Тривимірна графіка - що це таке?

Тривимірна графіка - це графіка, в якій використовується 3-мірне подання геометричних фігур (часто декартових), що зберігаються в комп'ютері для цілей розрахунків і візуалізації двовимірних зображень. Такі зображення можуть бути збережені для подальшого перегляду або відображені в режимі реального часу.

Що це таке?

Тривимірна комп'ютерна графіка спирається на багато з тих же алгоритмів, що і двомірна комп'ютерна векторна в каркасної моделі, і двомірна комп'ютерна растрова в остаточному відображається зображенні. У додатках комп'ютерної графіки 2D-програми можуть застосовувати 3D-методи для отримання аналогічних ефектів (наприклад, освітлення), а 3D можуть використовувати 2D-методи рендеринга.


Тривимірну графіку часто називають 3D-моделями. Крім визуалізованого зображення, модель міститься в графічному файлі даних. Однак є відмінності: тривимірна модель - це математичне представлення будь-якого тривимірного об'єкта. Вона технічно не є графікою, поки не відображається. Вона може відображатися візуально у вигляді двовимірного зображення за допомогою процесу, званого 3D-візуалізації, або використовуватися в неграфічних комп'ютерних симуляції і обчисленнях. При 3D-друку ці моделі аналогічним чином перетворюються в тривимірне фізична подання з обмеженнями на те, наскільки точним може бути рендеринг для віртуальної моделі.

Історія технології

Система тривимірної графіки має досить тривалу історію. Вільяму Феттеру приписують термін «комп'ютерна графіка» з 1961 року для опису його роботи в Boeing. Однією з перших робіт в стилі комп'ютерної анімації була Futureworld (1976), яка включала анімацію людського обличчя і руки. Ця технологія спочатку з'явилася в експериментальній короткометражці A Computer Animated Hand 1972 року, створеної студентами Університету Юти Едвіном Кэтмаллом і Фредом Парку. З того моменту тривимірна графіка – це новітня технологія, яка стала розвиватися дуже активно по теперішній час.


Для тривимірної графіки стало з'являтися для домашніх комп'ютерів в кінці 1970 років. Найбільш раннім відомим прикладом є 3D Art Graphics - набір тривимірних комп'ютерних графічних ефектів, написаний Kazumasa Mitazawa і випущений в червні 1978 року для Apple II.

Як це робиться?

Створення тривимірної графіки ділиться на три основних етапи: 3D-моделювання - являє собою процес створення комп'ютерної моделі, що відображає форму об'єкта. Макет і анімація - розміщення та переміщення об'єктів в межах сцени. 3D-рендерінг - комп'ютерні обчислення, які на основі розташування світла, типів поверхні та інших якостей генерують зображення.

Моделювання

Моделювання описує процес створення форми об'єкта. Двома найбільш поширеними джерелами тривимірних моделей є наступні: ті, які художник або інженер створюють на комп'ютері за допомогою якого-небудь інструмента тривимірного моделювання; моделі, відскановані в комп'ютер з реальних об'єктів. Вони також можуть бути виготовлені процедурно або за допомогою фізичного моделювання. По суті, тривимірна модель складається з точок, називаних вершинами, які визначають форму і утворюють багатокутники. Для цього використовується побудова тривимірних графіків.
Багатокутник - це область, утворена як мінімум з трьох вершин (трикутник). У свою чергу, багатокутник з n точок - це n-кутник. Цілісність моделі загалом, і її придатність для анімації залежать від її структури. Щоб вона була функціональною, потрібно правильно побудувати тривимірний графік.

Процес моделювання

Існує три найпоширеніших методи представлення моделі. Вони відрізняються так: Полігональне - точки в тривимірному просторі, називаються вершинами, з'єднуються відрізками, утворюючи полігональну сітку. Більшість сучасних тривимірних моделей побудовані як текстуровані полігональні, тому що вони гнучкі і комп'ютери можуть відображати їх дуже швидко. Однак багатокутники є плоскими і можуть тільки наблизитися до кривих поверхнях, використовуючи багато багатокутників. Моделювання кривих - поверхні визначаються кривими, на які впливають зважені контрольні точки. Крива слід (але не обов'язково інтерполює) точки. Збільшення ваги для точки притягне криву ближче до неї. Типи кривих включають в себе неоднорідний раціональний B-сплайнів (NURBS), патчі, сплайни і геометричні примітиви. Цифрове - досі відносно новий метод моделювання. Воно стало дуже популярним в останні декілька років. Сьогодні існує три типу цифрового моделювання:
Зсув, який найбільш широко використовується в додатках. У цей момент застосовується щільна модель (часто генерується поверхнями підрозділів багатокутної керуючої сітки), яка зберігає нові місця для положень вершин з допомогою карти зображень, в якій зберігаються скориговані розташування. Об'ємний, слабо заснований на вокселях, який володіє аналогічними можливостями зміщення, але не страждає від розтягування меж, коли недостатньо точок для досягнення деформації об'єкта. Динамічна тесселяція схожа на воксели, але вона розділяє поверхню за допомогою тріангуляції для підтримки гладкій поверхні і отримання більш дрібних деталей. Моделювання може виконуватися за допомогою спеціальної програми (наприклад, Cinema 4D, 3ds Max, Maya, Blender, Modo, LightWave) або прикладного компонента (Shaper, Lofter в 3ds Max), або з допомогою деякого мови опису сцени (як в POV-Ray). Іноді немає суворого відмінності між цими фазами. В даних випадках моделювання тривимірної графіки - це тільки частина процесу створення сцени. Складні матеріали, такі як рухомий пісок, хмари і бризки рідини, моделюються за допомогою систем частинок і являють собою масу тривимірних координат, яким призначено точки, багатокутники, текстури або спіралі.

Матеріали і текстури

Матеріали і текстури - це властивості, які движок рендеринга використовує для створення моделі. У несмещенном механізм рендеринга, такому як цикли блендера, можна дати вказівку движку за матеріалами моделі. Наприклад, так можна налаштувати, як обробляти світло, коли він потрапляє на поверхню.

Текстури використовуються, щоб надати матеріалу колір, використовуючи карту кольорів або альбедо, або додати поверхневі особливості, використовуючи карту нерівностей або нормалей. Це може також використовуватися, щоб змінити саму модель за формою, використовуючи карту зміщення. Незважаючи на те що вона створюється за допомогою побудови тривимірних графіків, ці процеси чинять сильний вплив.

Макет і анімація

Перед рендерингом у зображення об'єкти повинні бути розміщені в композиції. Це визначає просторові співвідношення між різними об'єктами, тому числі їх розмір і розташування. Анімація являє собою тимчасове опис об'єкта (тобто як він рухається і змінюється в часі). Поширені методи включають в себе кадрування, зворотний кінематику і захоплення руху. Ці засоби часто використовуються у поєднанні, і роблять безпосередній вплив на продуктивність тривимірної графіки. Як і у випадку з анімацією, фізичне моделювання ставить також і рух.

Що таке візуалізація?

Рендеринг перетворює модель в зображення за допомогою імітації перенесення світла для отримання фотореалістичних зображень або шляхом застосування художнього стилю, як при нефотореалистичном рендерінгу. У реалістичному рендерінгу двома основними операціями є перенесення (скільки світла потрапляє з одного місця в інше) і розсіювання (взаємодія поверхонь зі світлом). Як правило, даний крок виконується з використанням програмного забезпечення для комп'ютерної 3D-графіки або API-інтерфейсу для неї. Зміна сцени в підходящу для візуалізації форму також включає в себе тривимірну проекцію, що відображає 3-мірне зображення у двох вимірах. Хоча З 3D-моделювання та САПР також можуть виконувати 3D-рендерінг (наприклад, Autodesk 3DS Max або Blender), також існує ексклюзивне програмне забезпечення для 3D-рендеринга.

Програмне забезпечення

Програми для тривимірної графіки створюють комп'ютерні зображення (CGI) з допомогою 3D-моделювання і рендеринга. Або створюють моделі для аналітичних, наукових і промислових цілей. Програми для 3D-моделювання - це клас для тривимірної комп'ютерної графіки, яка використовується для створення тривимірних моделей. Окремі програми даного класу називаються сервісами моделювання або розробниками моделей. Такі сервіси дозволяють користувачам реалізувати і змінювати моделі за допомогою 3D-сітки. Так художники можуть віднімати, додавати, розтягувати і іншим чином змінювати сітку на свій розсуд. Моделі можна переглядати під різними кутами, зазвичай одночасно. Їх можна обертати, а вид - збільшувати і зменшувати. Більшість 3D-програм включають в себе ряд пов'язаних опцій, наприклад, трасувальники променів і інші альтернативи рендеринга і засоби накладення текстур. Деякі з також пропонують функції, які підтримують або дозволяють анімацію моделей. Ряд з них можуть бути в змозі генерувати відео з повним рухом з серії візуалізованими сцен (тобто анімації).

Системи автоматизованого проектування

Тривимірна графіка – це результат взаємодії різних сервісів. Програмне забезпечення для автоматизованого проектування може використовувати ті ж самі фундаментальні методи, що й для самого моделювання, але їх мета різна. Вони використовуються в комп'ютерному проектуванні, автоматизованому виробництві, аналізі методом кінцевих елементів, управління життєвим циклом вироби, 3D-друку і автоматизованому архітектурному проектуванні.

Додаткові інструменти

Після виробництва відео студії потім редагують або комбінують його, використовуючи такі програми, як Adobe Premiere Pro або Final Cut Pro на середньому рівні, або Autodesk Combustion, Digital Fusion або Shake на високому рівні. Програмне забезпечення для зіставлення рухомих зображень зазвичай використовується для монтажу в реальному часі відео, згенерованих комп'ютером, і синхронізує їх по мірі руху камери.

Спільноти

Існує безліч веб-сайтів, призначених для розробників ПЗ, але є й окремі аматорські ресурси. Ці спільноти дозволяють учасникам звертатися за порадою, розміщувати навчальні посібники, надавати огляди продуктів або публікувати приклади своєї власної роботи.

Відмінності від інших видів комп'ютерної графіки

Не вся комп'ютерна графіка, яка з'являється в 3D, заснована на каркасній моделі. Двомірна її різновид з тривимірними фотореалістичними ефектами часто досягається без каркасного моделювання і іноді неможливо розрізнити в остаточному вигляді. Деякі графічні програми включають в себе фільтри, які можна застосовувати до двовимірної векторної або двомірної растрової графіки на прозорих шарах. Візуальні художники можуть копіювати або візуалізувати 3D-зображення і вручну створювати фотореалістичні ефекти без використання фільтрів. Однак цей режим тривимірної графіки у відео та анімації найчастіше вимагає спеціального обладнання (очок) для кращого перегляду.

Псевдо-3D і справжнє 3D

У деяких відеоіграх використовуються обмежені проекції тривимірних середовищ, таких як ізометрична графіка або віртуальні камери з фіксованими кутами, створені для підвищення продуктивності ігрового движка або стилістичних та ігрових завдань. Вважається, що такі ігри використовують псевдо-3D графіку. Продуктивність тривимірної графіки та ігор, створених за допомогою моделювання, суттєво відрізняється.