Трехмерная графика

Трёхмерная графика

[править]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 14 июня 2012; проверки требуют 33 правки.

Пример 3D-графики

Трёхмерная графика (3D (от англ. 3 Dimensions — рус. 3 измерения) Graphics, Три измерения изображения) — разделкомпьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.

Трёхмерное изображение на плоскости  отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекциитрёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Содержание   [убрать]  1 Применение 2 Создание 2.1 Моделирование 2.2 Текстурирование 2.3 Освещение 2.4 Анимация 2.5 Рендеринг 3 Программное обеспечение 3.1 3D-моделирование фотореалистичных изображений 3.1.1 SketchUp 3.2 Визуализация трёхмерной графики в играх и прикладных программах 3.3 Моделирование деталей и механизмов для производства 4 Трёхмерные дисплеи 4.1 Стереоскопические дисплеи 4.2 Наголовные дисплеи, видеоочки 4.3 Прочие дисплеи 5 Кинотеатры с 3D 6 Дополненная реальность и 3D 7 См. также 8 Примечания 9 Литература

[править]Применение

Трёхмерная графика активно  применяется для создания изображений  на плоскости экрана или листа  печатной продукции в науке и промышленности, например в системах автоматизации проектных работ (САПР; для создания твердотельных элементов: зданий, деталей машин, механизмов), архитектурной визуализации (сюда относится и так называемая «виртуальная археология»), в современных системах медицинской визуализации. 
Самое широкое применение — во многих современных компьютерных играх. 
Также как элемент кинематографа, телевидения, печатной продукции.

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 объемном виде, хотя большинство из них представляет объёмные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трехмерное изображение. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трёхмерные дисплеи^[1]. Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать полноценной физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трехмерной графики. Развивающиеся с 1990-х годов технологии быстрого прототипирования ликвидируют этот пробел. Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твердого тела (воксельная модель).

[править]Создание

Для получения трёхмерного изображения  на плоскости требуются следующие  шаги:

• Моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней;
• Текстурирование — назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов — прозрачность, отражения, шероховатость и пр.);
• Освещение — установка и настройка источников света;
• Анимация (в некоторых случаях) — придание движения объектам;
• Динамическая симуляция (в некоторых случаях) — автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра,выталкивания и др., а также друг с другом;
• Рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью;
• вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или принтер.

[править]Моделирование

Схема проецирования сцены на экран  компьютера

Моделирование сцены (виртуального пространства моделирования) включает в себя несколько категорий объектов:

• Геометрия (построенная с помощью различных техник (напр., создание полигональной сетки) модель, например здание);
• Материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон);
• Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения);
• Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции);
• Силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации);
• Дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)

Задача трёхмерного моделирования — описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

Назначение материалов: для сенсора реальной фотокамеры материалы объектов реального мира отличаются по признаку того, как они отражают, пропускают и рассеивают свет; виртуальным материалам задается соответствие свойств реальных материалов — прозрачность, отражения, рассеивания света, шероховатость, рельеф и пр.

Наиболее популярными пакетами сугубо для моделирования являются:

• Pixologic Zbrush;
• Autodesk Mudbox;
• Robert McNeel & Assoc. Rhinoceros 3D;
• Google SketchUp.

Для создания трехмерной модели человека или существа может быть использована, как прообраз (в большинстве случаев) Скульптура.

[править]Текстурирование

Текстурирование подразумевает проецирование растровых или процедурных текстур на поверхности трехмерного объекта в соответствии с картой UV-координат, где каждой вершине объекта ставится в соответствие определенная координата на двухмерном пространстве текстуры.

Как правило, многофункциональные  редакторы UV-координат входят в состав универсальных пакетов трехмерной графики. Существуют также автономные и подключаемые редакторы от независимых  разработчиков, например Unfold3D magic, Deep UV, Unwrella и др.

[править]Освещение

Заключается в создании, направлении  и настройке виртуальных источников света. При этом, в виртуальном  мире источники света могут иметь  негативную интенсивность, отбирая  свет из зоны своего "отрицательного освещения". Как правило, пакеты 3D графики предоставляют следующие  типы источников освещения:

• Omni light (Point light) — всенаправленный;
• Spot light — конический (прожектор), источник расходящихся лучей;
• Directional light — источник параллельных лучей;
• Area light (Plane light) — световой портал, излучающий свет из плоскости;
• Photometric — источники света, моделируемые по параметрам яркости свечения в физически измеримых единицах, с заданной температурой накала.

Существуют также другие типы источников света, отличающиеся по своему функциональному  предназначению в разных программах трехмерной графики и визуализации. некоторые пакеты предоставляют возможности создавать источники объемного свечения (Sphere light) или объемного освещения (Volume light), в пределах строго заданного объёма. Некоторые предоставляют возможность использовать геометрические объекты произвольной формы.

[править]Анимация

Одно из главных призваний трехмерной графики — придание движения (анимация) трехмерной модели, либо имитация движения среди трехмерных объектов. Универсальные пакеты трехмерной графики обладают весьма богатыми возможностями по созданию анимации. Существуют также узкоспециализированные программы, созданные сугубо для анимации и обладающие очень ограниченным набором инструментов моделирования:

• Autodesk MotionBuilder
• PMG Messiah Studio

[править]Рендеринг

Основная статья: Рендеринг

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок — кадров. 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 и DirectX 10);
• Сканлайн (scanline) — он же Ray casting («бросание луча», упрощенный алгоритм обратной трассировки лучей) — 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 (иногда с учётом освещения и т. д.);
• 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. Несмотря на название, применяется только обратная трассировка лучей (то есть как раз от наблюдателя к источнику света), прямая крайне неэффективна и потребляет слишком много ресурсов для получения качественной картинки;
• Глобальное освещение (англ. global illumination, radiosity) — расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений.

Грань между алгоритмами трассировки  лучей в настоящее время практически  стёрлась. Так, в 3D Studio Max стандартный визуализатор называется Default scanline renderer, но он считает не только вклад диффузного, отражённого и собственного (цвета самосвечения) света, но и сглаженные тени. По этой причине, чаще понятие Raycasting относится к обратной трассировке лучей, а Raytracing — к прямой.

Наиболее популярными системами  рендеринга являются:

• PhotoRealistic RenderMan (PRMan)
• mental ray
• V-Ray
• FinalRender
• Brazil R/S
• BusyRay
• Turtle
• Maxwell Render
• Fryrender
• Indigo Renderer
• LuxRender
• YafaRay
• POV-Ray

Вследствие большого объёма однотипных вычислений рендеринг можно разбивать на потоки (распараллеливать). Поэтому для рендеринга весьма актуально использованиемногопроцессорных систем. В последнее время активно ведётся разработка систем рендеринга использующих GPU вместо CPU, и уже сегодня их эффективность для таких вычислений намного выше. К таким системам относятся:

• Refractive Software Octane Render
• AAA studio FurryBall
• RandomControl ARION (гибридная)

Многие производители систем рендеринга для CPU также планируют ввести поддержку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).

Самые передовые достижения и идеи трёхмерной графики (и компьютерной графики вообще) докладываются и  обсуждаются на ежегодном симпозиуме SIGGRAPH, традиционно проводимом в США.

[править]Программное обеспечение

[править]3D-моделирование фотореалистичных изображений

Программные пакеты, позволяющие создавать 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:

• Autodesk 3ds Max
• Autodesk Maya
• Autodesk Softimage
• Cinema 4D
• Houdini
• Modo
• LightWave 3D
• Caligari Truespace