفس المكعب. تُمرَّر العناصر الأولية - التي قد تكون مقصوصة - الموجودة داخل الحجم المرئي فقط إلى الخطوة النهائية.

لإخراج الصورة إلى أي منطقة مستهدفة (منفذ عرض) على الشاشة، يجب تطبيق تحويل آخر، وهو تحويل نافذة-منفذ العرض . الإحداثيات الناتجة هي إحداثيات جهاز الإخراج.

في الأجهزة الحديثة، تُنفَّذ معظم خطوات حساب الهندسة في مُظلِّل الرؤوس . وهو قابل للبرمجة بحرية من حيث المبدأ، ولكنه يُنفِّذ عادةً على الأقل تحويل النقاط وحساب الإضاءة. بالنسبة لواجهة برمجة DirectX، يُصبح استخدام مُظلِّل رؤوس مُخصَّص ضروريًا بدءًا من الإصدار 10، بينما لا تزال الإصدارات الأقدم تستخدم مُظلِّلًا قياسيًا.