Canalización gráfica

El sistema de coordenadas del mundo es el sistema de coordenadas en el que se crea el mundo virtual. Los objetos que contiene la escena (casas, árboles, coches) suelen diseñarse en su sistema de coordenadas de objeto (también llamado sistema de coordenadas del modelo o sistema de coordenadas local) para simplificar el modelado. Para asignar coordenadas a estos objetos en el sistema de coordenadas del mundo o sistema de coordenadas global de toda la escena, las coordenadas del objeto se transforman mediante traslación, rotación o escalado. Esto se realiza multiplicando las matrices de transformación correspondientes . Además, se pueden crear varias copias transformadas de forma diferente a partir de un mismo objeto; por ejemplo, un bosque a partir de un árbol. Esto se denomina instanciación .

Además de los objetos, la escena también define una cámara virtual o un visor que indica la posición y la dirección de la vista con respecto a la cual se renderiza la escena. La escena se transforma de manera que la cámara se sitúe en el origen, mirando a lo largo del eje Z. El sistema de coordenadas resultante se denomina sistema de coordenadas de la cámara y la transformación se denomina transformación de cámara o transformación de vista .

El paso de proyección 3D transforma el volumen de visualización en un cubo con coordenadas de vértice (−1, −1, 0) y (1, 1, 1); ocasionalmente, también se utilizan otros volúmenes objetivo. Este paso se denomina proyección , aunque transforma un volumen en otro, ya que las coordenadas Z resultantes no se almacenan en la imagen, sino que solo se utilizan en el almacenamiento en búfer Z en el paso de rasterización posterior. En una ilustración en perspectiva , se utiliza una proyección central .

Para limitar el número de objetos mostrados, se utilizan dos planos de recorte adicionales; el volumen visual es, por lo tanto, una pirámide truncada ( tronco de pirámide ). La proyección paralela u ortogonal se utiliza, por ejemplo, para representaciones técnicas porque tiene la ventaja de que todos los paralelos en el espacio del objeto también son paralelos en el espacio de la imagen, y las superficies y los volúmenes tienen el mismo tamaño independientemente de la distancia al observador. Los mapas utilizan, por ejemplo, una proyección ortogonal (la llamada ortofoto ), pero las imágenes oblicuas de un paisaje no se pueden utilizar de esta manera; aunque técnicamente se pueden renderizar, parecen tan distorsionadas que no podemos aprovecharlas.

Por motivos de eficiencia, la matriz de la cámara y la de proyección se combinan habitualmente en una matriz de transformación, omitiendo así el sistema de coordenadas de la cámara. La matriz resultante suele ser la misma para una sola imagen, mientras que la matriz del mundo es diferente para cada objeto. En la práctica, por lo tanto, la vista y la proyección se precalculan, de modo que solo es necesario adaptar la matriz del mundo durante la visualización. Sin embargo, son posibles transformaciones más complejas, como la fusión de vértices. También se pueden ejecutar sombreadores de geometría programables libremente que modifican la geometría.

En la etapa de renderizado, se calcula la matriz del mundo * matriz de la cámara * matriz de proyección y, finalmente, se aplica a cada punto. De esta forma, los puntos de todos los objetos se transfieren directamente al sistema de coordenadas de la pantalla (al menos casi, ya que el rango de valores de los ejes sigue siendo de -1 a 1 para el rango visible; véase la sección "Transformación de la ventana gráfica").

A menudo, una escena contiene fuentes de luz colocadas en diferentes posiciones para que la iluminación de los objetos parezca más realista. En este caso, se calcula un factor de ganancia para la textura de cada vértice en función de las fuentes de luz y las propiedades del material asociadas al triángulo correspondiente. En el paso de rasterización posterior, los valores de los vértices de un triángulo se interpolan sobre su superficie. Se aplica una iluminación general (luz ambiental) a todas las superficies. Se trata del brillo difuso y, por lo tanto, independiente de la dirección de la escena. El sol es una fuente de luz dirigida, que se puede suponer que está infinitamente lejos. La iluminación que ejerce el sol sobre una superficie se determina mediante el producto escalar del vector direccional del sol y el vector normal de la superficie. Si el valor es negativo, la superficie está orientada hacia el sol.

Solo las primitivas que se encuentran dentro del volumen visual necesitan ser rasterizadas (dibujadas). Este volumen visual se define como el interior de un tronco de pirámide , una forma con la parte superior truncada. Las primitivas que están completamente fuera del volumen visual se descartan; esto se denomina eliminación de tronco de pirámide . En teoría, se pueden ejecutar otros métodos de eliminación, como la eliminación de caras posteriores, que reduce el número de primitivas a considerar, en cualquier paso del pipeline gráfico. Las primitivas que están solo parcialmente dentro del cubo deben recortarse contra el cubo. La ventaja del paso de proyección anterior es que el recorte siempre se realiza contra el mismo cubo. Solo las primitivas —posiblemente recortadas— que se encuentran dentro del volumen visual se envían al paso final.

Para mostrar la imagen en cualquier área de destino (ventana gráfica) de la pantalla, se debe aplicar otra transformación: la transformación Ventana-Ventana gráfica . Las coordenadas resultantes son las coordenadas del dispositivo de salida.

En el hardware moderno, la mayoría de los pasos de cálculo geométrico se realizan en el sombreador de vértices . Este es, en principio, programable libremente, pero generalmente realiza al menos la transformación de los puntos y el cálculo de la iluminación. Para la interfaz de programación DirectX, es necesario utilizar un sombreador de vértices personalizado a partir de la versión 10, mientras que las versiones anteriores aún utilizan un sombreador estándar.