Кіріспе

3D модельді бейнелеудің күрделілігін сақтау және есептеу ресурстарын үнемдеу үшін реттеу. Компьютерлік графикада егжей-тегжейлілік деңгейі (LOD) – 3D модельді бейнелеудің күрделілігін көрсетеді. LOD модель көрерменнен алыстағанда немесе нысанның маңыздылығы, көру бұрышының салыстырмалы жылдамдығы немесе орны сияқты басқа өлшемдерге байланысты төмендетілуі мүмкін. LOD техникалары графикалық құбырдың кезеңдеріндегі жүктемені азайту арқылы рендеринг тиімділігін арттырады, әдетте төбелік трансформациялар арқылы. Модельдің азайған визуальдық сапасы көбінесе байқалмайды, себебі алысқа немесе жылдам қозғалғанда нысанның сыртқы түріне тигізетін әсері шамалы. LOD көбінесе геометриялық бөлшектерге ғана қолданылса да, негізгі принципті жалпылауға болады. Соңғы кезде LOD техникалары пикселдік күрделілікті басқару үшін шейдерлерді басқаруды да қамтиды. Текстуралық карталарға жылдар бойы мип-карталау (mipmapping) атты егжей-тегжейлілік деңгейін басқару тәсілі қолданылып келеді, бұл рендеринг сапасын жақсартады. Объектіні LOD-қа түсірді (LOD-ге айналды) деп айту қалыпты жағдай, егер объектіні LOD алгоритмі бойынша жеңілдетсе немесе 3D модельдеуші LOD модельдерін қолмен жасаса.

Белгілі тәсілдер

Жоғарыда келтірілген алгоритм егжей-тегжейлі басқарудың көптеген әдістерін қамтиды, бірақ нақты қолданыстар көбінесе көрсетіліп жатқан деректерге бейімделген арнайы әдістерді пайдаланады. Жағдайдың талаптарына қарай екі негізгі әдіс қолданылады: біріншісі – Дискретті егжей-тегжейлі деңгейлер (DLOD), ол бастапқы геометрияның геометриялық егжей-тегжейлілігі төмендетілген бірнеше дискретті нұсқаларын жасауды қамтиды. Іске қосылғанда, толық егжей-тегжейлі модельдер қажет болған жағдайда төмендетілген егжей-тегжейліліктері бар модельдермен алмастырылады. Деңгейлердің дискреттілігіне байланысты, бір модельді екіншісімен ауыстырғанда визуалды «секіру» пайда болуы мүмкін. Бұл ауысу кезінде альфа-қосылу немесе түрлендіру арқылы азайтылуы мүмкін. Екінші әдіс – Ұздіксіз егжей-тегжейлі деңгейлер (CLOD), геометриялық егжей-тегжейліліктің үздіксіз өзгеретін спектрін қамтитын құрылымды қолданады. Содан кейін құрылымды жағдайға қажетті егжей-тегжейлілікті тегіс таңдау үшін зерттеуге болады. Бұл әдістің маңызды артықшылығы – егжей-тегжейлілікті жергілікті түрде өзгерту мүмкіндігі; мысалы, көріс бұрышына жақын үлкен нысанның жағы жоғары егжей-тегжейлілікпен көрсетілуі мүмкін, ал алыс жағындағы егжей-тегжейлілік төмендетілуі мүмкін. Екі жағдайда да LOD-тар толық егжей-тегжейлі модельге қатысты геометриялық қателікті бағалау арқылы егжей-тегжейліліктің қаншалықты жоғалып бара жатқанын анықтау үшін қолданылатын эвристикалық принциптерге сүйене отырып таңдалады. Нысандар содан кейін эвристиканы қанағаттандыру үшін қажетті ең төменгі егжей-тегжейлілікпен көрсетіледі, ол визуалды сапаның қанағаттанарлық деңгейін сақтай отырып, өнімділікті арттыру үшін геометриялық егжей-тегжейлілікті барынша азайтуға бағытталған.

Дискретті LOD туралы мәліметтер

Дискретті LOD (DLOD) негізгі түсінігі – бір объектіні көрсету үшін әртүрлі модельдерді пайдалану. Ондай модельдерді алу үшін сыртқы алгоритм қажет, ол көбінесе күрделі болып келеді және көптеген көпбұрышты қысқарту техникаларының нысаны болып табылады. Бірінен соң бірі LOD алгоритмдері осы модельдердің қолда бар екенін қарапайым түрде қабылдайды. DLOD алгоритмдері көбінесе жадыға оңай сыятын шағын деректер жиынтықтарымен жұмыс істейтін, өнімділік талаптары жоғары қосымшаларда қолданылады. Сыртқы алгоритмдерді де қолдануға болады, бірақ ақпараттың гранулярлығы осы типтегі қолдану үшін тиімді емес. Бұл алгоритмді іске қосу әдетте оңай, себебі оның жұмысында аз операциялар бар, сондықтан ол жылдам өнімділік пен процессордың аз жүктелуін қамтамасыз етеді. DLOD әдістері көбінесе "жеке" қозғалатын объектілер үшін қолданылады, оларға күрделі анимация әдістері де кіруі мүмкін. Геомипмаппинг үшін басқа тәсіл қолданылады, ол танымал жер бедерін көрсету алгоритмі, себебі ол "объект" торларынан графикалық және топологиялық тұрғысынан өзгеше болатын жер бедері торларына қолданылады. Қателіктерді есептеп, оған сәйкес торды жеңілдетудің орнына, геомипмаппинг белгілі бір қысқарту әдісін қолданады, енгізілген қателікті бағалайды және қателіктерге төзе алу қашықтығын есептейді. Алгоритм қарапайым болғанымен, жақсы өнімділік көрсетеді.

Иерархиялық LOD

Жабдықтар көп мөлшердегі егжей-тегжейлілікке бағытталғандықтан, аз көпбұрышты нысандарды көрсетуде тиімділік нашар болуы мүмкін. HLOD әртүрлі нысандарды топтастыру арқылы осы мәселені шешеді. Бұл жоғары тиімділікті қамтамасыз етеді, сондай-ақ жақын орналасуын ескеруге мүмкіндік береді.

Бейне ойындар

LOD әсіресе 3D бейнеойындарда өте пайдалы. Бейнеойын әзірлеушілер ойыншыларға кең әлемдерді ұсынуды қалайды, бірақ аппараттық мүмкіндіктер, кадр жылдамдығы және бейнеойындардың графикасының нақты уақыт режимімен шектеледі. 1990 жылдары 3D ойындар пайда болғаннан кейін көптеген бейнеойындар алыстағы құрылымдар мен нысандарды көрсетпейтін. Тек жақын орналасқан нысандар ғана көрсетілетін, ал алыстағы бөліктер біртіндеп жоғалып, іс жүзінде қашықтық тұманына айналдыратын. LOD рендерингін қолданатын бейнеойындар бұл тұман әсерінен құтылып, үлкен аумақтарды көрсетуге мүмкіндік береді. 3D бейнеойындарда LOD рендерингінің алғашқы көрнекті мысалдары: The Killing Cloud, Spyro the Dragon, Crash Bandicoot: Warped, Unreal Tournament және Serious Sam ойын қозғалтқышы. Көптеген қазіргі заманғы 3D ойындар LOD рендерингі әдістерінің комбинациясын қолданады, ірі құрылымдар үшін әртүрлі модельдерді және шөп пен ағаштар сияқты қоршаған ортаның бөлшектерін қашықтықтан алып тастауды пайдаланады. Бұл әсер кейде байқалады, мысалы, ойыншы кейіпкері виртуалды жер бетімен ұшқанда немесе алыс қашықтықты көру үшін снайперлік көлемді пайдаланғанда. Әсіресе шөп пен жапырақтар жақындағанда пайда болып, жапырақтарды алып тастау деп те аталады. LOD фракталды жер бедерін нақты уақытта көрсету үшін де қолданылуы мүмкін. Unreal Engine 5-тің Nanite жүйесі, негізінен, нысандардың өзінің ішіндегі егжей-тегжейлі деңгейді іске асырады.

ГИС және 3D қалаларды модельдеуде

LOD ГИС және 3D қала модельдерінде ұқсас түсінік ретінде кездеседі. Ол нақты әлемнің нысандары қаншалықты толық картаға түсірілгенін және модельдің нақты әлемдегі өрнегіне қаншалықты сәйкес келетінін көрсетеді. Геометриялық күрделіліктен өзге, модельдің LOD-ында кеңістіктік-семантикалық сәйкестік, текстураның және атрибуттардың ажыратымдылығы сияқты басқа да өлшемдер қарастырылуы мүмкін. Стандартты CityGML ең белгілі LOD жіктелімдерінің бірін қамтиды. ГИС-тегі "LODing" ұғымына сәйкес келетін нәрсе – жалпылау.

Рендеринг және модельдеу бағдарламалық жасақтамасы

MeshLab – 3D көпбұрышты торларды дәл түрде оңайлатуға мүмкіндік беретін ашық кодты тор өңдеу құралы. Polygon Cruncher – Mootools компаниясының коммерциялық бағдарламалық қамтамасы, ол нысандардың пішінін өзгертпей көпбұрыштар санын азайтады. Simplygon – әртүрлі кіріс торларын нақты уақыт режимінде көрсетуге болатын торларға қайта өңдеуге арналған коммерциялық тор өңдеу жиынтығы.