Головна  /  Поломки  /  Тривимірна комп'ютерна графіка. Тривимірна графіка у сучасному світі

Тривимірна комп'ютерна графіка. Тривимірна графіка у сучасному світі

Поломки
25.09.2021

Для створення комп'ютерної графіки використовують багато різних програм. Умовно їх можна поділити на такі групи:

  • Програми цифрового скульптингу (Pixologic ZBrush, Autodesk Mudbox).
  • Ігрові движки (Unreal Engine 4, Unity 5, CryEngine 3).
  • Вузькоспеціалізовані додатки, «заточені» під конкретні завдання (анімація рідин – RealFlow, створення текстур – Mari та ін.).
  • Універсальні 3D редактори (Cinema 4D, 3Ds Max, Maya, Houidini тощо).

Перші три групи розберемо у наступних статтях. Сьогодні пропонуємо огляд універсальних 3D редакторів (Full 3D Suites).

Універсальні 3D редактори,як правило, містять все необхідне для CG: інструменти моделювання, анімації та візуалізації.

На запитання: «Який із пакетів найкращий? Що вибрати?" немає правильних відповідей. Вибір інструменту залежить від багатьох факторів: особистих переваг CG-художника, поставленої мети, фінансових можливостей і т.д.

  • функціонал програми;
  • зручність користування (інтуїтивний інтерфейс тощо);
  • доступність, ціна.

Більшість фахівців у своїй роботі використовують відразу кілька програм: деякі речі простіше і швидше робити сторонніх додатках(Деталізація, постобробка, симуляція та ін.). Тому не обмежуйте себе рамками лише одного пакета. Тим більше що вибір інструментів сьогодні просто величезний.

Найпопулярніші 3D пакети:

3 Ds Max

3Ds Max- «піонер» серед 3D редакторів, дуже популярний інструмент, №1 у виборі багатьох початківців та просунутих фахівців. Займає провідні позиції у сфері дизайну та архітектурної візуалізації. Часто використовується в ігровій промисловості.

Можливості:

  • моделювання на основі полігонів, сплайнів і NURBS,
  • потужна системачастинок,
  • модуль волосся/шерсть,
  • розширені шейдери Shader FX,
  • підтримка нових та вдосконалених механізмів Iray та mental ray.
  • анімація натовпу,
  • імпорт з Revit та SketchUp,
  • Інтеграція композитингу.

І багато іншого.

Плюси:величезний функціонал, безліч плагінів та навчальної інформації.

Мінуси:не такий простий у освоєнні, «старожилу» потрібні серйозні оновлення.

Autodesk Maya

Maya- Промисловий стандарт 3D графіки в кіно та телебаченні. Maya популярна серед великих студій та масштабних проектів у рекламі, кіно, ігровій індустрії. Пакет ідеальний для створення анімації.

Можливості:

  • повний набір інструментів для NURBS- та полігонального моделювання;
  • потужні засоби загальної та персонажної анімації;
  • розвинена система частинок;
  • технологія Maya Fur (створення хутра, волосся, трави);
  • технологія Maya Fluid Effects (моделювання рідин, атмосфери);
  • широкий набір засобів створення динамічних спецефектів;
  • UV-текстури, нормалі та колірне кодування;
  • багатопроцесорний гнучкий рендеринг.

Плюси:величезний функціонал та можливості.

Мінуси:тривале та складне навчання, високі вимоги до системи, висока ціна.

Cinema 4 D

Cinema 4 D- один із найкращих і зручних 3D пакетів на сьогоднішній день. Величезний функціонал: від моделювання, анімації, ефектів до «ліплення» та модуля BodyPaint 3D. У більш зрозумілий і зручний інтерфейс, ніж у 3Ds Max і Maya. Широко використовується в моушен-дизайні, кіноіндустрії та рекламі.

Можливості:

  • полігональне та NURBS-моделювання;
  • BodyPaint 3D (модуль для створення розгорток UV та текстурних карт);
  • генерація та анімація об'єктів;
  • персонажна анімація;
  • динаміка м'яких та твердих тіл;
  • модуль для створення реалістичного волосся;
  • система частинок Thinking Particles;
  • непоганий вбудований візуалізатор.

Плюси:легкість в освоєнні, інтуїтивний інтерфейс, відмінний функціонал, безліч навчальних матеріалів, тісний зв'язок з Adobe After Effects, Houdini і т.д.

Мінуси:неналагоджена система переходу між версіями.

Modo

Modo- Повноцінний продукт для моделювання, малювання, анімації та візуалізації. Включає також інструменти скульптингу та текстурного фарбування. Завдяки зручності користування та високої продуктивності, Modo має репутацію одного з найшвидших інструментів моделювання. Modo популярний у сфері реклами, розробки ігор, спецефектів та архітектурної візуалізації.

Можливості:

  • полігональне та моделювання SDS;
  • сучасні інструменти анімації;
  • динаміка твердих та м'яких тіл;
  • система малювання;
  • матеріал Fur (хутро) для створення волосся, трави та хутра;
  • інструменти ліплення;
  • швидка та якісна візуалізація.

Плюси:потужний та зрозумілий інструментарій, висока продуктивність.

Мінуси:мало інформації.

Side Effects Houdini

Houdini- потужний професійний пакет для роботи з 3D графікою, в його основі процедурна нодова система. Houdini ідеально підходить для створення складної динаміки, симуляції: частинок, рідини, диму, вогню, імітації природних явищ тощо. А також це чудовий інструмент для створення вражаючих візуальних ефектів. Основна сфера застосування Houdini - кіноіндустрія.

Можливості:

  • полігональне та NURBS-моделювання,
  • анімація (ключова, процедурна),
  • персонажна анімація,
  • система частинок,
  • динаміка твердих і м'яких тіл, тканин, вовни/волосся, газів та рідин,
  • робота з об'ємним звуком,
  • потужний рендер двигун Mantra,
  • убудований інструмент композитингу.

Плюси:висококласні спецефекти та анімація.

Мінуси:мало інформації висока ціна.

Softimage

Softimage(Autodesk Softimage, раніше Softimage/XSI) - програма для 3D анімації та створення візуальних ефектів у game-індустрії, кіно та телебаченні.

У Softimage була одна з самих найкращих системанімації. Завдяки унікальній системі ICE (Interactive Creative Environment — платформі візуального програмування, що базується на нодах) пакет пропонував широку функціональність, гнучкість, високу продуктивність та якість.

Можливості:

  • потужне полігональне, а також процедурне моделювання серед ICE;
  • фізика та динаміка частинок та геометрії;
  • нелінійна анімація;
  • інструменти лицьової анімації Autodesk Face Robot;
  • вбудований MentalRay.

У 2008 році компанія Autodesk викупила Softimage у Avid за 35 млн доларів. У 2015 році Autodesk оголосила про припинення продажів ліцензій на Softimage і фактично позбулася одного з найсильніших гравців на ринку. На офіційному сайті пропонується перейти на 3Ds Max чи Maya.

LightWave

Lightwave 3D- інструмент для 3D анімації та візуальних ефектів від компанії NewNek. З давніх-давен є промисловим стандартом у кіно та телебаченні.

Новий удосконалений пакет LightWave 2015 пропонує великі можливості: від динамічного моделювання, персонажної анімації, візуальних ефектів до розробки ігор та архітектурної візуалізації.

Можливості:

  • інтуїтивний подвійний інтерфейс (modeler та layout);
  • потужне полігональне моделювання;
  • розвинена система анімації;
  • система частинок;
  • система спорядження персонажа Genoma 2;
  • удосконалений рендеринг;
  • інтерактивне динамічне успадкування (Interactive Dynamic Parenting);
  • гнучка система Bullet Dynamics;

Плюси:Великий функціонал, зручний подвійний інтерфейс.

Мінуси:не такий популярний у нашій країні та країнах СНД, мало інформації.

Blender

Єдиний у списку безкоштовний 3D пакет, який практично не поступається за функціоналом платним додаткам. Blender включає засоби для 3D моделювання, анімації, а також набір опцій для створення ігор, візуальних ефектів і скульптингу. Відмінна альтернатива "монстрам" 3D анімації. Завдяки підтримці Blender Foundation, програма дуже швидко та стабільно розвивається.

Можливості:

  • полігональне моделювання, сплайни, NURBS-криві та поверхні;
  • режим ліплення;
  • система частинок;
  • динаміка твердих та м'яких тіл: рідина, вовна/волосся тощо;
  • скелетна анімація;
  • вбудовані механізми рендерингу та інтеграція зі сторонніми візуалізаторами;
  • редактор відео;
  • функції створення ігор та програм (Game Blender).

Плюси:доступність, відкритий код, кросплатформність, невеликий розмір (близько 50 мегабайт), широкий функціонал, можливість створення ігор.

Мінуси:відсутність документації у базовій поставці.

Отже, якщо коротко:

  • 3Ds Max- Комп'ютерні ігри, інтер'єри, візуалізація.
  • Maya- Анімація, кіноіндустрія, телебачення, кліпи.
  • Cinema 4D- Спецефекти в кіно та телебаченні, моушен-дизайн, реклама.
  • Modo- реклама, ігри, спецефекти у кіно.
  • Houdini- візуальне програмування, спецефекти у кіно.
  • Softimage- анімація та спецефекти у кіно, телебаченні, іграх.
  • LightWave- Спецефекти в кіно, телебаченні.
  • Blender- Персональна анімація, створення ігор.

На закінчення хочеться відзначити: 3D редактор - лише інструмент, розкрити потенціал якого може тільки сам дизайнер, CG художник. Освоївши повною мірою один пакет, вивчити інші не складе труднощів.

Успіхів Вам у навчанні та роботі!

Питання про те, що є двигуном всієї комп'ютерної індустрії, давно турбує багатьох користувачів. Чи це фірма Intel, яка, не перестаючи, випускає та випускає нові процесори. Але хто тоді змушує їх купувати? Може, у всьому винен Microsoft, який безперервно робить свої вікна більшими і красивішими? Та ні, адже можна задовольнятися старими версіями програм - тим більше спектр їх можливостей практично не змінюється. Висновок напрошується сам собою - у всьому винні ігри. Так, саме ігри прагнуть дедалі більше уподібнитися до реального світу, створюючи його віртуальну копію, хочуть дедалі потужніших ресурсів.

Вся історія комп'ютерної графіки на PC є підтвердженням цього. Згадайте, на початку були тетріси, дігери, арканоїди. Уся графіка полягала у перемальовуванні невеликих ділянок екрану, спрайтів і нормально працювала навіть на XT. Але минули ті часи. Зійшла зірка симуляторів.

З виходом таких ігор, як F19, Formula 1 і т.п., в яких доводилося перемальовувати весь екран, попередньо заготовляючи його в пам'яті, всім нам довелося обзавестися, принаймні, 286 процесором. Але прогрес у цьому не зупинився. Бажання уподібнити віртуальний світ у грі реальному світові посилилося і з'явився Wolf 3D.

Це, можна сказати, перша 3D-гра, в якій був змодельований який-небудь, але все ж таки реалістичний світ. Для його реалізації довелося використати верхню (понад 640 Кб) пам'ять та загнати програму в захищений режим. Для повноцінної гри довелося встановити процесор 80386. Але й світ Wolf 3D страждав на недоліки. Хоча стіни і були не просто одноколірними прямокутниками, але для їх забарвлення використовувалися текстури з невеликою роздільною здатністю, тому поверхні виглядали пристойно лише на відстані. Звичайно, можна було піти шляхом нарощування роздільної здатності текстур, пригадаємо, наприклад, DOOM. Тоді нам довелося знову перейти на більше новий процесорта збільшити кількість пам'яті. Щоправда, байдуже, хоча зображення й покращилося, але йому були притаманні ті самі недоліки. Та й плоскі об'єкти та монстри – кому це цікаво. Тут і зійшла зірка Quake. У цій грі було застосовано революційний підхід - z-буфер, який дозволив надати об'ємності всім об'єктам. Однак вся гра все одно працювала в невисокій роздільній здатності і не відрізнялася високою реалістичністю.

Назрівало нове апаратне рішення. І рішення це виявилося, загалом, що лежить на поверхні. Якщо користувачі хочуть грати в тривимірному віртуальному світі, то процес його створення (згадаймо хвилини очікування, проведені за 3D Studio перед появою чергової картинки), треба кардинально прискорити. А раз центральний процесор із цим завданням справляється дуже погано, було прийнято революційне рішення - зробити спеціалізований.

Тут те й виліз виробник ігрових автоматів 3Dfx, який зробив цю казку буллю за допомогою свого графічного процесора Voodoo. Людство зробило ще один крок у віртуальний світ.

А оскільки операційної системина PC з текстурними вікнами, що спливають назад, у туман, поки немає, і не передбачається, весь апарат тривимірної графіки можна застосувати тільки до ігор, що успішно робить все цивілізоване людство.

Модель

Для зображення тривимірних об'єктів на екрані монітора потрібне проведення серії процесів (зазвичай званих конвеєром) з подальшою трансляцією результату двовимірний вигляд. Спочатку, об'єкт представляється як набору точок, чи координат, в тривимірному просторі. Тривимірна система координат визначається трьома осями: горизонтальної, вертикальної та глибини, зазвичай званих, відповідно осями x, y та z. Об'єктом може бути будинок, людина, машина, літак або цілий 3D світ та координати визначають положення вершин (вузлових точок), з яких складається об'єкт, у просторі. З'єднавши вершини об'єкта лініями, ми отримаємо каркасну модель, так звану через те, що видимими є лише краї поверхонь тривимірного тіла. Каркасна модель визначає області, що становлять поверхні об'єкта, які можуть бути заповнені кольором, текстурами та освітлюватися променями світла.

Мал. 1: Каркасна модель куба

Навіть за такого спрощеного пояснення конвеєра 3D графіки стає зрозуміло, як багато потрібно обчислень для промальовування тривимірного об'єкта на двовимірному екрані. Можна уявити, наскільки збільшується обсяг обчислень над системою координат, якщо об'єкт рухається.


Мал. 2: Модель літака із зафарбованими поверхнями

Роль API

Програмований інтерфейс додатків (API) складається з функцій, що управляють 3D конвеєром на програмному рівні, але при цьому може використовувати переваги апаратної реалізації 3D у разі наявності цієї можливості. Якщо є апаратний прискорювач, API використовує його переваги, якщо ні, то API працює з оптимальними налаштуваннями, розрахованими на звичайнісінькі системи. Таким чином, завдяки застосуванню API, будь-яка кількість програмних засобівможе підтримуватись будь-якою кількістю апаратних 3D прискорювачів.

Для додатків загального та розважального напрямку, існують наступні API:

  • Microsoft Direct3D
  • Criterion Renderware
  • Argonaut BRender
  • Intel 3DR
Компанія Apple просуває свій власний інтерфейс Rave, створений на основі їхнього власного API Quickdraw 3D.

Для професійних додатків, що працюють під керуванням Windows NT домінує інтерфейс OpenGL. Компанія Autodesk, найбільший виробник інженерних програм, розробила свій власний API, званий Heidi.
Свої API розробили і такі компанії, як Intergraph – RenderGL, та 3DFX – GLide.

Існування та доступність 3D інтерфейсів, що підтримують безліч графічних підсистем та додатків, збільшує потребу в апаратних прискорювачах тривимірної графіки, що працюють у режимі реального часу. Розважальні програми, головний споживач і замовник таких прискорювачів, але не варто забувати і про професійні програми для обробки 3D графіки, що працюють під управлінням Windows NT, багато з яких переносяться з високопродуктивних робочих станцій, типу Silicon Graphics, на PC платформу. Інтернет програми сильно виграють від неймовірної маневреності, інтуїтивності та гнучкості, які забезпечує застосування тривимірного графічного інтерфейсу. Взаємодія в World Wide Web буде набагато простішою та зручнішою, якщо відбуватиметься у тривимірному просторі.

Графічний прискорювач

Ринок графічних підсистем до появи поняття малтімедіабув відносно простий у розвитку. Важливою віхою у розвитку був стандарт VGA (Video graphics Array), розроблений компанією IBM у 1987 році, завдяки чому виробники відеоадаптерів отримали можливість використовувати більш високу роздільну здатність (640х480) та більшу глибину уявлення кольору на моніторі комп'ютера. Зі зростанням популярності ОС Windows з'явилася гостра потреба в апаратних прискорювачах двовимірної графіки, щоб розвантажити центральний процесор системи, змушений обробляти додаткові події. Відволікання CPU на обробку графіки істотно впливає на загальну продуктивність GUI (Graphical User Interface) - графічного інтерфесу користувача, а так як ОС Windows та додатків для неї потрібно якнайбільше ресурсів центрального процесора, обробка графіки здійснювалася з нижчим пріоритетом, тобто. робилася дуже повільно. Виробники додали у свої продукти функції обробки двовимірної графіки, такі, як промальовування вікон при відкритті та згортанні, апаратний курсор, що постійно видимий при переміщенні покажчика, зафарбування областей на екрані при високій частоті регенерації зображення. Отже, з'явився процесор, що забезпечує прискорення VGA (Accelerated VGA - AVGA), також відомий як Windows або GUI прискорювач, який став обов'язковим елементом у сучасних комп'ютерах.

Впровадження малтімедіа створило нові проблеми, викликані додаванням таких компонентів, як звук та цифрове відео до набору двовимірних графічних функцій. Сьогодні легко помітити, що багато продуктів AVGA підтримують на апаратному рівні обробку цифрового відео. Отже, якщо на Вашому моніторі відео програється у вікні, розміром з поштову марку - настав час встановити у Вашій машині малтімедіа прискорювач. Малтимедіа прискорювач (multimedia accelerator) зазвичай має вбудовані апаратні функції, що дозволяють масштабувати відео з осях x і y, а також апаратно перетворювати цифровий сигнал в аналоговий, для виведення його на монітор в форматі RGB. Деякі малтимедіа акселератори можуть мати вбудовані можливості декомпресії цифрового відео.

Розробники графічних підсистем повинні виходити з вимог, які частково диктуються розмірами комп'ютерного монітора, частково під впливом GUI, і частково під впливом графічного процесора. Первинний стандарт VGA з роздільною здатністю 640х480 пікселів був адекватний 14" моніторам, найбільш поширених на той час. Сьогодні найбільш переважні монітори з розміром діагоналі трубки 17", завдяки можливості виводити зображення з роздільною здатністю 1024х768 і більше.

Основною тенденцією при переході від VGA до малтімедіа прискорювачам була можливість розміщення якомога більше візуальної інформації на моніторі комп'ютера. Використання 3D графіки є логічним розвитком цієї тенденції. Величезні обсяги візуальної інформації можуть бути втиснуті в обмежений простір екрану монітора, якщо вона подається у тривимірному вигляді. Обробка тривимірної графіки в режимі реального часу дає можливість користувачеві легко оперувати представленими даними.

Ігрові двигуни (Games engines)

Перше правило комп'ютерних ігор- немає жодних правил. Традиційно, розробники ігор більше зацікавлені в крутій графіці своїх програм, ніж дотримання рекомендацій технарів. Незважаючи на те, що у розпорядженні розробників є безліч тривимірних API, наприклад - Direct3D, деякі програмісти йдуть шляхом створення власного 3D ігрового інтерфейсу або двигуна. Власні ігрові двигуни - один із шляхів для розробників домогтися неймовірної реалістичності зображення, фактично на межі можливостей графічного програмування.

Немає нічого бажанішого для розробника, ніж мати прямий доступ до апаратних функцій компонентів системи. Декілька відомих розробників створили свої власні ігрові двигуни, які працюють з оптимальним використанням апаратних прискорювачів графіки, які принесли їм популярність та гроші. Наприклад, двигуни Interplay для Descent II та id Software для Quake забезпечують справжню тривимірність дії, використовуючи наповню апаратні функції 3D, якщо вони доступні.

Графіка без компромісів

Розмови, що ведуться вже досить довгий час, про перспективи застосування тривимірної графіки в таких галузях, як розваги та бізнес, допредела підігріли інтерес потенційних користувачів, на ринку вже з'явився новий тип продуктів. Ці нові технологічні рішення поєднують у собі чудову підтримку 2D графіки, що відповідає сьогоднішнім вимогам до Windows акселлераторам, апаратну підтримку функцій 3D графіки та програють цифрове відео з необхідною частотою зміни кадрів.
В принципі, ці продукти можна сміливо віднести до нового покоління графічних підсистем, що забезпечують графіку без компромісів, що займають гідне місце стандартного обладнання настільних. обчислювальних системах.
Серед представників нового покоління можна назвати, як приклад, такі продукти:

  • процесор Ticket-To-Rideкомпанії Number Nine Visual Technologies
  • серія процесорів ViRGEкомпанії S3 Inc.
  • процесор RIVA128, розроблений спільно компаніями SGS Thomsonі nVidia

Технологія 3D-графіки

Нехай нам таки вдалося переконати Вас спробувати тривимірну графіку в дії (якщо Ви досі не зробили це), і Ви вирішили зіграти в одну із тривимірних ігор, призначених для застосування 3D-відеокарти.
Припустимо, такою грою виявився симулятор автомобільних перегонів, і Ваша машина вже стоїть на старті, готова поринути у підкорення нових рекордів. Іде передстартовий зворотний відлік, і Ви помічаєте, що вид з кабіни, що відображається на екрані монітора, трохи відрізняється від звичного.
Ви й раніше брали участь у подібних перегонах, але вперше зображення вражає Вас винятковим реалізмом, змушуючи повірити у дійсність того, що відбувається. Горизонт, разом із віддаленими об'єктами, тоне в ранковому серпанку. Дорога виглядає надзвичайно рівно, асфальт не набір брудно-сірих квадратів, а однотонне покриття з нанесеною дорожньою розміткою. Дерева вздовж дороги дійсно мають листяні крони, в яких, здається, можна розрізнити окреме листя. Від усього екрану в цілому складається враження як від якісної фотографії з реальною перспективою, а не як від жалюгідної спроби змоделювати реальність.

Спробуємо розібратися, які ж технічне рішеннядозволяють 3D-відеокартам передавати віртуальну дійсність з такою реалістичністю. Як образотворчим засобам PC вдалося досягти рівня професійних студій, що займаються тривимірною графікою.

Частина обчислювальних операцій, пов'язаних з відображенням та моделюванням тривимірного світу, перекладено тепер на 3D-акселератор, який є серцем 3D-відеокарти. Центральний процесор тепер практично зайнятий питаннями відображення, образ екрану формує відеокарта. В основі цього процесу лежить реалізація на апаратному рівні ефектів, а також застосування нескладного математичного апарату. Спробуємо розібратися, що саме вміє графічний 3D-процесор.

Повертаючись до нашого прикладу із симулятором перегонів, замислимося, яким чином досягається реалістичність відображення поверхонь дороги чи будівель, що стоять на узбіччі. І тому застосовується поширений метод, званий текстурування (texture mapping).
Це найпоширеніший ефект для моделювання поверхонь. Наприклад, фасад будівлі зажадав би відображення безлічі граней для моделювання безлічі цегли, вікон та дверей. Однак текстура (зображення, що накладається на всю поверхню відразу) дає більше реалізму, але вимагає менше обчислювальних ресурсів, оскільки дозволяє оперувати з усім фасадом як з єдиною поверхнею. Перед тим, як поверхні потрапляють на екран, вони текстуруються та затінюються. Усі текстури зберігаються у пам'яті, зазвичай встановленій на відеокарті. До речі, тут не можна не помітити, що застосування AGP уможливлює зберігання текстур в системної пам'яті, А її обсяг набагато більший.

Очевидно, що коли текстуруються поверхні, необхідний облік перспективи, наприклад, при відображенні дороги з розділювальною смугою, що йде за горизонт. Перспективна корекція необхідна у тому, щоб текстуровані об'єкти виглядали правильно. Вона гарантує, що бітмед правильно накладеться на різні частини об'єкта - і ті, які ближче до спостерігача, і на більш далекі.
Корекція з огляду на перспективу дуже трудомістка операція, тому нерідко можна зустріти не зовсім правильну її реалізацію.

При накладанні текстур, у принципі, також можна побачити шви між двома найближчими бітмэпами. Або, що буває частіше, у деяких іграх при зображенні дороги або довгих коридорів помітно мерехтіння під час руху. Для придушення цих труднощів застосовується фільтрація (зазвичай Bi або tri-лінійна).

Білінійна фільтрація – метод усунення спотворень зображення. При повільному обертанні або русі об'єкта можуть бути помітні перескакування пікселів з одного місця на інше, що викликає мерехтіння. Для зниження цього ефекту при білінійній фільтрації для відображення точки поверхні береться зважене середнє чотири суміжні текстурні пікселі.

Трилінійна фільтрація дещо складніша. Для отримання кожного пікселя зображення береться виважене середнє значення результатів двох рівнів фільтрації. Отримане зображення буде ще більш чітким і менш мерехтливим.

Текстури, за допомогою яких формується поверхня об'єкта, змінюють свій вигляд залежно від зміни відстані від об'єкта до очей глядача. При зображенні, що рухається, наприклад, у міру того, як об'єкт видаляється від глядача, текстурний бітмеп повинен зменшуватися в розмірах разом зі зменшенням розміру об'єкта, що відображається. Щоб це перетворення, графічний процесор перетворює бітмепи текстур до відповідного розміру покриття поверхні об'єкта, але у своїй зображення має залишатися природним, тобто. об'єкт повинен деформуватися непередбачуваним чином.

Для того, щоб уникнути непередбачених змін, більшість процесів, що управляють графікою, створюють серії передфільтрованих бітмепів текстур зі зменшеною роздільною здатністю, цей процес називається mip mapping . Потім графічна програма автоматично визначає, яку текстуру використовувати, ґрунтуючись на деталях зображення, яке вже виведено на екран. Відповідно, якщо об'єкт зменшується в розмірах, розмір текстурного бітмепа теж зменшується.

Але повернемося до нашого гоночного автомобіля. Сама дорога вже виглядає реалістично, але проблеми спостерігаються із її краями! Згадайте, як виглядає лінія, проведена на екрані, не паралельно його краю. Ось і біля нашої дороги з'являються "рвані краї". І для боротьби з цим недоліком зображення застосовується.

Рвані краї Рівні краї

Це спосіб обробки (інтерполяції) пікселів для більш чітких країв (кордонів) зображення (об'єкта). Найчастіше використовувана техніка - створення плавного переходу від кольору лінії чи краю до кольору тла. Колір точки, що лежить на межі об'єктів, визначається як середнє кольорів двох граничних точок. Однак у деяких випадках побічним ефектом anti-aliasing є змазування (blurring) країв.

Ми підходимо до ключового моментуфункціонування всіх 3D-алгоритмів. Припустимо, що трек, яким їздить наша гоночна машина, оточений великою кількістю різноманітних об'єктів - будівель, дерев, людей.
Тут перед 3D-процесором постає головна проблема, як визначити, які об'єкти знаходяться в області видимості, і як вони освітлені. Причому, знати, що мабуть у Наразінедостатньо. Необхідно мати інформацію про взаємне розташування об'єктів. Для розв'язання цього завдання застосовується метод, який називається z-буферизація . Це найнадійніший метод видалення прихованих поверхонь. У так званому z-буфері зберігаються значення глибини всіх пікселів (z-координати). Коли розраховується (рендерується) новий піксел, його глибина порівнюється зі значеннями, що зберігаються в z-буфері, а конкретніше з глибинами вже рендерованих пікселів з тими ж координатами x і y. Якщо новий піксел має значення глибини більше за будь-яке значення в z-буфері, новий піксел не записується в буфер для відображення, якщо менше - то записується.

Z-буферизація під час апаратної реалізації сильно збільшує продуктивність. Тим не менш, z-буфер займає великі обсяги пам'яті: наприклад, навіть при роздільній здатності 640x480 24-розрядний z-буфер займатиме близько 900 Кб. Ця пам'ять має бути також встановлена ​​на 3D-відеокарті.

Роздільна здатність z-буфера - найголовніший його атрибут. Вона критична для високоякісного відображення сцен із великою глибиною. Чим вище роздільна здатність, тим вище дискретність z-координат і точніше виконується рендеринг віддалених об'єктів. Якщо при рендерингу роздільної здатності не вистачає, то може статися, що два об'єкти, що перекриваються, отримають одну і ту ж координату z, в результаті апаратура не буде знати який об'єкт ближче до спостерігача, що може викликати спотворення зображення.
Для запобігання цим ефектам професійні плати мають 32-розрядний z-буфер і обладнуються великими обсягами пам'яті.

Крім перерахованих вище основ, тривимірні графічні плати зазвичай мають можливість відтворення деякої кількості додаткових функцій. Наприклад, якби Ви на своєму гоночному автомобілі в'їхали б у пісок, то огляд би не зміг піднятися пилом. Для реалізації таких та подібних ефектів застосовується fogging (затуманювання). Цей ефект утворюється за рахунок комбінування змішаних комп'ютерних колірних пікселів із кольором туману (fog) під керуванням функції, що визначає глибину затуманювання. За допомогою цього ж алгоритму далеко віддалені об'єкти занурюються в серпанок, створюючи ілюзію відстані.

Реальний світ складається з прозорих, напівпрозорих та непрозорих об'єктів. Для врахування цієї обставини застосовується alpha blending - спосіб передачі інформації про прозорість напівпрозорих об'єктів. Ефект напівпрозорості створюється шляхом поєднання кольору вихідного пікселя з пікселем, що вже знаходиться в буфері.
В результаті колір точки є комбінацією кольорів переднього та заднього плану. Зазвичай коефіцієнт alpha має нормалізоване значення від 0 до 1 для кожного кольорового пікселя. Новий піксел = (alpha) (колір піксела А) + (1 - alpha) (колір піксела В).

Очевидно, що для створення реалістичної картини того, що відбувається на екрані, необхідно часте оновленняйого вмісту. При формуванні кожного наступного кадру, 3D-акселератор проходить весь шлях підрахунку заново, тому він повинен мати неабияку швидкодію. Але в 3D-графіці застосовуються інші методи надання плавності руху. Ключовий - Double Buffering.
Уявіть собі старий трюк аніматорів, що малювали на куточках стопки паперу персонаж мультика, зі змінним положенням на кожному наступному аркуші. Прогорнувши весь стос, відгинаючи куточок, ми побачимо плавний рух нашого героя. Майже такий принцип роботи має і Double Buffering в 3D анімації, тобто. наступне становище персонажа вже намальовано, перш ніж поточна сторінка буде пролистана. Без застосування подвійний буферизаціїзображення нічого очікувати мати необхідної плавності, тобто. буде уривчастим. Для подвійної буферизації потрібна наявність двох областей, які зарезервовані в буфері кадрів тривимірної графічної плати; обидві області повинні відповідати розміру зображення, що відображається на екрані. Метод використовує два буфери для отримання зображення: один для відображення картинки, інший для візуалізації. Коли відображається вміст одного буфера, в іншому відбувається рендеринг. Коли черговий кадр оброблений, буфер перемикаються (змінюються місцями). Таким чином, граючий весь час бачить чудову картинку.

На закінчення обговорення алгоритмів, що застосовуються в 3D-графічних акселераторах, спробуємо розібратися, яким чином застосування всіх ефектів окремо дозволяє отримати цілісну картину. 3D-графіка реалізується за допомогою багатоступінчастого механізму, який називається конвеєром рендерингу.
Застосування конвеєрної обробки дозволяє прискорити виконання розрахунків за рахунок того, що обчислення для наступного об'єкта можуть бути розпочаті до закінчення обчислень попереднього.

Конвеєр рендерингу може бути розділений на 2 стадії: геометрична обробка та розтеризація.

На першій стадії геометричної обробки виконується перетворення координат (обертання, перенесення та масштабування всіх об'єктів), відсікання невидимих ​​частин об'єктів, розрахунок освітлення, визначення кольору кожної вершини з урахуванням усіх світлових джерел і процес розподілу зображення на більш дрібні форми. Для опису характеру поверхні об'єкта вона поділяється на різноманітні багатокутники.
Найчастіше при відображенні графічних об'єктів використовується розподіл на трикутники та чотирикутники, оскільки вони найлегше обраховуються і ними легко маніпулювати. При цьому координати об'єктів переводяться з речового в ціле уявлення для прискорення обчислень.

На другій стадії до зображення застосовуються всі описані ефекти наступної послідовності: видалення прихованих поверхонь, накладання з урахуванням перспективи текстур (використовуючи z-буфер), застосування ефектів туману і напівпрозорості, anti-aliasing. Після цього чергова точка вважається готовою до приміщення у буфер з наступного кадру.

З усього вищезгаданого можна зрозуміти, для яких цілей використовується пам'ять, встановлена ​​на платі 3D-акселератора. У ній зберігаються текстури, z-буфер та буфер наступного кадру. При використанні шини PCI використовувати для цих цілей звичайну оперативну пам'ять не можна, так як швидкодія відеокарти суттєво буде обмежена пропускною здатністюшини. Саме тому для розвитку 3D-графіки особливо перспективним є просування шини AGP, що дозволяє з'єднати 3D-чіп з процесором безпосередньо і тим самим організувати швидкий обмін даними з оперативною пам'яттю. Це рішення, до того ж, має здешевити тривимірні акселератори за рахунок того, що на борту плати залишиться лише трохи пам'яті для кадрового буфера.

Висновок

Повсюдне впровадження 3D-графіки викликало збільшення потужності комп'ютерів без істотного збільшення їхньої ціни. Користувачі приголомшені можливостями, що відкриваються, і прагнуть спробувати їх у себе на комп'ютерах. Багато нових 3D-карт дозволяють користувачам бачити тривимірну графіку в реальному часі на своїх домашніх комп'ютерах. Ці нові акселератори дозволяють додавати реалізм до зображень та прискорювати виведення графіки в обхід центрального процесора, спираючись на власні апаратні можливості.

Хоча в даний час тривимірні можливості використовуються тільки в іграх, здається, ділові програми також зможуть згодом отримати з них зиск. Наприклад, засоби автоматизованого проектування вже потребують виведення тривимірних об'єктів. Тепер створення та проектування буде можливим і на персональному комп'ютерізавдяки можливостям, що відкриваються. Тривимірна графіка, можливо, зможе змінити спосіб взаємодії людини з комп'ютером. Використання тривимірних інтерфейсів програм має зробити процес спілкування з комп'ютером ще більш простим, ніж зараз.

Тривимірна графіка не обов'язково включає проектування на площину.....

Енциклопедичний YouTube

    1 / 5

    ✪ Теорія 3D Графіки, урок 01 - Введення у 3D Графіку

    ✪ Комп'ютерна графіка у кіно

    ✪ Лекція 1 | Комп'ютерна графіка Віталій Галинський | Лекторіум

    ✪ 12 - Комп'ютерна графіка. Основні поняття комп'ютерної графіки

    ✪ Лекція 4 | Комп'ютерна графіка Віталій Галинський | Лекторіум

    Субтитри

Застосування

Тривимірна графіка активно застосовується для створення зображень на площині екрана або аркуша друкованої продукції в науці та промисловості, наприклад, в системах автоматизації проектних робіт (САПР; для створення твердотільних елементів: будівель, деталей машин, механізмів), архітектурної візуалізації (сюди відноситься і так звана «віртуальна археологія »), в сучасних системахмедичної візуалізації.

Найширше застосування - у багатьох сучасних комп'ютерних іграх, а також як елемент кінематографа, телебачення, друкованої продукції.

Тривимірна графіка зазвичай має справу з віртуальним, уявним тривимірним простором, що відображається на плоскій, двомірній поверхні дисплея або аркуша паперу. В даний час відомо кілька способів відображення тривимірної інформації в об'ємному вигляді, хоча більшість їх представляє об'ємні характеристики досить умовно, оскільки працюють зі стереозображенням. З цієї області можна відзначити стереоокуляри, віртуальні шоломи, 3D-дисплеї, здатні демонструвати тривимірне зображення. Декілька виробників продемонстрували готові до серійного виробництва тривимірні дисплеї. Однак і 3D-дисплеї, як і раніше, не дозволяють створювати повноцінної фізичної, відчутної копії математичної моделі, що створюється методами тривимірної графіки. Технології швидкого прототипування, що розвиваються з 1990-х років, ліквідують цю прогалину. Слід зазначити, що у технологіях швидкого прототипування використовується уявлення математичної моделі об'єкта як твердого тіла (воксельна модель).

створення

Для отримання тривимірного зображення на площині потрібні такі кроки:

  • моделювання- створення тривимірної математичної моделі сцени та об'єктів у ній;
  • текстурування- призначення поверхонь моделей растрових або процедурних текстур (має на увазі також налаштування властивостей матеріалів - прозорість, відображення, шорсткість тощо);
  • освітлення- встановлення та налаштування ;
  • анімація(у деяких випадках) – надання руху об'єктам;
  • динамічна симуляція(у деяких випадках) - автоматичний розрахунок взаємодії частинок, твердих/м'яких тіл тощо з модельованими силами гравітації, вітру, виштовхування та ін, а також один з одним;
  • рендеринг(візуалізація) - побудова проекції відповідно до обраної фізичної моделі;
  • композитинг(компонування) - доопрацювання зображення;
  • виведення отриманого зображення на пристрій - виводу - дисплей або спеціальний принтер.

Моделювання

Найбільш популярними пакетами суто для моделювання є:

  • Robert McNeel & Assoc. Rhinoceros 3D;

Для створення тривимірної моделі людини або істоти можна використовувати як прообраз (у більшості випадків) Скульптура .

Текстурування

SketchUp

Візуалізація тривимірної графіки в іграх та прикладних програмах

Існує ряд програмних бібліотек для візуалізації тривимірної графіки в прикладних програмах - DirectX, OpenGL і так далі.

Є ряд підходів щодо представлення 3D-графіки в іграх – повне 3D, псевдо-3D.

Такі пакети навіть не завжди дають користувачеві оперувати 3D-моделлю безпосередньо, наприклад, є пакет OpenSCAD, модель в якому формується виконанням скрипта, що формується користувачем, написаного спеціалізованою мовою.

Тривимірні дисплеї

Тривимірні або стереоскопічні дисплеї, (3D displays, 3D screens) - дисплеї, за допомогою стереоскопічного або будь-якого іншого ефекту, що створюють ілюзію реального об'єму у зображень, що демонструються.

В даний час переважна більшість тривимірних зображень показується за допомогою стереоскопічного ефекту, як найбільш легкого в реалізації, хоча використання однієї стереоскопії не можна назвати достатнім для об'ємного сприйняття. Людське око як у парі, так і поодинці однаково добре відрізняє об'ємні об'єкти від плоских зображень [ ] .

Цей вид комп'ютерної графіки увібрав дуже багато з векторної, а також з растрової комп'ютерної графіки. Застосовується вона розробки дизайн-проектів інтер'єру, архітектурних об'єктів, у рекламі, під час створення навчальних комп'ютерних програм, відео-роликів, наочних зображень деталей і виробів у машинобудуванні та інших.

Тривимірна комп'ютерна графікадозволяє створювати об'ємні тривимірні сцени з моделюванням умов освітлення та встановленням точок зору.

Для вивчення прийомів та засобів композиції, таких як передача простору, середовища, світлотіні, законів лінійної, повітряної та колірної перспективи тут очевидні переваги цього виду комп'ютерної графіки над векторною та растровою графікою. У тривимірній графіці зображення (або персонажі) моделюються та переміщаються в віртуальному просторі, в природному середовищі або в інтер'єрі, а їх анімація дозволяє побачити об'єкт з будь-якої точки зору, перемістити в штучно створеному середовищі та просторі, зрозуміло, при супроводі спеціальних ефектів.

Тривимірна комп'ютерна графіка, як і векторна, є об'єктно-орієнтованою, що дозволяє змінювати всі елементи тривимірної сцени, так і кожен об'єкт окремо. Цей вид комп'ютерної графіки має великі можливості для підтримки технічного креслення. За допомогою графічних редакторівтривимірної комп'ютерної графіки, наприклад Autodesk 3D Studio, можна виконувати наочні зображення деталей та виробів машинобудування, а також виконувати макетування будівель та архітектурних об'єктів, що вивчаються у відповідному розділі архітектурно-будівельного креслення. Поруч із може бути здійснено графічна підтримка таких розділів накреслювальної геометрії, як перспектива, аксонометрические і ортогональні проекції, т.к. принципи побудови зображень у тривимірній комп'ютерній графіці частково запозичені із них.

Для декоративно-ужиткового мистецтва тривимірна комп'ютерна графіка надає можливість макетування майбутніх виробів з передачею фактури та текстури матеріалів, з яких ці вироби будуть виконані. Можливість побачити з будь-яких точок зору макет виробу до його втілення в матеріалі дозволяє внести зміни та виправлення в його форму або пропорції, які можуть бути неможливими після початку роботи (наприклад, ювелірні вироби, декоративне лиття з металу та ін.). У тому напрямі тривимірна комп'ютерна графіка може бути використана підтримки скульптури, дизайну, художньої графіки та інших. Об'ємна тривимірна анімація і спецефекти також створюються засобами тривимірної графіки. Створення навчальних роликів для навчальних програм може стати основним застосуванням цих можливостей тривимірної комп'ютерної графіки.

До засобів роботи з тривимірною графікою відносять такий графічний редактор як 3D Studio MAX. Це один із найвідоміших тривимірних редакторів, він часто використовується при створенні фільмів. Розробка програми 3D Studio МАХбула розпочата у 1993 році. Версія 3D Studio МАХ 1.0вийшла 1995 року на платформі Windows NT.

Вже тоді деякі експерти обережно висловлювали думку, що МАХможе конкурувати коїться з іншими пакетами тривимірної графіки. Восени 2003 року discreetвипускає ЗD MAX 6. Нові інструменти анімації частинок у зв'язці з модулями дозволяють створювати фотореалістичні атмосферні ефекти. З'явилися вбудована підтримка крапельно-сітчастих об'єктів, повноцінна мережева візуалізація, імпорт даних з САD-Додатків, нові можливості для моделювання. Але крім 3D Studio MAXє й інші, не менш популярні програми тривимірного моделювання, наприклад Maya. Maya- це програма-аналог 3D Studio MAXАле вона призначена, в першу чергу, для анімації і для передачі міміки на особі тривимірного актора. Крім того, в Mayaзручніше малювати. 3D Studio MAXспрямований насамперед якісну візуалізацію предметів, ще ньому можна виконувати примітивні креслення.


Взагалі для креслення існують свої програми тривимірного моделювання, найвідоміші з них AutoCAD, ArhiCAD. AutoCADпризначений насамперед для машинобудівного креслення, а ArhiCADдля архітектурного моделювання.

Що ж потребує тривимірна графіка від людини?

Звичайно ж, вміння моделювати різні форми та конструкції за допомогою різних програмних засобів, а також знання ортогонального (прямокутного) та центрального проектування. Остання - називається перспективою. Дуже гарна якістьмоделювання досягається за допомогою ретельного підбору текстур та матеріалів у поєднанні з правильним розміщенням у сцені джерел освітлення та камер. Основою для побудови будь-якої просторової форми є площина та межа об'єкта. Площина в тривимірній графіці визначається за допомогою трьох точок, з'єднаних відрізками прямих ліній.

Саме ця умова дає можливість описати за допомогою одержуваних площин. «просторову сітку», Що являє собою модель об'єкта. Потім об'єкт додатково присвоюються характеристики поверхні об'єкта - матеріал. У свою чергу, матеріал характеризує якість поверхні, наприклад, полірована, шорстка, блискуча та ін. Описується та його текстура (камінь, тканина, скло та ін.). Задаються оптичні властивості, наприклад, прозорість, відображення або заломлення світлових променів і т.д.
Поряд з цим, тривимірному об'єкту можна задати умови освітлення та вибрати точку огляду (камеру) для отримання найцікавішого наочного зображення. Постановка, що складається з тривимірного об'єкта, умов освітлення та обраної точки зору, називається «тривимірною сценою». А ось для опису тривимірного простору та об'єкта, що знаходиться всередині нього, використовується добре вже знайомий Вам координатний метод.

Існують різні методимоделювання тривимірних об'єктів. Наприклад, метод текстового опису моделі за допомогою спеціальних мов програмування "Скрипт".

3D графіка – це процес створення об'ємної моделі за допомогою спеціальних комп'ютерних програм. Цей вид комп'ютерної графіки увібрав дуже багато з векторної, а також і з растрової комп'ютерної графіки. На основі креслень, малюнків, докладних описівабо будь-який інший графічний або текстової інформації, 3D-дизайнер створює об'ємне зображення.

У спеціальній програмімодель можна подивитися з усіх боків (згори, знизу, збоку), вбудувати на будь-яку площину та у будь-яке оточення. Тривимірна комп'ютерна графіка, як і векторна, є об'єктно-орієнтованою, що дозволяє змінювати всі елементи тривимірної сцени, так і кожен об'єкт окремо. Цей вид комп'ютерної графіки має великі можливості для підтримки технічного креслення. За допомогою графічних редакторів тривимірної комп'ютерної графіки можна виконувати наочні зображення деталей та виробів машинобудування, а також виконувати макетування будівель та архітектурних об'єктів, що вивчаються у відповідному розділі архітектурно-будівельного креслення. Поруч із може бути здійснена графічна підтримка таких розділів накреслювальної геометрії як, перспектива, аксонометрические і ортогональні проекції, т.к. принципи побудови зображень у тривимірній комп'ютерній графіці частково запозичені із них.

Тривимірна графіка може бути будь-якої складності. Ви можете створити просту тривимірну модель, з низькою деталізацією та спрощеною формою. Або ж це може бути складніша модель, в якій є проробка найдрібніших деталей, фактури, використані професійні прийоми (тіні, відображення, заломлення світла і так далі). Звісно, ​​це серйозно впливає вартість готової тривимірної моделі, проте дозволяє розширити застосування тривимірної моделі.

Де застосовується тривимірна графіка

Тривимірне моделювання (3d графіка) сьогодні застосовується у багатьох сферах. Звісно, ​​насамперед це будівництво. Це може бути модель майбутнього будинку, як приватної, так і багатоквартирної або офісної будівлі, та й взагалі будь-якого промислового об'єкта. Крім того, візуалізація активно застосовується у дизайн-проектах інтер'єрів.

3D моделі дуже популярні у сайтобудівництві. Для створення особливого ефекту деякі творці сайтів додають у дизайн не просто графічні елементи, а тривимірні моделі, іноді навіть анімовані. Програми та технології тривимірного моделювання широко застосовуються і у виробництві, наприклад, у виробництві корпусних меблів, і у будівництві, наприклад, для створення фотореалістичного дизайн-проекту майбутнього приміщення. Багато конструкторів вже давно перейшли від використання лінійки та олівця до сучасних тривимірних комп'ютерних програм. Поступово нові технології освоюють й інші компанії, передусім виробничі та торгові.

Звичайно, переважно тривимірні моделі використовуються в демонстраційних цілях. Вони є незамінними для презентацій, виставок, а також використовуються в роботі з клієнтами, коли необхідно наочно показати, яким буде підсумковий результат. Крім того, методи тривимірного моделювання потрібні там, де потрібно показати в обсязі вже готові об'єкти або об'єкти, які існували колись давно. Тривимірне моделювання це не лише майбутнє, а й минуле та сьогодення.

Переваги тривимірного моделювання

Переваг тривимірного моделювання перед іншими способами візуалізації досить багато. Тривимірне моделювання дає дуже точну модель максимально наближену до реальності. Сучасні програми допомагають досягти високої деталізації. При цьому значно збільшується наочність проекту. Виразити тривимірний об'єкт у двомірній площині не просто, тоді як 3D візуалізації дає можливість ретельно опрацювати і, що найголовніше, переглянути всі деталі. Це найбільш природний метод візуалізації.

У тривимірну модель легко вносити практично будь-які зміни. Ви можете змінювати проект, прибирати одні деталі та додавати нові. Ваша фантазія практично ні чим не обмежена, і ви зможете швидко вибрати саме той варіант, який підійде вам якнайкраще.

Однак тривимірне моделювання зручне не лише для клієнта. Професійні програмидають безліч переваг та виготовлювачу. З тривимірної моделі легко можна виділити креслення будь-яких компонентів або конструкції цілком. Незважаючи на те, що створення тривимірної моделі досить трудомісткий процес, працювати з ним надалі набагато простіше і зручніше ніж з традиційними кресленнями. Через війну значно скорочуються тимчасові видатки проектування, знижуються витрати.

Спеціальні програми дають можливість інтеграції з будь-яким іншим професійним програмним забезпеченням, наприклад, з програмами для інженерних розрахунків, програмами для верстатів або бухгалтерськими програмами. Впровадження подібних рішень на виробництві дає суттєву економію ресурсів, значно розширює можливості підприємства, спрощує роботу та підвищує її якість.

Програми для тривимірного моделювання

Існує досить велика кількість самих різних програмдля 3D-моделювання. Так, однією з популярних програм, які спеціально розроблені для створення тривимірної графіки та дизайну інтер'єрів, є програма 3D Studio MAX. Вона дозволяє реалістично візуалізувати об'єкти різної складності. Крім того, "3D Studio MAX" дає можливість компонувати їх, задавати траєкторії переміщень і зрештою навіть створювати повноцінне відео за участю тривимірних моделей. Хоча така робота, звичайно ж, вимагає у спеціаліста серйозних навичок, а також великих комп'ютерних ресурсів, насамперед обсягів пам'яті та швидкодії процесора.

Редактор Maya названо на честь санскритського слова, що означає ілюзію. Maya була розроблена Alias ​​Systems. У жовтні 2005 року компанія Alias ​​влилася до Autodesk. Maya частіше використовується для створення анімації та тривимірних ефектів у фільмах.