Тривимірна графіка-це що таке?

Тривимірна графіка-це графіка, яка використовує 3-мірне представлення геометричних фігур (часто декартових), що зберігаються в комп`ютері для цілей обчислення та візуалізації двовимірних зображень. Такі картинки 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 двовимірна комп`ютерна векторна в каркасній моделі, і двовимірна комп`ютерна растрова в остаточному відображеному 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 візуалізованого зображення, модель міститься в графічному файлі даних. Однак існують відмінності: тривимірна модель-це математичне представлення якогось тривимірного об`єкта. Вона технічно не є графікою, поки не відображається. Вона може відображатися візуально у вигляді двовимірного зображення за допомогою процесу, званого 3D-рендерингом, або використовуватися в неграфічних комп`ютерних симуляціях і обчисленнях.

При 3d-друку ці моделі аналогічно перетворюються на тривимірне фізичне зображення з обмеженнями щодо того, наскільки точним може бути візуалізація 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, створеній студентами Університету Юти Едвіном Кетмуллом та Фредом парком. З того моменту тривимірна графіка - це проривна технологія, яка стала розвиватися дуже активно по теперішній час.

ПЗ 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 основні етапи:

• 3D-моделювання-являє собою процес створення комп`ютерної моделі, що відображає форму об`єкта.
• Макет і анімація-розміщення і переміщення об`єктів всередині сцени.
• 3D - рендеринг-комп`ютерні обчислення, які на основі розташування світла, типів поверхні та інших якостей генерують зображення.

Моделювання

Моделювання описує процес створення форми об`єкта. Два найбільш поширеними джерелами тривимірних моделей є наступні:

• ті, які художник або інженер створюють на комп`ютері за допомогою якогось тривимірного інструменту 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 створюється з точок, званих вершинами, які визначають форму і формують багатокутники. Для цього використовується побудова тривимірних графіків.

Багатокутник-це область, утворена щонайменше з трьох вершин (трикутник). У свою чергу, багатокутник з n-точок - це n-кутник. Цілісність моделі в загальному, і її придатність для анімації залежать від її структури. Щоб вона була функціональною, потрібно правильно побудувати тривимірний графік.

Процес моделювання

Існує три поширені методи представлення моделі. Вони відрізняються так:

• Полігональне-точки в тривимірному просторі, звані 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 лише наблизитися до кривих поверхонь, використовуючи багато багатокутників.
• Моделювання кривих-поверхні визначаються кривими, на які впливають Зважені контрольні точки. Крива слідує (але не обов`язково інтерполює) точки. Збільшення ваги для точки притягне криву ближче до неї. Типи кривих включають неоднорідний раціональний B-сплайн( NURBS), патчі, сплайни та Геометричні примітиви.
• Цифрове - досі відносно новий метод моделювання. Воно стало дуже популярним за останні кілька років.

Сьогодні існує три типи цифрового моделювання:

• Зміщення, яке найбільш широко використовується в додатках. У цей момент застосовується щільна модель (часто генерується поверхнями підрозділів багатокутної керуючої сітки), яка зберігає нові місця розташування для положень вершин за допомогою карти зображень, в якій зберігаються скориговані місця розташування.
• Об`ємний, вільно заснований на вокселях, який має подібні можливості зміщення, але не страждає від розтягування меж, коли недостатньо точок для досягнення деформації об`єкта.
• Динамічна тесселяція схожа на вокселі, але вона розділяє поверхню за допомогою тріангуляції для підтримки гладкої 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 за допомогою деякої мови опису сцени (як в POV-Ray). Іноді немає суворої різниці між цими фазами. У даних випадках моделювання тривимірної графіки-це тільки частина процесу створення сцени.

Складні матеріали, такі як рухомий пісок, хмари та бризки рідини, моделюються за допомогою систем частинок і являють собою масу тривимірних координат, яким призначені точки, багатокутники, текстури або спіралі.

Матеріали та текстури

Матеріали та текстури-це властивості, які механізм візуалізації використовує для створення моделі. У неупередженому механізмі 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 видозмінити саму модель за формою, використовуючи карту зміщення. Незважаючи на те що вона створюється за допомогою побудови тривимірних графіків, ці процеси роблять сильний вплив.

Макет та анімація

Перед рендерингом в зображення об`єкти повинні бути розміщені в композиції. Це визначає просторові співвідношення між різними об`єктами, включаючи їх розмір та розташування. Анімація являє собою тимчасовий опис об`єкта (тобто як він рухається і деформується в часі). Поширені методи включають обрізання, зворотну кінематику та захоплення руху. Ці способи часто використовуються в поєднанні, і безпосередньо впливають на продуктивність тривимірної графіки. Як і у випадку з анімацією, фізичне моделювання задає також і рух.

Що таке рендеринг?

Рендеринг перетворює модель на зображення за допомогою імітації перенесення світла для отримання фотореалістичних зображень або шляхом застосування художнього стилю, як при нефотореалістичному рендерингу.

У реалістичному візуалізації двома основними операціями є перенесення (скільки світла потрапляє з одного місця в інше) та розсіювання (взаємодія поверхонь зі світлом).

Як правило, даний крок виконується з використанням програмне забезпечення для комп`ютерної 3D-графіки або API-інтерфейсу для неї. Зміна сцени у форму, придатну для візуалізації, також включає тривимірну проекцію, що відображає 3-мірне зображення у двох вимірах. Хоча за 3D-моделювання і САПР також можуть виконувати 3D-рендеринг (наприклад, Autodesk 3ds Max або Blender), також існує ексклюзивне програмне забезпечення 3D-рендеринга.

Програмне забезпечення

Програми для тривимірної графіки створюють комп`ютерні зображення (CGI) за допомогою 3D-моделювання та рендеринга. Або створюють моделі для аналітичних, наукових та промислових цілей.

Додатки для 3D-моделювання-це клас ПО для комп`ютерної тривимірної графіки, використовуваної 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, як правило, одночасно. Їх можна обертати, а вид-збільшувати і зменшувати.

Більшість 3D-програм включають в себе ряд пов`язаних опцій, наприклад, трасувальники променів та інші альтернативи рендеринга і засоби накладення текстур. Деякі з них також пропонують функції, які підтримують або дозволяють анімацію моделей. Ряд з них можуть бути в змозі генерувати відео з повним рухом з серії візуалізованих сцен (тобто анімації).

Системи автоматизованого проектування

Тривимірна графіка-це результат взаємодії різних сервісів. Програмне забезпечення для автоматизованого проектування може використовувати ті ж фундаментальні методи, що і ПО для самого моделювання, але їх мета різна. Вони використовуються в комп`ютерному проектуванні, автоматизованому виробництві, аналізі кінцевих елементів, управлінні життєвим циклом виробу, 3D-друку та 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 відображення рухомих зображень зазвичай використовується для монтажу в режимі реального часу з відео, створеним комп`ютером, і синхронізує їх під час руху камери.

Товариство

Існує безліч веб-сайтів, призначених для розробників ПЗ, але є і окремі аматорські ресурси. Ці спільноти дозволяють учасникам звертатися за порадою, розміщувати навчальні посібники, надавати огляди продуктів або публікувати приклади 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 невиразна в остаточному вигляді. Деякі графічні програми включають фільтри, які можна застосувати до двовимірної векторної або двовимірної растрової графіки на прозорих шарах. Візуальні художники також можуть копіювати або візуалізувати 3D-зображення та створювати фотореалістичні ефекти вручну без використання фільтрів.

Однак справжній режим тривимірної графіки у відео та анімації найчастіше вимагає спеціального обладнання (окулярів) 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 для стилістичних та ігрових завдань. Вважається, що такі ігри використовують псевдо - 3D графіку.

Продуктивність тривимірної графіки та ігор, створених за допомогою моделювання, істотно відрізняється.