گرافیک رایانه‌ای بی‌درنگ

گرافیک کامپیوتری بی‌درنگ یا پردازش تصویر (Rendering) بی‌درنگ یک زیربخش از گرافیک کامپیوتری می‌باشد که تمرکز خود را بر روی پردازش تصویر به صورت بی‌درنگ گذاشته‌است.
کامپیوترها از بدو اختراع قابلیت تولید تصاویر دو بعدی مانند خط‌های ساده و تصاویر معمولی و چندضلعی‌ها را به صورت بی‌درنگ دارند. به هر حال پردازش تصاویر سه بعدی با جزئیات فراوان برای سیستم‌هایی با اساس معماری فون نویمان دلهره آور است. کارهای اولیه در مورد این مشکل استفاده از Spriteو استفاده از تصاویر دو بعدی جهت شبیه‌سازی گرافیک سه بعدی می‌باشد.
هم‌اکنون روش‌های دیگری برای پردازش تصویر مانند روش رهگیری پرتو و شطرنجی‌سازی وجود دارد. با استفاده از این تکنیک‌ها و سخت‌افزارهای پیشرفته، کامپیوترها را قادر می‌سازد که تصاویر را به حدی سریع پردازش کنند تا بتوانند یک شبح از حرکت را بر اساس ورودی شبیه‌سازی کنند. بدین صورت که کاربر را قادر می‌سازد با توجه به پردازش به صورت بی‌درنگ، تجربه یک تعامل را داشته باشد.

اصول پردازش بی‌درنگ گرافیک کامپیوتری به صورت سه بعدی

هدف گرافیک کامپیوتری تولید تصاویر تولید شده کامپیوتری یا فریم به وسیله مترهای مشخص تعیین شده‌است. یکی از این مترها تعداد فریم‌های تولید شده در یک ثانیه می‌باشد. سیستم‌های گرافیک کامپیوتری بی‌درنگ از سیستم‌های سنتی پردازش به وسیله این تمییز داده می‌شوند که سیستم‌های غیربلادرنگ بر اساس رهگیری پرتو بناشده اند. در این پردازش میلیون‌ها یا میلیاردها اشعه از سمت دوربین به جهان به منظور پردازش با جزئیات ردیابی می‌شوند. این عمل گران و پر هزینه ممکن است ساعت‌ها یا روزها به طول بینجامد تا یک فریم پردازش شود.
سیستم‌های گرافیکی بی‌درنگ باید در زمان ۱/۳۰ ثانیه هر عکس را پردازش کنند. رهگیری پرتو بر ای این سیستم‌ها بسیار کند است. در عوض این سیستم‌ها از روشی به نام زد بافر شطرنجی سازی بهره می‌برند. در این روش هر شیء به تیکه‌هایی که معمولاً به صورت مثلث هستند، تقسیم می‌شود. هر مثلث بر روی صفحه مکاندهی، چرخانده و مقیاس دهی می‌شود و سخت‌افزار شطرنجی ساز (یا نام افزار شبیه‌ساز) پیکسل‌ها را در داخل هر مثلث تولید می‌کنند. سپس این مثلث‌ها به قسمت‌های غیرقابل تجزیه ای که قطعه نامیده می‌شوند تقسیم می‌شوند. این قطعه‌ها مناسب برای نمایش بر روی یک صفحه نمایش می‌باشند. قطعه‌ها بر روی صفحه نمایش به وسیله رنگی که در چندین گام محاسبه می‌گردد، به نمایش در می‌آیند. به عنوان مثال می‌توان از یک نگاشت بافت به منظور رسم یک مثلث بر اساس عکس ذخیره شده، استفاده کرد و سپس نگاشت سایه می‌تواند رنگ‌های مثلث‌ها را بر اساس زاویه دید منبع نور تنظیم کند.

گرافیک بازی‌های ویدیویی

گرافیک‌های بی‌درنگ کیفیت تصاویر را بر اساس محدودیت زمان و سخت‌افزار بهینه می‌کنند. واحد پردازش گرافیکی و پیشرفت‌های دیگر باعث افزایش کیفیت تصاویری که به صورت بی‌درنگ تولید می‌شوند، شده‌اند. واحد پردازش گرافیکی قابلیت مدیریت میلیون‌ها مثلث را در هر فریم دارند. هم‌اکنون سخت‌افزارهایی با دایرکت‌اکس و اوپن‌جی‌ال قابلیت تولید افکت‌های پیچیده را دارند، مانند سایه اجسام، تاری حرکتی و تولید مثلث‌ها را به صورت بی‌درنگ دارند. پیشرفت گرافیک‌های بی‌درنگ در پیشرفت توسعه بین گرافیک بازی‌های واقعی تر و صحنه قطع‌های پیش پردازش شده که معمولاً در بازی‌های کامپیوتری به چشم می‌خورند، مشهود است. صحنه قطع معمولاً به صورت بی‌درنگ پردازش می‌شوند و ممکن است به صورت تعاملی باشند. اگرچه فاصله بین کیفیت گرافیک‌های بی‌درنگ و گرافیک‌های آفلاین کم است اما گرافیک‌های آفلاین از دقت بیشتری برخوردار می‌باشند.

برتری‌ها

گرافیک‌های بی‌درنگ معمولاً وقتی که مسئله تعامل (مانند بازخورد کاربر) دارای اهمیت است، به کار می‌روند. زمانی که گرافیک‌های بی‌درنگ در فیلم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، کارگردان یک کنترل کامل بر روی تمام جزئیات در یک فریم دارد که به او این امکان را می‌دهد که که تصمیمات لازم را بگیرد.
در گرافیک‌های کامپیوترهای بی‌درنگ معمولاً کاربر از طریق یک دستگاه ورودی بر روی خروجی که باید بر روی صفحه نمایش داده شود، اثر می‌گذارد. به عنوان مثال زمانی که کاربر می‌خواهد بر روی صفحه یک شخصیت را جابه‌جا کند، سیستم موقعیت شخصیت را قبل از نمایش آن بر روی صفحه در فریم بعدی به روزرسانی می‌کند. معمولاً زمان واکنش نمایش از میزان سرعت دستگاه ورودی به مراتب پایین‌تر است- این امر به وسیله تفاوت زیاد بین زمان واکنش انسان به حرکت (سریع) و سرعت درک سیستم بینایی انسان (کند) تصدیق می‌گردد. این تفاوت تأثیرات دیگری را نیز دارد: به دلیل اینکه دستگاه ورودی بسیار سریعتر از زمان واکنش نیروی حرکتی انسان هستند، پیشرفت در دستگاه‌های ورودی (مانند کنترل‌های دستگاه Wii) اساساً نسبت به پیشرفت دستگاه‌های نمایش زمان بیشتری نیاز دارند.
یک عامل مهم دیگر که باعث کنترل گرافیک کامپیوترهای بی‌درنگ می‌شود تلفیق بین فیزیک و پویانمایی می‌باشد. این روش به‌طور خاص تعیین می‌کند که چه چیزی بر روی صفحه نمایش نشان داده شود به ویژه اینکه اشیا در کجای صحنه به نمایش در بیایند. این روش به پیروی کردن از رفتار دنیای واقعی کمکی اساسی می‌کند (بعدهای جهانی و جسمانی و نه بعدهای فضایی) که باعث افزایش درجه واقع گرایی در گرافیک‌های کامپیوتری می‌شود.

پایپ لاین پردازش

پایپ لاین پردازش گرافیک ("پایپ لاین پردازش" یا به اختصار "پایپ لاین") اساس گرافیک‌های بی‌درنگ می‌باشند. عملکرد اصلی آن پردازش تصاویر دوبعدی مربوط به یک دوربین مجازی، اشیاء سه بعدی (شی ای که طول و عرض و ارتفاع دارد)، منبع نور، مدلهای نور، بافت‌ها و غیره می‌باشد.

معماری

معماری پایپ لاین پردازش گرافیک می‌تواند به چند طبقه ادراکی تقسیم شود: درخواست، هندسه و شطرنجی سازی.

طبقه درخواست

طبقه درخواست مسئول تولید «صحنه و چشم انداز» می‌باشد، یا تنظیمات سه بعدی که به منظور نمایش دو بعدی طراحی شده‌اند. این طبقه در نرم‌افزاری که توسعه دهندگان برای کارایی بهینه شده‌است، پیاده‌سازی شده‌است. این طبقه ممکن است پردازش‌هایی مانند شناسایی برخورد، تکنیک‌های افزایش سرعت را انجام دهد.
شناسایی برخورد یک نمونه از عملیات‌هایی است که ممکن است در طبقه درخواست اعمال شود. شناسایی برخورد از الگوریتم‌هایی به منظور شناسایی و پاسخ دهی بین برخورد اشیا (مجازی) استفاده می‌کند. به عنوان مثال درخواست ممکن است موقعیت جدیدی برای اشیاء دارای برخورد محاسبه کرده و یک بازخورد مانند لرزش دسته بازی را ارایه دهد.
همچنین در طبقه درخواست دیتاهای گرافیکی برای طبقه بعدی آماده می‌شود. این شامل بافت‌های متحرک، مدل‌های سه بعدی متحرک، تغییر شکل‌های هندسی متحرک و دگردیسی‌های هندسی می‌باشد. در نهایت این طبقه موارد آغازین (نقاط، خط‌ها و مثلث‌ها) را بر اساس اطلاعات ادراکی را تولید می‌کند و این موارد آغازین را به طبقه هندسی از پایپ لاین می‌دهد.

طبقه هندسی

طبقه هندسی از چندضلعی ها و راس ها به منظور محاسبه چیزهایی که باید نمایش داده شوند و نحوه نمایش آنها و مکان نمایش آنها استفاده می کند. معمولا این اعمال به وسیله سخت افزار مخصوص و یا واحد پردازش گرافیک انجام می شوند. تعییر در بین سخت افزارهای گرافیکی سبب این می شود که ممکن است طبقه هندسی در چند طبقه پیاده سازی شود.

تغیییر شکل مدل و نما

قبل از اینکه مدل نهایی بر روی دستگاه خروجی نمایش داده شود، مدل به چندین فضا یا دستگاه مختصات تقسیم می شود. عمل تغییر شکل سبب جا به جایی و مدیریت اشیاء به وسیله تغییر رئوس آن می شود. تغییر شکل شرط اصلی برای چهار راه مشخصی است که شکل را مدیریت کرده یا موجب مکان دهی به نقطه ، خط و شکل می شود.

نورپردازی

به منظور اینکه مدل را با ظاهری واقع گرایانه تر ایجاد کنیم، معمولا یک یا چند منبع نور در حین تغییرشکل ایجاد می شوند. به هر حال این مرحله بدون تغییرشکل اولیه نمای سه بعدی به نمای منظره ( نمای زاویه دید ) قابل دستیبابی نمی باشد. در فصای نما، بیننده ( دوربین ) معمولا در مبدا قرار می گیرد. اگر از جهت یابی دست راست ( که امری استاندارد در نظر گرفته می شود) استفاده کنیم، بیننده در جهت منفی محور z ها با قرار گرفتن محور y ها دربالادست و محور x ها در سمت راست نگاه می کند.

طبقه شطرنجی سازی

طبقه شطرنجی سازی وظیفه به کاربردن رنگ ها و تبدیل مولفه های گرافیک را به پیکسل یا به مولفه های عکس را برعهده دارد.