Rasterizace (Rasterization)

Příklady z praxe

1. 01

   Trojúhelník ve WebGL

   WebGL aplikace pošle do GPU tři vrcholy trojúhelníku a zavolá vykreslení. Rasterizace určí, které obrazové vzorky leží uvnitř trojúhelníku, a pro každý kandidátní fragment spustí navazující práci shaderů. Výsledek se objeví ve framebufferu jako vyplněná plocha, ne jako tři samostatné body.

   gl.bindBuffer(gl.ARRAY_BUFFER, triangleBuffer);
   gl.vertexAttribPointer(positionLocation, 2, gl.FLOAT, false, 0, 0);
   gl.drawArrays(gl.TRIANGLES, 0, 3);

2. 02

   Polygon v mapové vrstvě

   Kartografický nástroj převede polygon lesní oblasti na rastrovou masku s buňkami po deseti metrech. Buňky uvnitř polygonu dostanou hodnotu 1, ostatní hodnotu 0, takže další výpočet snadno spočítá překryv se sklonem terénu nebo pokrytím signálem. Jemnější mřížka dá přesnější hranici, ale zvětší soubor i dobu zpracování.

Časté omyly

MýtusRasterizace je jen uložení obrázku do PNG nebo JPEG.

Ve skutečnostiRasterizace je obecnější převod tvarů, geometrie nebo písma na rastrovou mřížku. Uložení do PNG nebo JPEG je až kódování výsledných pixelových dat do souborového formátu.

MýtusRasterizace automaticky znamená horší kvalitu než vektorová grafika.

Ve skutečnostiRasterizace ztrácí nezávislost na rozlišení, ale kvalita závisí na rozlišení, vzorkování a filtrování. Pro displej je rastrový výstup nakonec nutný, protože obrazovka sama pracuje s obrazovými body.

Časté dotazy

Proč rasterizace dominuje v hrách a interaktivní grafice?

Rasterizace dominuje v interaktivní grafice, protože dobře odpovídá hardwaru GPU. Scéna se rozdělí na trojúhelníky a velké množství fragmentů, které lze počítat paralelně. Hry a vizualizace potřebují stabilní snímkovou frekvenci, takže rychlost často vítězí nad fyzikálně přesným modelem světla. Fotorealistické efekty se potom doplňují shadery, texturami, screen-space technikami nebo částečným ray tracingem.

Co znamená fragment při rasterizaci?

Fragment při rasterizaci je kandidát na příspěvek do výsledného obrazu. Fragment obvykle nese pozici, hloubku a interpolované hodnoty z vrcholů, například texturační souřadnice nebo barvu. Fragment ještě nemusí skončit jako pixel: hloubkový test, stencil test, průhlednost nebo shader jej mohou změnit nebo zahodit. Při multisamplingu může jeden pixel souviset s více vzorky a fragmenty.

Kdy rasterizace nestačí pro fotorealistický obraz?

Rasterizace nestačí sama o sobě tam, kde výsledek výrazně závisí na cestě světla scénou. Zrcadlové odrazy mimo obraz, lom ve skle, měkké kontaktní stíny nebo nepřímé osvětlení se rasterizací počítají nepřímo a často pomocí aproximací. Hybridní renderery proto používají rasterizaci pro rychlé vykreslení hlavní scény a ray tracing pro vybrané světelné jevy.

Ovlivňuje rasterizace ostrost textu a ikon?

Rasterizace výrazně ovlivňuje ostrost textu a ikon, protože vektorový tvar se musí promítnout do konkrétní pixelové mřížky. Malé písmo může ztratit detaily, když hrany vycházejí mezi pixely nebo když se použije nevhodné vyhlazování. Renderovací systémy proto používají hinting, subpixelové vykreslování, antialiasing nebo bitmapové varianty pro určité velikosti.

Zdroje

1. Rasterisation(otevře se v novém okně)Wikipedia
2. Rasterization(otevře se v novém okně)Khronos Group
3. Rasterizer Stage(otevře se v novém okně)Microsoft
4. WebGL API(otevře se v novém okně)MDN Web Docs

Související pojmy

• ShaderShader je malý program, který běží přímo na grafické kartě a určuje, jak se vykreslí geometrie nebo jednotlivý pixel. Spouští se v tisících kopií najednou, každá nad jiným vrcholem nebo pixelem, což je zdroj jeho výkonu i jeho omezení.
• Anti-aliasingAnti-aliasing je soubor technik, které omezují zubaté hrany a třepení detailů vznikající při převodu spojitého obrazu na mřížku pixelů. V grafice barvy na hranách obvykle průměruje nebo vzorkuje vícekrát, aby diagonály, text a 3D modely působily plynuleji, i když za cenu výkonu nebo mírné ztráty ostrosti.
• Ray tracingRay tracing je technika vykreslování, která simuluje cestu světelných paprsků scénou a z jejich průsečíků s objekty počítá barvu pixelů. Používá se pro věrohodné odrazy, stíny, průhlednost a globální osvětlení, ale je výpočetně náročnější než běžná rasterizace.
• GPUGPU je specializovaný procesor navržený pro masivně paralelní výpočty, zejména vykreslování grafiky a zpracování maticových operací. Oproti CPU má mnoho jednodušších výpočetních jednotek, které současně provádějí podobné instrukce nad velkým objemem dat, například pixely, vertexy, texturami nebo tenzory ve strojovém učení.
• RozlišeníRozlišení je počet rozlišitelných vzorků obrazu, displeje nebo vykreslovací plochy, nejčastěji vyjádřený v pixelech na šířku a výšku. Určuje, kolik detailu lze zobrazit nebo zpracovat, ale samo o sobě neříká nic jistého o fyzické velikosti, ostrosti, kvalitě panelu ani výkonu aplikace.
• ScénaScéna je v grafickém programování a 3D designu uspořádaný celek objektů, světel, kamer, materiálů a dalších dat, ze kterých renderer nebo herní engine vytváří výsledný obraz či interaktivní prostředí. Určuje prostorové vztahy, viditelnost, animace i vazby mezi prvky. Dobře navržená scéna odděluje obsah od způsobu vykreslení a usnadňuje úpravy, optimalizaci i sdílení dat mezi nástroji.
• PixelPixel je nejmenší adresovatelný prvek rastrového obrazu, kterému lze přiřadit jednu barvu. Digitální fotografie, obsah obrazovky i textura ve hře jsou mřížkou pixelů uspořádaných do řádků a sloupců. Ve webovém designu navíc CSS pixel neznamená fyzický bod displeje, ale referenční jednotku délky nezávislou na hustotě zobrazovače.
• Vykreslovací pipelineVykreslovací pipeline je posloupnost pevně daných kroků, kterými grafická karta promění popis 3D scény (vrcholy, transformace, materiály) na barvy jednotlivých pixelů ve výsledném obrazu. Zahrnuje zpracování vrcholů, sestavení primitiv, ořez, rasterizaci, výpočet barvy fragmentů a zápis do framebufferu. Programovatelné části pipeline řídí shadery, zbytek obstarává pevná logika hardwaru.