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Introduction aux techniques de représentation des objets

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Bonjour et bienvenue à la conférence numéro cinq dans le cours infographie.
Récapitulation de ce que nous avons appris au sujet du pipeline graphique, comme vous pouvez le rappeler, il y a en gros 5 étapes du pipeline. Dans la première étape, nous avons une représentation d'objet, c'est-à-dire, à ce stade, ce que nous faisons, nous essayons essentiellement de représenter les objets qui constitueront la scène.
Les objets représentés sont désormais définis dans leur système de coordonnées local. Dans la deuxième étape, nous combinons ces objets ensemble pour former une scène. Donc, cette étape est appelée étape de transformation de modélisation. Et voici ce que nous faisons essentiellement pour effectuer une transformation du système de coordonnées local ou objet au système de coordonnées mondial.
Et à la fin, nous avons une scène dans le système mondial de coordonnées. Dans la troisième phase, nous avons attribué des couleurs, des couleurs aux points de surface de l'objet. Ainsi, l'attribution des couleurs a lieu dans le système mondial de coordonnées. Dans la quatrième étape, nous faisons une série de transformations ainsi que d'autres opérations. Ainsi, nous transférons les objets de la coordonnée du monde à un système de coordonnées de vue grâce à une transformation appelée transformation d'affichage. Il s'agit donc essentiellement d'une transformation entre le monde et la référence de coordonnées.
Maintenant, après avoir fait cela, nous effectuons une opération appelée écrêtage, que nous faisons dans l'espace de coordonnées de vue. Cette opération est suivie d'une autre opération appelée retrait de surface masquée, qui a lieu à nouveau dans l'espace de coordonnées de la vue. Ensuite, nous réalisons une transformation du système de coordonnées de vue 3D en système de coordonnées de vue 2D. Cette transformation s'appelle la transformation de projection.
Et enfin, nous réalisons une autre transformation qui est la fenêtre pour voir la transformation du port, où nous transférons le contenu du système de coordonnées de vue 2D au système de coordonnées des périphériques. Donc, toutes ces transformations et ces opérations ensemble constituent la quatrième étape, qui est appelée l'étape de l'aménagement du pipeline.
Et puis il y a un état final appelé conversion de scan ou rendu, qui est la cinquième étape de cette étape. Nous rendrons la scène dans le dispositif de coordonnées à une image sur la coordonnée de l'écran afin que la transformation ait lieu dans cette dernière et dernière phase du pipeline. Parmi ces cinq étapes, aujourd'hui, nous allons commencer notre discussion sur la première étape qui est la représentation des objets.
Comme nous le savons tous, ou probablement nous pouvons deviner, que dans une image synthétisée où nous exécutons la synthèse à l'aide d'un ordinateur, nous sommes susceptibles de traiter des objets de formes et de tailles différentes.
Et que les différentes formes et tailles peuvent varier considérablement. Nous pouvons traiter avec de minuscules flocons de neige pour créer une scène ou nous pouvons traiter des personnages complexes, des personnages d'animation pour créer un film ou une animation et toutes les formes et tailles possibles d'objets entre les deux.
Maintenant, comme vous pouvez le comprendre, un flocon de neige, par exemple, n'est pas un objet simple, il a une forme élégante et à moins que nous ne reproduisons cette forme élégante, il ne sera pas en mesure de reproduire une image ou une scène réaliste. Ainsi, idéalement, les flocons de neige ne devraient pas être représentés avec une sphère simple.
De même, un personnage animé doit être représenté avec les complexités qui lui sont associées pour qu'il soit réaliste. Nous ne devrions pas essayer de le simplifier à l'aide de polygones simples ou de formes géométriques simples.
Maintenant, pour générer une scène avec tous ces objets disparates, ce dont nous avons besoin, nous avons besoin d'un moyen de les représenter pour que les ordinateurs puissent comprendre et traiter ces objets. Et comme je l'ai déjà dit, toute représentation ne fonctionne pas. Donc, nous ne pouvons pas représenter un flocon de neige avec une sphère qui réduira la sensation réaliste de l'image générée.
Maintenant, il y a deux questions fondamentales liées à la représentation des objets: comment pouvons-nous représenter différents objets avec leurs complexités caractéristiques, pour que ces objets puissent être rendus de façon réaliste dans un environnement synthétisé? Donc, ce qu'il nous dit que nous avons besoin de représenter différents objets, en préservant leurs complexités inhérentes pour que lorsqu'elles sont rendues à l'écran, nous obtenons le sentiment de réalisme dans l'image synthétisée.
L'autre question est: comment pouvons-nous avoir une représentation qui rend le processus de rendu efficace? En d'autres termes, pouvons-nous effectuer les opérations des différentes étapes du pipeline de manière à optimiser la complexité de l'espace et du temps? Donc, une question traite de la création d'effets réalistes et comme nous en avons discuté dans nos cours d'introduction, la création d'effets réalistes implique beaucoup de calculs et beaucoup de traitement de données nécessitant un stockage.
Donc, l'autre question fondamentale liée à la représentation des objets est que nous avons des ressources informatiques disponibles impliquant le stockage et les processeurs. Maintenant, nous pouvons vouloir utiliser des représentations très complexes pour créer un effet plus réaliste, mais si nos ressources disponibles appuieront ces représentations, qui seront utilisées dans les étapes suivantes du pipeline? Nous devons également garder cela à l'esprit pendant que nous sommes en présence d'une représentation particulière. Donc, il y a une balance commerciale, on est réaliste, on dispose de ressources et on doit équilibrer le compromis.
Maintenant, afin d'équilibrer ce commerce, une pléthore de techniques ont été mises au point pour représenter des objets et aujourd'hui, nous allons passer à travers certaines de ces techniques en bref et les détails seront discutés lors de conférences ultérieures.
Toutes ces techniques que nous pouvons catégoriser en quatre types, la première est la représentation de l'échantillon. La deuxième est la représentation aux limites. Le troisième est le partitionnement de l'espace. Et la quatrième est la représentation balayer. Nous avons donc un grand nombre de techniques et toutes ces techniques peuvent catégoriser en quatre types: l'échantillon de point, la représentation des limites, le partitionnement de l'espace et la représentation de balayage.
Voyons ce qui est, ce qu'il commence par la première représentation de l'échantillon de points de catégorie. Pour créer une scène 3D, nous pouvons d'abord capturer des données brutes telles que la couleur, la surface normale et la profondeur des informations de différents points sur la scène. Comment pouvons-nous les capturer? Nous pouvons utiliser différents appareils tels que scanner de portée 3D, outil de recherche à distance ou à l'aide de caméras simples et de techniques de vision par ordinateur. Ainsi, en utilisant ces dispositifs et ces techniques, nous pouvons capturer des informations brutes sur une scène 3D, à savoir les informations de couleur ou les informations de surface normales ou les informations de profondeur à différents points de la scène.
Maintenant, puisque nous avons déjà cette information, nous n'avons pas besoin de les calculer et nous pouvons directement afficher ces points sur un écran. Donc, nous pouvons traiter ces points par la suite pour générer la scène, donc ici l'accent est sur la capture des informations plutôt que de calculer les valeurs, alors quelle est la représentation?
La représentation est un ensemble de points de données brutes, pour chaque point de données, nous avons capturé des valeurs comme la couleur, la profondeur, la normale de surface, le vecteur. Ce sont ses attributs. Par conséquent, notre représentation implique l'ensemble de points de données ainsi que certaines valeurs d'attribut pour chaque, et c'est ce qu'on appelle la représentation de l'échantillon de points. Donc, essentiellement, nous représentons la scène 3D en termes de points échantillonnés à différents endroits.
La prochaine est la représentation aux limites. Il existe également un ensemble de techniques qui représentent un objet en représentant les surfaces des objets individuels. Ces surfaces peuvent maintenant être polygonales ou courbes. Par exemple, voir la figure ici, ici sur le côté gauche de la figure nous voyons six surfaces. Les surfaces nommées A, B, C, D, E et F. Maintenant, cette surface a défini le cube affiché sur le côté droit de l'image. Donc, vous représentez le cube, qui est un objet en termes de ces surfaces, qui sont des rectangles interconnectés A à F. Donc, c'est la représentation des limites. Donc, nous représentons le cube en termes de surfaces de délimitation ou de limite.
Il existe d'autres techniques dans lesquelles nous ne représentons pas les objets en termes de frontières. Au lieu de cela, nous utilisons l'espace 3D occupé par l'objet pour le représenter. Maintenant, nous divisons l'espace en plusieurs régions disjoints, disjoints ou régions qui ne se chevauchent pas. Tout point à l'intérieur de l'objet se trouve exactement dans l'une des régions, de sorte que la division s'effectue d'une manière telle que n'importe quel point à l'intérieur de l'objet se trouve exactement dans l'une des régions.
Donc, quand nous représentons des objets de cette manière. Ensuite, nous représentons essentiellement en termes d'espace occupé par l'objet plutôt que les surfaces de délimitation, de sorte que les techniques où ces approches sont utilisées sont appelées méthodes ou représentations de partitionnement de l'espace. De telles représentations sont souvent créées de manière hiérarchique. Cela signifie que l'espace occupé par l'objet est divisé en sous-régions. Et ce mécanisme de division est appliqué de façon récursive à chaque sous-région jusqu'à ce qu'on arrive à une taille prédéfinie de la sous-région.
Maintenant, ces représentations hiérarchiques peuvent être représentées de différentes manières. Une façon commune est de former un arbre ou de montrer la représentation sous la forme d'un arbre, qui est souvent appelé les arbres de cloisonnement de l'espace. C'est une façon commune de représenter un objet en termes de l'espace qu'il occupe.
Et finalement, nous avons la représentation du balayage. Il y a maintenant deux techniques de représentation par balayage qui sont largement utilisées dans les graphiques. L'une est la représentation de la surface de balayage et la surface de la représentation de la révolution.
Essayons de comprendre la représentation de la surface de balayage. Dans ce type de représentation, les surfaces 3Dsurfaces sont obtenues en parcourant une entité telle qu'un point, une droite, un polygone ou une courbe le long d'un chemin dans l'espace d'une manière spécifiée. Par exemple, regardez la figure ici nous avons ce rectangle et le rectangle est déplacé dans une trajectoire spécifique. Pour créer cet objet d'intérêt général.
Donc, l'objet est ici, c'est tout ce qui a été créé en déplaçant un rectangle le long du chemin spécifié.
Ce type de représentation où nous ne représentons pas en fait un objet en termes de surface de cloque ou de l'espace qu'il occupe, plutôt, nous le représentons en fait en termes d'un processus où l'entrée est une surface primitive et le chemin qui suit. Et nous avons spécifié la façon de traverser ce chemin. Ce type de représentation s'appelle surfaces de balayage.

De la même façon qu'il y a une autre représentation appelée surface de révolution, comme le nom suggère ici ce que nous faisons, nous définissons une entité 2D qui tourne autour d'un axe. Nous spécifions également l'axe.
Donc l'objet qui en résulte est ce à quoi nous nous intéressons. Par exemple, ici encore si nous considérons le rectangle et ceci est le chemin ou le chemin de rotation autour de l'axe x, alors nous obtenons cet objet global, qui est notre objet désiré.
Donc, ici encore, nous ne spécifions pas l'objet en termes de surfaces de délimitation ou de l'espace qu'il occupe, mais en termes d'objet primitif, dans ce cas, rectangle et l'axe et direction de la révolution. Ce type de représentation est donc connu comme la surface de la révolution.
Maintenant, certaines de ces catégories ont aussi des sous-catégories. Par exemple, les techniques de représentation aux limites ont trois types de sous-techniques, l'une est la représentation des mailles, ce qui est le plus fréquent. Nous avons une représentation paramétrique et la troisième est la représentation implicite.
Dans le cas des méthodes de partitionnement de l'espace, il y a encore plusieurs sous-techniques, sous-catégories telles que les méthodes octrees, les arbres BSP, la géométrie solide constructive ou CSG. À l'exception de ces grandes catégories et sous-catégories, il existe d'autres techniques qui ne relèvent pas de ces grandes catégories, qui sont des catégories en soi. Il s'agit principalement d'une représentation d'objet photoréaliste spécifique ou complexe de l'application. Ainsi, la représentation d'objet photoréaliste complexe montre que ces techniques sont utilisées pour représenter des effets réalistes d'une manière très complexe.
Voyons quelques exemples. Il existe une technique appelée représentation fractale. Par exemple, voir cette figure de l'arborescence ici si vous regardez de près chaque branche de l'arborescence, vous verrez que la structure globale est répliquée dans chaque branche. Ainsi, la structure de l'arbre entier est répliquée dans chaque branche et à l'intérieur de cette branche, les sous-branches reproduisent à nouveau cette structure arborescine. Il s'agit donc d'une structure auto-répétition, qui est représentée par des notations fractales. La représentation fractale est donc une représentation utile et dans la nature nous obtenons beaucoup d'objets qui sont en fait auto-répétés, où la représentation fractale est très utile.
Une autre technique de représentation avancée est la représentation du système de particules, où nous essayons de simuler la physique réelle, par exemple, si nous voulons créer cette cascade d'une manière très réaliste. Ensuite, la représentation du système de particules serait plus appropriée que toute autre représentation que nous avons utilisée jusqu'à présent où nous serons en mesure d'imiter la façon dont ces flux d'eau sont dus à la gravité et qui tombent d'une position plus élevée à une position plus basse et les collisions et comment ils se dispersent, toutes ces choses peuvent être capturées à l'aide de la représentation du système de particules.
La troisième technique est la représentation du squelette. Si nous voulons créer un personnage comme celui-ci, nous pouvons représenter le personnage à l'aide d'une forme squelettique, ce qui est montré dans cette figure de gauche. Et la façon dont cette forme squelettique est définie, donc chaque fois que ce caractère se déplace, le mouvement du squelette est également proportionnée. Ainsi, les considérations cinématiques sont prises en compte pendant que nous définissons une représentation squelettique. Ce ne sont là que quelques-unes des nombreuses représentations possibles qui sont réellement utilisées dans la génération d'une scène réaliste.
Donc, en résumé, ce que nous pouvons dire, c'est que nous avons un grand nombre de techniques disponibles pour représenter des objets 3D. D'une manière générale, il y a quatre techniques. L'un est le rendu de l'échantillon point où au lieu d'essayer artificiellement de créer des formes d'objets, nous capturons en fait certaines valeurs, à savoir la couleur, la profondeur, la normale à la surface à différents points d'une scène, puis reproduisons simplement celles à l'écran, c'est-à-dire le rendu de l'échantillon.
D'autres techniques sont la représentation aux limites, qui comporte de nombreuses sous-catégories telles que la représentation du maillage, la représentation paramétrique et les représentations de surface implicites. Dans les techniques de représentation aux limites, nous représentons des objets en termes de surfaces de délimitation où ces surfaces de délimitation peuvent être des lignes, des courbes, des polygones, n'importe quoi.
La troisième technique est la méthode de partitionnement de l'espace ici, au lieu de représenter un objet en termes de sa frontière, ce que nous faisons est que nous représentons l'espace occupé par cet objet. Et typiquement, nous utilisons une représentation hiérarchique sous la forme d'arbres, qui est plus populairement appelé arbre de partitionnement espacé. Il existe de nombreuses sous-catégories de telles représentations, à savoir la méthode des octree, la méthode BSP ou la méthode de partitionnement binaire binaire, la méthode de la géométrie solide constructive ou les méthodes CSG.
La quatrième technique est la représentation par balayage, où nous ne représentons pas l'ensemble de l'objet.
Au lieu de cela, nous représentons les objets en termes d'une forme primitive et d'un chemin de mouvement ou de la trajectoire. Il existe deux techniques de représentation par balayage: la surface de balayage et la surface de la révolution. Un point intéressant à propos de ce type de représentation est qu'ici la représentation elle-même contient une approche plutôt que des objets.
L'approche consiste à déplacer la surface primitive le long d'un chemin ou autour d'un axe. Maintenant, à l'exception de ces quatre grandes catégories, il existe d'autres représentations qui sont spécifiques à l'application, parfois certaines techniques spécifiques sont également possibles, à savoir les graphes de scène, le modèle squelettique et la modélisation avancée, à savoir les fractales ou les systèmes de particules.
Maintenant, parmi ces catégories lors de conférences ultérieures, nous allons discuter en détail de ces deux catégories, de la représentation aux limites et de la représentation du partitionnement de l'espace. Dans les techniques de représentation aux limites, nous allons discuter de toutes ces trois sous-catégories de façon assez détaillée, alors que dans la méthode de partitionnement de l'espace nous allons discuter de ces trois sous-catégories de façon assez détaillée.
Et dans la représentation aux limites, nous allons apprendre sur une technique de représentation spécifique, à savoir la représentation de la spline, qui est très populaire dans la représentation de formes complexes dans les graphiques.
Ce que j'ai discuté aujourd'hui, c'est juste l'introduction aux techniques de représentation des objets, diverses techniques qui sont disponibles pour représenter les objets. Ensuite, peu de conférences seront consacrées aux détails de ces techniques.