Трёхмерная графика
 | | |
|   | |
| | |
| | |
|  | |
| | |
Трёхмерная графика — раздел компьютерной графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для оперирования объектами в трёхмерном пространстве, а также результат работы таких программ. Больше всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке.
Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трёхмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ.
При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
Для получения трёхмерного изображения требуются следующие шаги:
- моделирование — создание математической модели сцены и объектов в ней.
- рендеринг — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.
Содержание |
Моделирование 
В сцене могут участвовать следующие типы объектов:
- источники света;
- геометрические примитивы (сфера, куб, конус, а также тела, описываемые квадратными и кубическими уравнениями);
- меши (группы связанных между собой «встык» треугольников, образующих иллюзию тела или поверхности среды);
- среды (жидкости в стаканах, газы, например, воздух в атмосфере, дымы);
Есть и концептуально более сложные типы, как, например, искажения пространства или системы частиц.
Задача трёхмерного моделирования — описать эти объекты и разместить их на сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.
Рендеринг
На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок, по одной для каждого кадра. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена по крайней мере тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга — это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане). Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе. Например:
- Z-буфер (используется в OpenGL);
- сканлайн (scanline) — расчёт цвета каждой точки картинки построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности.;
- трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing) — то же, что и сканлайн, но цвет пиксела уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых и т. д.) от точки пересечения луча взгляда;
- глобальная иллюминация (англ. global illumination, radiosity) — расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений
и другие.
Наиболее популярными системами рендеринга можно назвать Pixar RenderMan, VRay, YafRay, Brazil и Mental Ray.
Самые передовые достижения и идеи трёхмерной графики (и компьютерной графики вообще) докладываются и обсуждаются на ежегодном симпозиуме SIGGRAPH, традиционно проводимом в США.
Примеры изображений
Пример трёхмерного фотореалистичного изображения |
Пример моделирования в AutoCAD |
Программное обеспечение
Программные пакеты, позволяющие производить трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень разнообразны. Последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты: такие как Maya, Lightwave, 3DS Max, SoftImage XSI и сравнительно новые Rhinoceros 3D или Cinema 4D. Кроме того, уверенно набирают популярность и открытые продукты, распространяемые свободно, например, полнофункциональный пакет Blender (позволяет и производство моделей, и последующий рендеринг) и Wings3D (только создание моделей с возможностью последующего использования их другими программами).
Связь с физическим представлением трехмерных объектов
Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги. В настоящее время известно несколько способов отображения трехмерной информации в трехмерном виде Шаблон:Planned
Появление 3D−дисплеев, способных демонстрировать трехмерное изображение, уже не за горами. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трехмерные дисплеи. Но чтобы насладиться объемной картинкой, зрителю необходимо расположиться строго по центру. Шаг вправо, шаг влево, равно как и неосторожный поворот головы, карается превращением трехмерности в несимпатичное зазубренное изображение. Решение этой проблемы уже созрело в научных лабораториях. Германский Институт Фраунгофера демонстрировал 3D−дисплей, при помощи двух камер отслеживающий положение глаз зрителя и соответствующим образом подстраивающий изображение, в этом году пошел еще дальше. Теперь отслеживается положение не только глаз, но и пальца, которым можно «нажимать» трехмерные кнопки. Таким образом, становится возможным не только видеть объемную картинку, но и взаимодействовать с изображенными на ней предметами.
Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трехмерной графики.
Развивающиеся с 90х годов XX века технологии быстрого прототипирования ликвидируют этот пробел. Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твердого тела (так называемое твердотельное моделирование).
3d телевидение
В настоящее время появляются телевизоры, позволяющие видеть глубокое объемное изображение, не используя стереоскопические или иные очки. В будущем такие телевизоры смогут появиться в домах и будут предназначены для транляции телеканалов, а сейчас редкие экземпляры используются в основном для рекламы.
| | |
|   | |
| | |
| | |
|   | |
| | |
См. также
Литература
- Джеймс Ли, Брент Уэр "Трехмерная графика и анимация", 2-е издание : Пер. с англ. - М. : Издательский дом "Вильямс", 2002. - 640 стр. с ил.
- Дональд Херн, М. Паулин Бейкер "Компьютерная графика и стандарт OpenGL ", 3-е издание : Пер. с англ. - М. : Издательский дом "Вильямс", 2005. - 1168 стр. с ил.
- Эдвард Энджел "Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL ", 2-е издание : Пер. с англ. - М. : Издательский дом "Вильямс", 2001. - 592 стр. с ил.
Ссылки
- Blender3D — Русский веб-сайт по пакету Blender
- SoftimageRu — Русскоязычное сообщество пользователей пакета Softimage|XSI
- Fantasy art 3d wallpapers(англ.) — Коллекция трехмерной графики международных дизайнеров
- 3D design, 2D art software(англ.) — Большая подборка бесплатных 3D и 2D компьютерных программ
