The wiki page is under active construction, expect bugs.

Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- statnice:bakalar:b4b39hry [2025/05/28 21:47] – zapleka3
+++ statnice:bakalar:b4b39hry [2025/06/06 21:23] (current) – zapleka3
@@ Line 1: / Line 1: @@
-==== Komponenty herního enginu, herní smyčka. Detekce kolizí a základy herní fyziky. Reprezentace a výpočet animací. Základní optimalizační metody pro herní engine. ====
+====== Komponenty herního enginu, herní smyčka. Detekce kolizí a základy herní fyziky. Reprezentace a výpočet animací. Základní optimalizační metody pro herní engine. ======
 [[https://fel.cvut.cz/cz/education/bk/predmety/46/99/p4699006.html|B4B39HRY]] [[https://cw.fel.cvut.cz/wiki/courses/b4b39hry/lectures/start|Webové stránky předmětu]]
@@ Line 472: / Line 472: @@
 \[
-\vec{v}'_1 = \vec{v}_1 + \frac{\Delta \vec{p}}{m_1}, \quad
+\vec{v}'_1 = \vec{v}_1 - \frac{\Delta \vec{p}}{m_1}, \quad
-\vec{v}'_2 = \vec{v}_2 - \frac{\Delta \vec{p}}{m_2}
+\vec{v}'_2 = \vec{v}_2 + \frac{\Delta \vec{p}}{m_2}
 \]
@@ Line 515: / Line 515: @@
 Cílem animace je rozpohybovat objekty – pro účely hry, realismu nebo stylizace. Existuje několik typů animací, které se používají podle potřeby:
-  * **Sprite animace (2D)** – střídání obrázků (cel/sprite), používané v 2D hrách.
+  * **Sprite animace (2D)** – střídání jednotlivých předkreslených snímků (cel/sprite), používané v 2D hrách pro postavy, efekty nebo UI prvky.
-  * **Rigidní hierarchická animace** – změna transformací v hierarchii scény, jednoduché pohyby objektů (např. dveře).
+  * **Rigidní hierarchická animace** – změna transformací v hierarchii scény, používaná pro objekty, které se skládají z pevných částí (např. otvírání dveří, animace robota).
-  * **Per-vertex animace** – animace jednotlivých vrcholů:
+  * **Per-vertex animace** – animace jednotlivých vrcholů modelu pro detailní deformační efekty:
-    * **Blend shapes (morphing)** – výrazy obličeje.
+    * **Blend shapes (morphing)** – přechod mezi různými tvary sítě, často využívané pro mimiku nebo mluvení.
-    * **Procedurální animace** – hladiny, vlny (šumové funkce).
+    * **Procedurální animace** – automaticky generované deformace podle funkcí (např. Perlinův šum), simulují vlny nebo vítr.
-    * **Fyzikální simulace** – např. šaty.
+    * **Fyzikální simulace** – využívá dynamiku pro deformace měkkých objektů, např. látky, vlasy nebo šaty.
-  * **Skeletální animace** – klíčová pro postavy, podrobně popsána níže.
+  * **Skeletální animace** – klíčová pro postavy; model je řízen vnitřní kostrou, kde se pohyby kostí přenášejí na povrchový mesh.
 ==== 2. Skeletální animace a reprezentace kostry ====
@@ Line 550: / Line 555: @@
 ==== 4. Míchání animačních klipů ====
-  * **LERP/SLERP** mezi transformacemi (Scale, Translate, Rotate).
+  * **LERP/SLERP** mezi transformacemi (Scale, Translate, Rotate) – lineární interpolace pozice a měřítka (LERP), sférická interpolace rotací (SLERP) pomocí kvaternionů.
-  * Možné přechody (např. z běhu do skoku).
+  * Možné přechody mezi klipy (např. z běhu do skoku) se realizují jako plynulé interpolace v čase (tzv. cross-fade).
-  * **Blending tree** – výpočet na základě parametrů (rychlost, směr).
+  * **Blending tree** – výpočet výsledné animace na základě vstupních parametrů (rychlost, směr, stav), umožňuje plynulé kombinace více animačních klipů podle situace.
+  * **Interpolační míchání** – probíhá přímo na transformačních datech kloubů (SQT: scale, quaternion, translation). Pokročilejší přístupy používají parametrizované prostory (např. rozsah -1..1 pro náklon hlavy) pro intuitivnější ovládání a omezení neplatných póz.
+  * **Aditivní míchání** – místo interpolace se používá složení transformací. Využívá se u detailních animací (např. dýchání, švihnutí mečem), které se přičítají k základnímu pohybu.
   * **Animační automat (ASM)**:
-    * Množina stavů (Idle, Walking, Jumping, …).
+    * Množina stavů (Idle, Walking, Jumping, Attacking, …), každý stav má vlastní strom klipů.
-    * Přechody s interpolací.
+    * Přechody s interpolací mezi stavy (cross-fade) umožňují plynulé změny.
-    * Více vrstev animace (např. tělo vs. ruce), kombinace pomocí masek nebo aditivního míchání.
+    * Více vrstev animace – každá vrstva je samostatný ASM (např. dolní tělo běží, horní tělo střílí), vrstvy se kombinují pomocí vah a masek (např. AvatarMask v Unity).
+    * Komplexní kombinace jako chůze + střelba nebo běh + zásah se vytvářejí skládáním vrstev.
+  * **Inverzní kinematika (IK)** – používá se jako post-process po smíchání animací. Umožňuje doladit pozici koncových efektorů (např. poloha ruky na klice, noha na zemi). Algoritmus určí rotace všech relevantních kloubů tak, aby efektor dosáhl cíle. IK řešení může být víceznačné, nemusí existovat nebo může být nestabilní v čase, a proto je třeba zajistit plynulost a konzistenci.
 ==== 5. Skinning (Linear Blend Skinning) ====
-Skinning je technika deformace polygonálního modelu podle animace kostry.
+**Skinning** je metoda deformace polygonálního modelu (kůže) podle animace kostry (skeletonu). Každý vrchol modelu je ovlivněn jedním nebo více klouby v závislosti na typu skinningu.
-  * **Rigid skinning** – každý vrchol ovládán jedním kloubem (zastaralé).
+  * **Rigid skinning** – každý vrchol ovládán jedním kloubem. Rychlý, ale vytváří nepřirozené zlomy v oblasti kloubů.
-  * **Linear Blend Skinning (LBS)** – každý vrchol ovlivněn několika klouby (2–4) s váhami \( w_i \).
+    \[
-    * Váhy jsou **konvexní** (součet = 1, každá váha \( \geq 0 \)).
+    \vec{v}' = F(j) \cdot A^{-1}(j) \cdot \vec{v}
-    * Výsledná pozice vrcholu:
+    \]
+  * **Linear Blend Skinning (LBS)** – každý vrchol je ovlivněn **několika klouby** (typicky 2–4), každý s určitou vahou \( w_i \).
+    * Výhody: plynulé deformace, efektivní výpočet, běžné ve většině herních enginech.
+    * Nevýhody: **artefakty** při rotacích – např. zmenšení objemu (gumový efekt), **nezachování ortonormality**.
+    * Výsledná pozice:
       \[
-      P_{\text{new}} = \sum_i w_i \cdot T_i(P_0)
+      \vec{v}_{\text{new}} = \sum_{i=1}^{m} w_i \cdot F(j_i) \cdot A^{-1}(j_i) \cdot \vec{v}
       \]
-    * kde \( T_i \) je transformace daného kloubu a \( P_0 \) je původní pozice.
-  * Výhody: rychlý výpočet, jednoduchá implementace.
+  * **Duální kvaterniony** – lepší zachování objemu a rotací.
-  * Nevýhody: artefakty (např. „gumové“ klouby), řešeno pomocí pokročilého skinningu.
+  * **Pomocné klouby** – pro přesnější deformaci v problematických místech (např. ramena).
-==== 6. Animační křivky ====
-Animační křivky určují, jak se transformace mění mezi klíčovými snímky.
-  * **Hermitova kubika** – určená počátečním a koncovým bodem + jejich tečnami. Výhodná pro plynulý přechod.
+==== 6. Animační křivky, princip a využití ====
-  * **Catmull–Rom spline** – prochází dvěma hlavními body, další dva ovlivňují zakřivení. Spojitá první derivace.
+**Animační křivky** určují průběh hodnot (např. pozice, rotace, barvy) mezi klíčovými snímky. Používají se pro plynulou interpolaci v čase, řízení pohybu kamery či procedurální animace.
+===== Požadavky =====
+  * Plynulost (spojitá derivace).
+  * Intuitivní ovládání a editace.
+  * Rychlý výpočet.
+===== Lineární interpolace =====
+  * Jednoduchá, ale nespojitá v derivaci.
+  * Nevhodná pro přirozený pohyb.
+===== Hermitova kubika =====
+  * Definována dvěma body \( P_0, P_1 \) a jejich tečnými vektory \( P_0', P_1' \).
+  * Výhodná pro řízený a plynulý přechod mezi body.
+  * Umožňuje snadné nastavení rychlosti nástupu a odeznění.
+{{:statnice:bakalar:pasted:20250528-222052.png?300}}
+===== Catmull–Rom spline =====
+  * Speciální případ Hermitovy kubiky – tečné vektory se určují automaticky.
+  * Každý segment prochází dvěma body, tvar ovlivněn sousedními.
+  * Spojitá první derivace → přirozený pohyb.
+  * Vyžaduje alespoň čtyři body (první a poslední slouží k výpočtu tečen).
+{{:statnice:bakalar:pasted:20250528-222236.png?300}}
+**Použití**:
+  * interpolace transformací v čase (rotace, pozice),
+  * řízení kamery,
+  * fyzikálně věrohodné trajektorie,
+  * animace parametrů (např. zoom, světlo),
+  * procedurální pohyby.
+Křivky jsou zásadní pro dosažení realistického nebo stylizovaného pohybu bez nutnosti ručního nastavování každého snímku.
-Používají se pro:
-  * interpolaci transformací v čase,
-  * řízení pohybu kamery,
-  * procedurální animace.
 ===== 4. Základní optimalizační metody pro herní engine =====
@@ Line 621: / Line 662: @@
   * **Neprůhledné objekty**: odložené vykreslování.
   * **Průhledné objekty**: dopředné vykreslování.
+  * **Post-process**: Tone mapping (HDR, korekce barev), Screen space motion blur / depth of field, FXAA (antialising jako postprocess s detekcí hran), Exposure, glow, gamma, etc.
 ==== 3. Optimalizace pomocí LOD ====
-LOD (Level of Detail) – různé úrovně detailu modelu podle vzdálenosti od kamery.
+**LOD (Level of Detail)** je technika pro snižování zátěže GPU tím, že se místo plně detailního modelu používá zjednodušená verze podle vzdálenosti od kamery.
-  * **Diskrétní LOD** – předpočítané verze modelu, přepínání mezi nimi (může být viditelné).
+=== Diskrétní LOD ===
-  * **Spojité LOD** – plynulá změna detailu za běhu, výpočetně náročnější (např. Nanite v UE5).
+  * Několik předpočítaných verzí modelu (např. LOD0 – detailní, LOD1 – střední, LOD2 – hrubý).
-  * Optimalizace také pomocí:
+  * Přepínání může být viditelné (tzv. popping), řeší se pomocí:
-    * **Normal map, bump map** – náhrada detailní geometrie texturou,
+    * **Alpha blending** – plynulý přechod pomocí průhlednosti.
-    * **Mip-mapy, atlasy** – zmenšené verze textur,
+    * **Bitové masky** – postupné skrývání detailů.
-    * **Indexované geometrie** – snížení počtu volání.
+  * LOD modely lze generovat automaticky (např. Blender, MeshLab).
+=== Spojité LOD ===
+  * Geometrie je dynamicky zjednodušována za běhu (např. přepočtem).
+  * Plynulé přechody bez skoků v detailech.
+  * Výpočetně náročné, ale vizuálně kvalitní.
+  * Příklady: **UE5 Nanite** – hierarchická rasterizace a culling mikropolygony.
+=== Pseudo-spojité LOD ===
+  * Kombinace hierarchických LOD a clusterů.
+  * Různé části modelu (clustery) mají vlastní LOD.
+  * Dynamicky přepínány podle viditelnosti a detailu.
+=== Další optimalizační techniky ===
+  * **Normal map, bump map** – imitují detaily pomocí textur, snižují potřebu polygonů.
+  * **Mip-mapy** – předpočítané verze textur různých velikostí, zlepšují výkon i kvalitu.
+  * **Texturové atlasy** – sloučení více textur do jedné, snižují počet přepínání textur.
+  * **Indexovaná geometrie** – opětovné použití vrcholů pomocí indexů, snižuje paměťové nároky a volání.
+LOD je klíčovým prvkem pro škálování grafické náročnosti a udržení plynulého výkonu při zobrazování rozsáhlých scén.
 ==== 4. Předpočítané osvětlení a sondy odrazu ====
@@ Line 650: / Line 711: @@
 ==== 5. Redukování podle viditelnosti (Culling) ====
-Culling = **vyloučení neviditelných objektů** z renderingu.
+**Culling** je technika pro zvýšení výkonu tím, že **neviditelné objekty nejsou vůbec posílány na vykreslení**. Typicky se jedná o objekty mimo zorné pole nebo zakryté jinými objekty.
-=== View frustum culling ===
+=== View Frustum Culling ===
+  * Kontroluje, zda je objekt uvnitř **zorného jehlanu (frustum)** kamery.
+  * Objekty zcela mimo frustum jsou **vynechány z renderingu**.
+  * Používá se obvykle jako **první filtr** při vykreslování scény.
-  * Testujeme, zda objekt leží v **pohledovém jehlanu** (frustum kamery).
+=== Occlusion Culling ===
-  * Objekty mimo frustum se **nevykreslují**.
+  * Odstraňuje objekty, které jsou **zakryty jinými** a tudíž nejsou viditelné.
+  * Může probíhat:
+    * **Offline** – rozdělení scény na **pohledové buňky** a výpočet **PVS** (Potentially Visible Set).
+    * **Online** – výpočet **za běhu** pomocí:
+      * **Depth bufferu**, **hierarchického Z-bufferu**, nebo
+      * **softwarové rasterizace** s jednoduchými tvary (occludery).
-=== Occlusion culling ===
+=== Potenciálně Viditelné Množiny (PVS) ===
+  * Pro každou prostorovou **buňku** se předem určí množina potenciálně viditelných objektů.
-  * Testování, zda objekt **není zakryt jiným**.
+  * Při běhu se pak **vykreslují jen tyto objekty**.
-  * Může být:
-    * **Offline** – rozdělení scény na buňky (PVS = Potentially Visible Set),
-    * **Online** – výpočet za běhu (např. pomocí depth bufferu).
-=== Potenciálně viditelné množiny (PVS) ===
-  * Pro každou **buňku prostoru** se předem určí množina objektů, které mohou být viditelné.
-  * Při běhu se vykreslí pouze tyto objekty.
   * Výpočet:
-    * **Offline** – náročný, ale velmi efektivní při běhu.
+    * **Offline** – náročný výpočetně, ale efektivní při běhu.
-    * **Online** – rychlejší, ale méně přesný.
+    * **Online** – rychlejší, vhodný pro dynamické scény, ale méně přesný.
-=== Hierarchické zpracování ===
-  * Používá se hierarchie prostorových struktur (např. octree, kd-tree).
-  * Redukce počtu testů pomocí **konzistence mezi snímky** – tzv. **coherent hierarchy**.
+=== Hierarchické Zpracování a Konzistence ===
+  * Scéna je strukturována pomocí prostorových hierarchií (např. **Octree**, **kd-tree**).
+  * Efektivní redukce díky **coherent hierarchy** – využití podobnosti mezi snímky.
+  * Pomáhá omezit opakované testy pro podobné oblasti.

Trace:

Differences

Search

Navigation

Print/export

Tools

QR Code