Трехмерная графика — это графика, которая использует трехмерное представление геометрических фигур (часто декартовых), хранящихся в компьютере для двумерных расчетов и целей визуализации. Эти изображения можно сохранить для последующего просмотра или просмотра в реальном времени.
Что это такое?
Трехмерная компьютерная графика основана на многих из тех же алгоритмов, что и двухмерная векторная компьютерная графика в каркасной модели и двухмерная растровая компьютерная графика в окончательном отображаемом изображении. В приложениях компьютерной графики 2D-программы могут использовать 3D-методы для создания аналогичных эффектов (например, освещения), а 3D-модели могут использовать методы 2D-рендеринга.
3D-графику часто называют 3D-моделями. Помимо визуализированного изображения, модель содержится в файле графических данных. Однако есть отличия: 3D-модель — это математическое представление 3D-объекта. Технически это не графика, пока не отобразится. Его можно визуально отобразить как двумерное изображение с помощью процесса, называемого 3D-рендерингом, или использовать в симуляциях и неграфических расчетах.
При 3D-печати эти модели аналогичным образом преобразуются в физическое 3D-представление с ограничениями на точность визуализации виртуальной модели.
История технологии
Система 3D-графики имеет довольно долгую историю. Уильям Феттер получил термин «компьютерная графика» с 1961 года, чтобы описать его работу в Boeing. Одной из первых работ в стиле компьютерной анимации стала Futureworld (1976), в которой были анимированы человеческое лицо и рука. Эта технология впервые появилась в экспериментальном короткометражном фильме 1972 года «Компьютерная анимированная рука», созданном студентами Университета Юты Эдвином Кэтмоллом и Фредом Парком. С этого момента трехмерная графика является революционной технологией, которая очень активно начала развиваться и по сей день.
Программное обеспечение для 3D-графики начало появляться для домашних компьютеров в конце 1970-х годов. Самый ранний известный пример — 3D Art Graphics, набор эффектов 3D компьютерной графики, написанный Казумасой Митазава и выпущенный в июне 1978 года для Apple II.
Как это делается?
Создание 3D-графики делится на три основных этапа:
- Макет и анимация — размещайте и перемещайте объекты внутри сцены.
- 3D-моделирование — это процесс создания компьютерной модели, которая визуализирует форму объекта.
- 3D-рендеринг — это компьютеризированный расчет, который генерирует изображение на основе положения источника света, типов поверхности и других свойств.
Моделирование
Моделирование описывает процесс создания формы объекта. Двумя наиболее распространенными источниками 3D-моделей являются:
- те, которые художник или инженер создает на компьютере с помощью какого-либо инструмента трехмерного моделирования;
- модели, сканированные в компьютер с реальных объектов.
Они также могут быть изготовлены процедурно или с помощью физического моделирования. По сути, 3D-модель создается из точек, называемых вершинами, которые определяют форму и образуют многоугольники. Для этого используется построение трехмерных графов.
Многоугольник — это область, состоящая как минимум из трех вершин (треугольник). В свою очередь, многоугольник из n точек — это n-угольник. Целостность модели в целом и ее пригодность для анимации зависят от ее структуры. Чтобы она работала, нужно правильно построить трехмерную диаграмму.
Процесс моделирования
Есть три распространенных метода представления модели. Они различаются следующим образом:
- Моделирование кривых: поверхности определяются кривыми, на которые влияют взвешенные контрольные точки. Кривая следует (но не обязательно интерполирует) по точкам. Увеличение веса на одну точку приблизит кривую к ней. Типы кривых включают неоднородные рациональные B-сплайны (NURBS), участки, сплайны и геометрические примитивы.
- Полигональные — точки в трехмерном пространстве, называемые вершинами, соединяются линейными сегментами, образуя полигональную сетку. Большинство современных 3D-моделей строятся как текстурированные многоугольники, потому что они гибкие и могут очень быстро отображаться на компьютере. Однако многоугольники плоские и могут аппроксимировать криволинейные поверхности только с помощью многоугольников.
- Цифровое моделирование все еще является относительно новым методом моделирования. В последние годы он стал очень популярным.
Сегодня существует три типа цифрового моделирования:
- Объемный, слабо основан на вокселях, который имеет аналогичные возможности смещения, но не страдает от растяжения краев, когда не хватает точек для достижения деформации объекта.
- Чаще всего используется смещение в приложениях. В этой точке применяется плотная модель (часто генерируемая из поверхностей подразделения полигональной управляющей сетки), которая сохраняет новые позиции для позиций вершин с использованием карты изображения, в которой хранятся скорректированные позиции.
- Динамическая тесселяция похожа на воксели, но разделяет поверхность с помощью триангуляции для сохранения гладкости поверхности и получения более мелких деталей.
Моделирование можно выполнить с помощью специальной программы (например, Cinema 4D, 3ds Max, Maya, Blender, Modo, LightWave) или компонента приложения (Shaper, Lofter в 3ds Max) или с помощью языка описания сцены (как в POV- луч)… Иногда между этими фазами нет четкого различия. В этих случаях моделирование трехмерной графики является лишь частью процесса создания сцены.
Сложные материалы, такие как движущийся песок, облака и брызги жидкости, моделируются с помощью систем частиц и представляют собой массу трехмерных координат, назначенных точкам, многоугольникам, текстурам или спиралям.
Материалы и текстуры
Материалы и текстуры — это свойства, используемые механизмом рендеринга для создания модели. В беспристрастном движке рендеринга, таком как петли блендера, вы можете указать движку материалы модели. Например, вы можете настроить обработку света при попадании на поверхность.
Текстуры используются для раскрашивания материала с помощью цветовой карты или альбедо или для добавления поверхностных элементов с помощью рельефа или карты нормалей. Его также можно использовать для изменения формы самой модели с помощью карты смещения. Несмотря на то, что эти процессы создаются посредством построения трехмерной графики, они оказывают сильное влияние.
Макет и анимация
Объекты должны быть вставлены в композицию перед рендерингом в изображение. Это определяет пространственные отношения между различными объектами, включая их размер и положение. Анимация — это временное описание объекта (то есть того, как он перемещается и деформируется с течением времени). Общие методы включают кадрирование, обратную кинематику и захват движения. Эти методы часто используются в комбинации и напрямую влияют на производительность 3D. Как и в случае с анимацией, физика также имитирует движение.
Что такое рендеринг?
Рендеринг преобразует модель в изображение, моделируя передачу света для фотореалистичных изображений или применяя художественный стиль, например нефотореалистичный рендеринг.
В реалистичном рендеринге две основные операции — это передача (сколько света попадает из одного места в другое) и диффузия (взаимодействие поверхностей со светом).
Обычно этот шаг выполняется с помощью программного обеспечения для трехмерной компьютерной графики или API. Редактирование сцены до визуализируемой формы также включает в себя трехмерную проекцию, которая отображает трехмерное изображение в двух измерениях. Хотя программное обеспечение для 3D-моделирования и САПР также может выполнять 3D-рендеринг (например, Autodesk 3DS Max или Blender), существует также уникальное программное обеспечение для 3D-рендеринга.
Программное обеспечение
Программы трехмерной графики создают компьютерные изображения (CGI), используя трехмерное моделирование и рендеринг. Или они создают модели для аналитических, научных и промышленных целей.
Приложения для 3D-моделирования — это класс программного обеспечения для компьютерной 3D-графики, используемого для создания 3D-моделей. Отдельные программы этого класса называются службами моделирования или разработчиками моделей.
Эти сервисы позволяют пользователям создавать и изменять модели с помощью трехмерной сетки. Это позволяет художникам вычитать, добавлять, растягивать и иным образом изменять сетку по своему усмотрению. Модели можно рассматривать под разными углами, обычно одновременно. Их можно поворачивать, а также увеличивать и уменьшать масштаб изображения.
Большая часть программного обеспечения для 3D включает в себя ряд связанных опций, таких как трассировка лучей и другие альтернативы рендеринга и сопоставления текстур. Некоторые из них также предлагают функции, которые поддерживают или позволяют анимацию модели. Некоторые из них могут создавать видео с полным движением из серии визуализированных сцен (т. Е. Анимаций).
Системы автоматизированного проектирования
Трехмерная графика — это результат взаимодействия различных сервисов. Программное обеспечение САПР может использовать те же фундаментальные методы, что и само программное обеспечение для моделирования, но их цель иная. Они используются в автоматизированном проектировании, автоматизированном производстве, анализе методом конечных элементов, управлении жизненным циклом продукта, 3D-печати и автоматизированном архитектурном проектировании.
Дополнительные инструменты
После создания видео студии редактируют или объединяют его с помощью таких программ, как Adobe Premiere Pro или Final Cut Pro на промежуточном уровне или Autodesk Combustion, Digital Fusion или Shake на более высоком уровне. Программное обеспечение для согласования движений обычно используется для редактирования в реальном времени компьютерных видео и синхронизирует их по мере движения камеры.
Сообщества
Есть много веб-сайтов, посвященных разработчикам программного обеспечения, но есть и любительские ресурсы. Эти сообщества позволяют участникам спрашивать совета, публиковать учебные материалы, предоставлять обзоры продуктов или публиковать примеры своей работы.
Отличия от других видов компьютерной графики
Не вся компьютерная графика, которая появляется в 3D, основана на каркасах. Его 2D-версия с фотореалистичными 3D-эффектами часто достигается без каркасного моделирования и иногда неотличима в окончательном виде. Некоторые графические программы включают фильтры, которые можно применять к 2D-векторной графике или 2D-растровым изображениям на прозрачных слоях. Визуальные художники также могут копировать или визуализировать 3D-изображения и вручную создавать фотореалистичные эффекты без использования фильтров.
Однако для реального 3D-режима в видео и анимации очень часто требуется специальное оборудование (очки) для лучшего просмотра.
Псевдо-3D и настоящее 3D
В некоторых видеоиграх используются ограниченные проекции трехмерной среды, такие как изометрическая графика или виртуальные камеры с фиксированным углом, разработанные для повышения производительности игрового движка или для стилистических и игровых целей. Считается, что в этих играх используется псевдо-3D графика.
Производительность 3D-графики и смоделированных игр существенно различается.