Spôsoby, ako dosiahnuť realizmus v trojrozmernej grafike. Technológie 3D realizmu Etapy tvorby 3D obrazu

Na zvýšenie realizmu zobrazenia textúr prekrývajúcich sa s polygónmi sa používajú rôzne technológie:

Vyhladzovanie (vyhladzovanie);

· mapovanie MIP;

Filtrovanie textúry.

Technológia anti-aliasing

Anti-aliasing je technológia používaná pri spracovaní obrazu na elimináciu efektu „odstupňovaných“ hrán (aliasingu) objektov. Pri rastrovej metóde vytvárania obrazu sa skladá z pixelov. Vzhľadom na to, že pixely majú konečnú veľkosť, možno na okrajoch trojrozmerných objektov rozlíšiť takzvané schody alebo stupňovité hrany. Ak chcete minimalizovať efekt schodiska, najjednoduchším spôsobom je zvýšiť rozlíšenie obrazovky, čím sa zníži veľkosť pixelov. Ale táto cesta nie je vždy možná. Ak sa nemôžete zbaviť efektu schodov zvýšením rozlíšenia monitora, môžete použiť technológiu Anti-aliasing, ktorá vám umožní vizuálne vyhladiť efekt schodov. Najčastejšie používanou technikou na tento účel je vytvorenie hladkého prechodu z farby čiary alebo okraja na farbu pozadia. Farba bodu ležiaceho na hranici objektov je definovaná ako priemerná hodnota farieb dvoch hraničných bodov.

Existuje niekoľko základných anti-aliasingových technológií. Prvýkrát sa o najkvalitnejší výsledok postarala celoobrazovková antialiasingová technológia FSAA (Full Screen Anti-Aliasing). V niektorých literárnych zdrojoch sa táto technológia nazýva SSAA. Podstata tejto technológie spočíva v tom, že procesor vypočíta obrazový rámec s oveľa vyšším rozlíšením, ako je rozlíšenie obrazovky, a potom, keď sa zobrazí na obrazovke, spriemeruje hodnoty skupiny pixelov na jeden; počet spriemerovaných pixelov zodpovedá rozlíšeniu obrazovky monitora. Ak je napríklad snímka s rozlíšením 800 x 600 vyhladená pomocou FSAA, obraz sa vypočíta s rozlíšením 1 600 x 1 200. Pri prepnutí na rozlíšenie monitora sa spriemerujú farby štyroch vypočítaných bodov zodpovedajúcich jednému pixelu monitora. Vďaka tomu majú všetky línie plynulé farebné prechody, čo vizuálne eliminuje efekt schodov.

FSAA robí veľa zbytočnej práce, načítava GPU, vyhladzuje nie okraje, ale celý obraz, čo je jeho hlavný nedostatok. Na odstránenie tohto nedostatku bola vyvinutá ekonomickejšia technológia MSSA.

Podstata technológie MSSA je podobná technológii FSAA, no s pixelmi vo vnútri polygónov sa nevykonávajú žiadne výpočty. Pre pixely na hraniciach objektov sa v závislosti od úrovne vyhladenia vypočítajú 4 alebo viac dodatočných bodov, podľa ktorých je určená konečná farba pixelu. Táto technológia je v súčasnosti najrozšírenejšia.

Individuálny vývoj výrobcov video adaptérov je známy. NVIDIA napríklad vyvinula technológiu Coverage Sampling (CSAA), ktorú podporujú iba grafické adaptéry GeForce počnúc 8. sériou (8600 - 8800, 9600 - 9800). ATI zaviedla do grafického procesora R520 AAA (Adaptive Anti-Aliasing) a všetky následné adaptívne anti-aliasing.

Technológia mapovania MIP

Táto technológia sa používa na zlepšenie kvality textúrovania 3D objektov. Pre dodanie realizmu do trojrozmerného obrazu je potrebné vziať do úvahy hĺbku scény. Keď sa budete vzďaľovať od hľadiska, textúra prekrytia by mala vyzerať čoraz viac rozmazane. Preto sa pri textúrovaní aj homogénneho povrchu najčastejšie používa nie jedna, ale niekoľko textúr, čo umožňuje správne zohľadniť perspektívne skreslenia trojrozmerného objektu.

Napríklad je potrebné zobraziť dláždenú dlažbu, ktorá zasahuje hlboko do scény. Ak sa pokúsite použiť len jednu textúru po celej dĺžke, potom, ako sa budete vzďaľovať od hľadiska, sa môžu objaviť vlnky alebo len jedna plná farba. Faktom je, že v tejto situácii niekoľko pixelov textúry (texelov) spadne do jedného pixelu na monitore naraz. Vynára sa otázka: v prospech toho, ktorý texel si vybrať pri zobrazovaní pixelu?

Táto úloha je riešená pomocou technológie mapovania MIP, čo znamená možnosť použitia sady textúr s rôznou úrovňou detailov. Na základe každej textúry sa vytvorí sada textúr s nižšou úrovňou detailov. Textúry takejto sady sa nazývajú MIP - mapy (MIP mapa).

V najjednoduchšom prípade mapovania textúr sa pre každý obrazový pixel určí zodpovedajúca mapa MIP podľa tabuľky LOD (Level of Detail). Ďalej sa z mapy MIP vyberie iba jeden texel, ktorého farba je priradená pixelu.

Filtračné technológie

Spravidla sa technológia mapovania MIP používa v kombinácii s filtračnými technológiami určenými na korekciu artefaktov mip-texturing. Napríklad, keď sa objekt vzďaľuje od pohľadu, dochádza k prechodu z nízkej úrovne mapy MIP na vyššiu úroveň mapy MIP. Keď je objekt v prechodnom stave z jednej úrovne mapy MIP na druhú, objaví sa špeciálny typ chyby vizualizácie: jasne rozlíšiteľné hranice prechodu z jednej úrovne mapy MIP na druhú.

Myšlienka filtrovania spočíva v tom, že farba pixelov objektu sa vypočíta zo susedných bodov textúry (texelov).

Prvou metódou filtrovania textúr bolo takzvané bodové vzorkovanie, ktoré sa v modernej 3D grafike nepoužíva. Ďalší bol vyvinutý bilineárne filtrácia. Bilineárne filtrovanie používa vážený priemer štyroch susedných pixelov textúry na zobrazenie bodu na povrchu. Pri takomto filtrovaní je kvalita pomaly rotujúcich alebo pomaly sa pohybujúcich objektov s hranami (napríklad kocky) nízka (rozmazané okraje).

Viac vysoká kvalita dáva trilineárne filtrovanie, pri ktorom sa na určenie farby pixelu berie priemerná farebná hodnota ôsmich texelov, štyroch z dvoch susedných štruktúr, a ako výsledok siedmich operácií prelínania sa určí farba pixelu.

S rastom výkonu GPU, a anizotropný filtrácia, ktorá sa doteraz úspešne aplikovala. Pri určovaní farby bodu využíva veľké množstvo texelov a zohľadňuje polohu polygónov. Úroveň anizotropného filtrovania je určená počtom texelov, ktoré sú spracované pri výpočte farby pixelu: 2x (16 texelov), 4x (32 texelov), 8x (64 texelov), 16x (128 texelov). Toto filtrovanie zaisťuje vysokú kvalitu zobrazovaného pohyblivého obrazu.

Všetky tieto algoritmy implementuje grafický procesor grafickej karty.

Aplikačné programové rozhranie (API)

Pre urýchlenie vykonávania etáp 3D pipeline musí mať 3D grafický akcelerátor určitú sadu funkcií, t.j. hardvér, bez účasti CPU, vykonajte operácie potrebné na vytvorenie 3D obrazu. Súbor týchto funkcií je najdôležitejšou charakteristikou 3D akcelerátora.

Keďže 3D akcelerátor má vlastnú sadu príkazov, môže byť efektívne použitý len vtedy, ak aplikačný program používa tieto príkazy. Ale keďže existuje veľa rôznych modelov 3D akcelerátorov, ako aj rôznych aplikačných programov, ktoré generujú trojrozmerné obrázky, vzniká problém s kompatibilitou: nie je možné napísať taký program, ktorý by rovnako dobre využíval nízkoúrovňové príkazy rôznych urýchľovače. Je zrejmé, že vývojári aplikačného softvéru aj výrobcovia 3D akcelerátorov potrebujú špeciálny balík nástrojov, ktorý vykonáva nasledujúce funkcie:

efektívna konverzia požiadaviek aplikačného programu do optimalizovanej sekvencie nízkoúrovňových príkazov 3D akcelerátora, berúc do úvahy zvláštnosti jeho hardvérovej konštrukcie;

softvérová emulácia požadovaných funkcií, ak použitý akcelerátor nemá ich hardvérovú podporu.

Špeciálny balík nástrojov na vykonávanie týchto funkcií sa nazýva Prgramovacie prostredie aplikácií (Rozhranie aplikačného programu = API).

API zaujíma medziľahlú pozíciu medzi aplikačnými programami na vysokej úrovni a nízkoúrovňové príkazy urýchľovač, ktoré sú generované jeho ovládačom. Použitie API zbavuje vývojárov aplikácií potreby pracovať s nízkoúrovňovými príkazmi akcelerátora, čo uľahčuje proces vytvárania programov.

V súčasnosti existuje niekoľko rozhraní API v 3D, ktorých rozsah je celkom jasne vymedzený:

DirectX, vyvinutý spoločnosťou Microsoft, používaný v herných aplikáciách bežiacich na operačných systémoch Windows 9X a novších;

OpenGL, používa sa najmä v profesionálnych aplikáciách (počítačom podporované konštrukčné systémy, 3D modelovacie systémy, simulátory atď.) operačný systém Windows NT;

Proprietárne (natívne) API vytvorili výrobcovia 3D akcelerátorov výhradne pre ich čipsety s cieľom čo najefektívnejšie využiť ich schopnosti.

DirectX je vysoko regulovaný, uzavretý štandard, ktorý neumožňuje zmeny až do vydania jeho ďalšieho, Nová verzia. Na jednej strane to obmedzuje možnosti vývojárov softvéru a najmä výrobcov akcelerátorov, no výrazne to zjednodušuje užívateľovi nastavenie softvéru a hardvéru pre 3D.

Na rozdiel od DirectX je OpenGL API postavené na koncepte otvoreného štandardu s malou základnou sadou funkcií a mnohými rozšíreniami, ktoré implementujú komplexnejšie funkcie. Výrobca Chipset 3D akcelerátora je povinný vytvoriť BIOS a ovládače, ktoré vykonávajú základné funkcie Open GL, ale nie je povinný poskytovať podporu pre všetky rozšírenia. To spôsobuje množstvo problémov spojených s písaním ovládačov pre ich produkty výrobcami, ktoré sú dodávané v plnej aj skrátenej forme.

Plná verzia Ovládač kompatibilný s OpenGL sa nazýva ICD (Installable Client Driver – ovládač klientskej aplikácie). Poskytuje maximálny výkon, tk. obsahuje nízkoúrovňové kódy, ktoré poskytujú podporu nielen pre základnú sadu funkcií, ale aj pre jej rozšírenia. Prirodzene, ak vezmeme do úvahy koncepciu OpenGL, vytvorenie takéhoto ovládača je mimoriadne zložitý a časovo náročný proces. To je jeden z dôvodov, prečo sú profesionálne 3D akcelerátory drahšie ako herné.

Konštrukcia realistických obrazov zahŕňa fyzické aj psychické procesy. Svetlo, teda elektromagnetická energia, sa po interakcii s prostredím dostáva do oka, kde v dôsledku fyzikálnych a chemických reakcií vznikajú elektrické impulzy, ktoré vníma mozog. Vnímanie je nadobudnutá vlastnosť. Ľudské oko je veľmi komplexný systém. Má takmer guľovitý tvar s priemerom asi 20 mm. Z experimentov je známe, že citlivosť oka na jas svetla sa mení podľa logaritmického zákona. Hranice citlivosti na jas sú extrémne široké, rádovo 10 10, no oko nie je schopné súčasne vnímať celý rozsah. Oko reaguje na oveľa menší rozsah hodnôt vo vzťahu k jasu, rozložených okolo úrovne adaptácie svetla.

Rýchlosť adaptácie na jas nie je rovnaká pre rôzne časti sietnice, ale napriek tomu je veľmi vysoká. Oko sa prispôsobí „priemernému“ jasu sledovanej scény; preto sa oblasť s konštantným jasom (intenzitou) javí na tmavom pozadí jasnejšie alebo svetlejšie ako na svetlom pozadí. Tento jav sa nazýva simultánny kontrast.

Ďalšou vlastnosťou oka relevantného pre počítačovú grafiku je, že okraje oblasti s konštantnou intenzitou sa zdajú byť jasnejšie, čo spôsobuje, že oblasti konštantnej intenzity sú vnímané ako oblasti s premenlivou intenzitou. Tento jav sa nazýva efekt Machovho pásma podľa rakúskeho fyzika Ernesta Macha, ktorý ho objavil. Machov efekt sa pozoruje, keď sa sklon krivky intenzity náhle zmení. Ak je krivka intenzity konkávna, potom sa povrch v tomto mieste zdá svetlejší, ak je konvexný, je tmavší. (Obrázok 1.1)

Ryža. 1.1. Machov efekt: (a) po častiach lineárna funkcia intenzity, (b) funkcia intenzity so spojitou prvou deriváciou.

1.1 Jednoduchý model osvetlenia.

Svetelná energia dopadajúca na povrch môže byť absorbovaná, odrážaná alebo prenášaná. Čiastočne sa absorbuje a premieňa na teplo a čiastočne sa odráža alebo prenáša. Predmet je možné vidieť iba vtedy, ak odráža alebo prenáša svetlo; ak predmet pohltí všetko dopadajúce svetlo, potom je neviditeľný a nazýva sa čierne teleso. Množstvo absorbovanej, odrazenej alebo prenesenej energie závisí od vlnovej dĺžky svetla. Pri osvetlení bielym svetlom, pri ktorom je intenzita všetkých vlnových dĺžok znížená približne rovnako, sa objekt javí ako sivý. Ak je takmer všetko svetlo absorbované, potom sa objekt javí ako čierny, a ak je len jeho malá časť biela. Ak sú absorbované len určité vlnové dĺžky, potom sa zmení rozloženie energie svetla vychádzajúceho z objektu a objekt sa javí ako farebný. Farba objektu je určená absorbovanými vlnovými dĺžkami.

Vlastnosti odrazeného svetla závisia od štruktúry, smeru a tvaru svetelného zdroja, od orientácie a vlastností povrchu. Svetlo odrazené od objektu môže byť tiež rozptýlené alebo zrkadlové. Difúzny odraz svetla nastáva, keď sa zdá, že svetlo preniká pod povrch objektu, je absorbované a potom znovu vyžarované. V tomto prípade nezáleží na polohe pozorovateľa, pretože difúzne odrazené svetlo je rozptýlené rovnomerne do všetkých smerov. Zrkadlový odraz vychádza z vonkajšieho povrchu objektu.

Obr.1.2. Lambertov difúzny odraz

Povrch objektov vykreslený pomocou jednoduchého lambertovského modelu difúzneho odrazového osvetlenia (obrázok 1.2) vyzerá vyblednutý a matný. Predpokladá sa, že zdrojom je bod, takže objekty, ktoré nie sú priamo zasiahnuté svetlom, sa javia ako čierne. Na objekty reálnych scén však pôsobí aj rozptýlené svetlo odrazené od okolia, napríklad od stien miestnosti. Rozptýlené svetlo zodpovedá distribuovanému zdroju. Keďže výpočet takýchto zdrojov si vyžaduje veľké výpočtové náklady, v počítačovej grafike ich nahrádza koeficient rozptylu.

Nech sú dané dva objekty, rovnako orientované vzhľadom na zdroj, ale umiestnené v rôznych vzdialenostiach od neho. Ak zistíte ich intenzitu podľa tohto vzorca, potom to bude rovnaké. To znamená, že keď sa objekty prekrývajú, nemožno ich rozlíšiť, hoci intenzita svetla je nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti od zdroja a objekt ďalej od neho by mal byť tmavší. Ak predpokladáme, že zdroj svetla je v nekonečne, potom sa difúzny člen modelu osvetlenia zmení na nulu. V prípade perspektívnej transformácie scény možno vzdialenosť od projekčného stredu k objektu brať ako faktor proporcionality pre difúzny člen.

Ak však stred projekcie leží blízko objektu, potom pre objekty ležiace približne v rovnakej vzdialenosti od zdroja je rozdiel v intenzitách príliš veľký. Ako ukazujú skúsenosti, väčší realizmus možno dosiahnuť lineárnym útlmom. V tomto prípade vyzerá model osvetlenia takto (obr. 1.3.)

Obr.1.3. Zrkadlový odraz.

Ak sa predpokladá, že bod pozorovania je v nekonečne, potom je určený polohou objektu najbližšie k bodu pozorovania. To znamená, že najbližší objekt je osvetlený plnou intenzitou zdroja a vzdialenejšie objekty zníženou intenzitou. Pre farebné povrchy sa model osvetlenia aplikuje na každú z troch základných farieb.

V dôsledku zrkadlového odrazu na lesklých predmetoch sa objavujú odrazy svetla. Vzhľadom na skutočnosť, že zrkadlovo odrazené svetlo je zaostrené pozdĺž vektora odrazu, oslnenie sa pohybuje aj pri pohybe pozorovateľa. Navyše, keďže sa svetlo odráža od vonkajšieho povrchu (s výnimkou kovov a niektorých pevných farbív), odrazený lúč si zachováva vlastnosti dopadajúceho lúča. Napríklad, keď je lesklý modrý povrch osvetlený bielym svetlom, objavia sa biele, nie modré odlesky.

Transparentnosť

V hlavných modeloch osvetlenia a algoritmoch na odstraňovanie skrytých čiar a povrchov sa berú do úvahy iba nepriehľadné povrchy a objekty. Existujú však aj priehľadné predmety, ktoré prepúšťajú svetlo, ako napríklad sklo, váza, okno auta, či voda. Pri prechode z jedného média do druhého, napríklad zo vzduchu do vody, sa svetelný lúč láme; preto sa zdá, že palica trčiaca z vody je ohnutá. Lom sa vypočíta podľa Snellovho zákona, ktorý hovorí, že dopadajúce a lámavé lúče ležia v rovnakej rovine a uhly dopadu a lomu sú spojené pomocou vzorca.

Žiadna látka neprepúšťa všetko dopadajúce svetlo, časť z neho sa vždy odráža; je to znázornené aj na (obr.1.4.)

Obr.1.4 Geometria lomu.

Rovnako ako odraz, aj prenos môže byť zrkadlový (smerový) alebo difúzny. Smerový prenos je charakteristický pre priehľadné látky, ako je sklo. Ak sa pozriete na objekt cez takúto látku, potom, s výnimkou obrysových čiar zakrivených plôch, nedôjde k žiadnemu skresleniu. Ak sa svetlo pri prechode látkou rozptýli, potom máme difúzny prenos. Takéto látky sa javia ako priesvitné alebo nepriehľadné. Ak sa pozriete na predmet cez takúto látku, bude vyzerať rozmazane alebo skreslene.

Tiene

Ak sú polohy pozorovateľa a zdroja svetla rovnaké, potom tiene nie sú viditeľné, ale objavia sa, keď sa pozorovateľ presunie do akéhokoľvek iného bodu. Obrázok so zabudovanými tieňmi vyzerá oveľa realistickejšie a tiene sú navyše pri modelovaní veľmi dôležité. Napríklad oblasť, ktorá nás obzvlášť zaujíma, môže byť neviditeľná, pretože spadá do tieňa. V aplikovaných oblastiach - konštrukcia, vývoj kozmických lodí atď. - tiene ovplyvňujú výpočet dopadajúcej slnečnej energie, vykurovania a klimatizácie.

Pozorovania ukazujú, že tieň sa skladá z dvoch častí: polotieň a úplný tieň. Úplný tieň je centrálna, tmavá, ostro ohraničená časť a penumbra je svetlejšia časť, ktorá ho obklopuje. V počítačovej grafike sa zvyčajne uvažuje o bodových zdrojoch, ktoré vytvárajú len totálny tieň. Rozložené zdroje svetla konečnej veľkosti vytvárajú. tieň aj polotieň: v úplnom tieni nie je vôbec žiadne svetlo a polotieň je osvetlený časťou distribuovaného zdroja. Z dôvodu vysokých výpočtových nákladov sa spravidla berie do úvahy iba celkový tieň tvorený bodovým zdrojom svetla. Zložitosť a následne aj cena výpočtov závisí aj od polohy zdroja. Je to najjednoduchšie, keď je zdroj v nekonečne a tiene sú definované pomocou ortogonálnej projekcie. Je to ťažšie, ak je zdroj umiestnený v konečnej vzdialenosti, ale mimo zorného poľa; tu je potrebná perspektívna projekcia. Najťažší prípad je, keď je zdroj v zornom poli. Potom je potrebné rozdeliť priestor na sektory a hľadať tiene zvlášť pre každý sektor.

Aby bolo možné skonštruovať tiene, musíme v podstate odstrániť neviditeľné povrchy dvakrát: pre polohu každého zdroja a pre polohu pozorovateľa alebo hľadiska, t. j. ide o dvojkrokový proces. Zvážte scénu na obr. 1.5. Jeden zdroj je v nekonečne hore: vpredu naľavo od krabice. Pozorovací bod leží vpredu: vpravo hore od objektu. V tomto prípade sa tiene vytvárajú dvoma spôsobmi: je to vlastný tieň a projekčný tieň. Vlastný tieň sa získa, keď samotný objekt bráni svetlu dopadať na niektoré zo svojich plôch, napríklad na pravú stranu rovnobežnostena. Algoritmus na vytváranie tieňov je zároveň podobný algoritmu na odstraňovanie tvárí bez tváre: tváre zatienené vlastným tieňom nie sú tvárové, ak je bod pozorovania zarovnaný so zdrojom svetla.

Obr.1.5 Tiene.

Ak jeden objekt bráni svetlu dostať sa k druhému, potom sa získa projekčný tieň, napríklad tieň na vodorovnej rovine (obr. 1.5, b.) Ak chcete nájsť takéto tiene, musíte vytvoriť projekcie všetkých predných plôch na scénu. Stred projekcie je pri svetelnom zdroji. Priesečníky premietnutej plochy so všetkými ostatnými rovinami tvoria polygóny, ktoré sú označené ako tieňové polygóny a vstupujú do dátovej štruktúry. Aby ste do nej nezaviedli príliš veľa polygónov, môžete namiesto jednotlivých tvárí premietnuť obrys každého objektu.

Po pridaní tieňov do dátovej štruktúry sa ako obvykle vytvorí pohľad na scénu z daného pohľadu. Všimnite si, že na vytvorenie rôznych pohľadov nemusíte tiene prepočítavať, pretože závisia len od polohy zdroja a nezávisia od polohy pozorovateľa.

Vývoj algoritmov

Zakladatelia počítačovej grafiky vyvinuli určitý koncept: vytvoriť trojrozmerný obraz na základe súboru geometrických tvarov. Zvyčajne sa na tento účel používajú trojuholníky, menej často - gule alebo paraboloidy. Geometrické tvary sú plné, pričom geometria popredia zakrýva geometriu pozadia. Potom prišiel vývoj virtuálneho osvetlenia, ktoré vytvorilo ploché, tienisté oblasti na virtuálnych objektoch, ktoré poskytli počítačovým obrazom jasné kontúry a trochu umelý vzhľad.

Henry Gouraud navrhol spriemerovať sfarbenie medzi rohmi, aby sa dosiahol hladší obraz. Táto forma anti-aliasingu vyžaduje minimálne výpočty a v súčasnosti ju používa väčšina grafických kariet. Ale v čase jeho vynálezu v roku 1971 mohli počítače týmto spôsobom vykresliť len najjednoduchšie scény.

V roku 1974 predstavil Ed Catmull koncept Z-bufferu, ktorého podstatou bolo, že obraz môže pozostávať z horizontálnych (X) a vertikálnych (Y) prvkov, pričom každý z nich má aj hĺbku. Týmto spôsobom sa urýchlil proces odstraňovania skrytých hrán a teraz je táto metóda štandardom pre trojrozmerné urýchľovače. Ďalším vynálezom spoločnosti Catmull bolo obalenie 2D obrazu okolo 3D geometrie. Premietanie textúry na povrch je primárnym spôsobom, ako dodať 3D objektu realistický vzhľad. Objekty boli spočiatku jednotne maľované jednou farbou, takže napríklad vytvorenie tehlovej steny si vyžadovalo individuálne modelovanie každej tehly a výplň medzi nimi. V súčasnosti môžete vytvoriť takúto stenu priradením bitmapy tehlovej steny k jednoduchému obdĺžnikovému objektu. Tento proces vyžaduje minimálne množstvo výpočtových a počítačových zdrojov, nehovoriac o výraznom skrátení prevádzkového času.

Wu Tong Fong vylepšil Gouraudov princíp antialiasingu interpoláciou odtieňov celého povrchu mnohouholníka, nielen oblastí susediacich priamo s okrajmi. Aj keď je vykresľovanie v tomto prípade stokrát pomalšie ako pri predchádzajúcej verzii antialiasingu, objekty vďaka tomu získajú „plastový“ vzhľad, ktorý je vlastný ranej počítačovej animácii. Maya používa dve možnosti farbenia Phong.

James Blinn v roku 1976 skombinoval prvky Phongovho sfarbenia a projekcie textúry, aby vytvoril reliéfnu textúru. Ak má povrch aplikovaný Phong anti-aliasing a môžete naň premietnuť mapu textúry, prečo nepoužiť odtiene šedej podľa smeru normál k okrajom na vytvorenie efektu hrbole? Svetlejšie odtiene šedej sú vnímané ako vyvýšeniny a tmavšie ako depresie. Geometria objektu zostáva nezmenená a môžete vidieť jeho siluetu.

Blinn tiež vyvinul metódu na používanie environmentálnych máp na vytváranie odrazov. Navrhol vytvoriť kubické prostredie vykreslením šiestich projekcií zo stredu objektu. Takto získané snímky sa následne premietajú späť na objekt, avšak s pevnými súradnicami, v dôsledku čoho sa obraz s objektom nepohybuje. V dôsledku toho bude povrch objektu odrážať prostredie. Pre úspešnú realizáciu efektu je potrebné, aby počas procesu animácie nedochádzalo k rýchlemu pohybu objektov prostredia. V roku 1980 Turner Whitted navrhol novú vizualizačnú techniku ​​nazývanú sledovanie. Ide o sledovanie dráh jednotlivých svetelných lúčov od svetelného zdroja k objektívu fotoaparátu, pričom sa berie do úvahy ich odraz od objektov na scéne a lom v priehľadných médiách. Aj keď implementácia tejto metódy vyžaduje značné množstvo počítačových zdrojov, obraz je veľmi realistický a presný.

Začiatkom osemdesiatych rokov, keď sa počítače začali viac používať v rôznych oblastiach činnosti, sa začali pokúšať aplikovať počítačovú grafiku na oblasť zábavy vrátane kina. Na tento účel bol použitý špeciálny hardvér a vysokovýkonné počítače, ale začalo sa. V polovici 80. rokov SGI začala vyrábať vysokovýkonné pracovné stanice pre vedecký výskum a počítačovú grafiku.

Spoločnosť Alias ​​bola založená v roku 1984 v Toronte. Toto meno má dva významy. Po prvé, prekladá sa ako „pseudonym“, pretože v tých časoch boli zakladatelia spoločnosti nútení pracovať na čiastočný úväzok. Po druhé, tento výraz sa používa na opis zubatých okrajov obrazu v počítačovej grafike. Spočiatku sa spoločnosť zameriavala na vydávanie softvéru. určené na modelovanie a vytváranie zložitých povrchov. Potom vznikol Power Animator, výkonný a drahý produkt, ktorý mnohí výrobcovia považovali za najlepší dostupný v tej dobe.

V roku 1984 bola v Saita Barbara založená spoločnosť Wavefront. Tento názov sa doslova prekladá ako čelo vlny. Spoločnosť okamžite začala vyvíjať softvér pre 3D vizuálne efekty a produkovať grafické úvody pre televízne programy Showtime, Bravo a National Geographic Explorer. Prvá aplikácia vytvorená Wave-front sa volala Preview. Potom, v roku 1988, bol vydaný Softimage, ktorý si rýchlo získal popularitu na trhu produktov určených na prácu s počítačovou grafikou. Všetok softvér a hardvér používaný na vytváranie animácií v 80. rokoch bol špecializovaný a veľmi drahý. Na konci 80. rokov bolo na svete len niekoľko tisíc ľudí, ktorí sa zaoberali modelovaním vizuálnych efektov. Takmer všetci pracovali na počítačoch vyrábaných spoločnosťou Silicon Graphics a používali softvér od Wavefront, Softimage atď.

Vďaka nástupu osobných počítačov začal rásť počet ľudí, ktorí sa podieľali na tvorbe počítačovej animácie. IBM PC, Amiga, Macintosh a dokonca Atari začali vyvíjať 3D zobrazovací softvér. V roku 1986 spoločnosť AT&T vydala prvý animačný balík pre osobný počítač s názvom TOPAS. Stál 10 000 dolárov a bežal na počítačoch s procesorom Intel 286 a operačným systémom DOS. Vďaka týmto počítačom bolo možné vytvárať voľnú animáciu napriek primitívnej grafike a relatívne nízkej rýchlosti výpočtov. Nasledujúci rok Apple Macintosh vydal ďalší 3D grafický systém založený na osobnom počítači s názvom Electric Image. V roku 1990 začal AutoDesk predávať 3D Studio, produkt vytvorený skupinou Yost, nezávislým tímom, ktorý vyvíjal grafické produkty pre Atari. Náklady na 3D Studio boli iba 3 000 dolárov, čo z neho v očiach používateľov osobných počítačov urobilo dôstojného konkurenta balíka TOPAS. O rok neskôr prišiel NewTek Video Toaster spolu s ľahko použiteľným softvérom LightWave. Na prácu s nimi boli potrebné počítače Amiga. Tieto programy boli na trhu veľmi žiadané a predali tisíce kópií. Začiatkom 90. rokov sa tvorba počítačovej animácie stala dostupnou pre široké spektrum používateľov. Každý mohol experimentovať s efektmi animácie a sledovania. Teraz si môžete zadarmo stiahnuť program Vivid od Stevena Coya, ktorý vám umožňuje reprodukovať efekty sledovania, alebo program Persistence of Vision Raytracer, známejší ako POVRay. Ten poskytuje deťom a začínajúcim používateľom skvelú príležitosť zoznámiť sa so základmi počítačovej grafiky.

Filmy s úžasnými špeciálnymi efektmi demonštrujú novú etapu vo vývoji počítačovej grafiky a vizualizácie. Bohužiaľ, väčšina používateľov verí, že vytváranie pôsobivých animácií úplne závisí od výkonu počítača. Táto mylná predstava existuje dodnes.

Keďže trh s 3D aplikáciami rastie a konkurencia rastie, mnohé spoločnosti konsolidovali svoje technológie. V roku 1993 sa Wavefront spojil so spoločnosťou Thompson Digital Images, ktorá využívala modelovanie kriviek NURBS a interaktívne vykresľovanie. Neskôr tieto funkcie vytvorili základ interaktívneho fotorealistického vykresľovania v Mayoch. V roku 1994 Microsoft kúpil Softimage a vydal verziu produktu pre platformy Windows NT založenú na počítačoch Pentium. Túto udalosť možno považovať za začiatok éry lacných a pre priemerného používateľa osobných počítačov dostupných programov na prácu s trojrozmernou grafikou. V reakcii na to spoločnosť SGI v roku 1995 kúpila a zlúčila spoločnosti Alias ​​​​ a Wavefront, aby zabránila poklesu záujmu o aplikácie, ktoré bežia výlučne na vyhradených počítačoch SGI. Takmer okamžite začala nová spoločnosť s názvom Alias] Wavefront kombinovať technológie, ktoré mala k dispozícii, aby vytvorila úplne nový program. Nakoniec, Maya bola vydaná v roku 1998 za cenu medzi 15 000 a 30 000 $ pre operačný systém IRIX na pracovných staniciach SGI. Program bol napísaný od začiatku a ponúkal nový spôsob vývoja animácie s otvoreným aplikačným programovacím rozhraním (API) a obrovskou rozšíriteľnosťou. Napriek pôvodnému zámeru SGI zachovať si výhradné právo poskytovať prostredie pre Maya, vo februári 1999 sa objavila verzia pre Windows NT. Stará cenová schéma bola zrušená a základný balík Maya teraz stojí iba 7 500 dolárov. Maya 2 sa objavila v apríli toho istého roku a Maya 2.5 sa objavila v novembri, obsahujúca modul Paint Effects (Drawing Effects). V lete 2000 bola vydaná Maya 3, ktorá pridala možnosť vytvárať nelineárne animácie pomocou nástroja Trix (Editing videa). Začiatkom roku 2001 boli oznámené verzie Maya pre Linux a Macintosh a Maya 4 pre IRIX a Windows NT/2000 sa začala dodávať v júni.

Maya je program na vytváranie 3D grafiky a animácií na základe modelov vytvorených používateľom vo virtuálnom priestore, osvetlených virtuálnymi zdrojmi svetla a prezeraných cez šošovky virtuálnych kamier. Existujú dve hlavné verzie programu: Maya Complete (7 500 USD v čase písania) a Maya Unlimited (16 000 USD), ktorá obsahuje niektoré špecifické funkcie. Maya beží na počítačoch so systémom Windows NT/2000, ako aj na operačných systémoch Linux, IRIX alebo dokonca Macintosh. Program umožňuje vytvárať fotorealistické bitmapové obrázky, podobné tým, ktoré získate digitálnym fotoaparátom. Zároveň práca na akejkoľvek scéne začína prázdnym priestorom. Parameter lu-th sa môže časom meniť, výsledkom čoho je animovaná scéna po vykreslení sady snímok.

Maya prekonáva mnohé z balíkov 3D animácií, ktoré sú v súčasnosti na trhu. Program sa používa na vytváranie efektov vo veľkom počte filmov, má širokú škálu aplikácií v oblastiach, ktoré sme uviedli vyššie, a je považovaný za jeden z najlepších v oblasti animácie, napriek tomu, že je ťažké sa ho naučiť. V súčasnosti sú hlavnými konkurentmi Maya LightWave, Softimage XSI a 3ds max, ktoré stoja od 2 000 do 7 000 USD. Softvér pod 1 000 USD zahŕňa trueSpace, Inspire 3D, Cinema 4D, Vguce a Animation Master.

Väčšina z týchto programov funguje dobre na osobných počítačoch a má verzie pre rôzne operačné systémy, ako napríklad Macintosh. Je pomerne ťažké ich porovnávať, ale v zásade platí, že čím je program zložitejší, tým zložitejšiu animáciu umožňuje vytvárať a tým ľahšie modelovať zložité objekty alebo procesy.

3D zobrazovanie

S rastom výpočtového výkonu a dostupnosťou pamäťových prvkov, s príchodom vysokokvalitných grafických terminálov a výstupných zariadení bola vyvinutá veľká skupina algoritmov a softvérových riešení, ktoré umožňujú vytvárať na obrazovke obraz, ktorý predstavuje určitú trojrozmernú scénu. Prvé takéto riešenia boli určené pre úlohy architektonického a mechanického dizajnu.

Pri vytváraní trojrozmerného obrazu (statického alebo dynamického) sa uvažuje o jeho konštrukcii v rámci určitého súradnicového priestoru, ktorý je tzv. etapa. Javisko znamená prácu v trojrozmernom, trojrozmernom svete – preto sa smer nazýval trojrozmerná (3-dimenzionálna, 3D) grafika.

Na javisko sú umiestnené samostatné objekty, tvorené geometrickými objemovými telesami a rezmi zložitých plôch (najčastejšie tzv. B-splines). Na vytvorenie obrazu a vykonávanie ďalších operácií sú plochy rozdelené na trojuholníky - minimálne ploché obrazce - a sú ďalej spracované presne ako súbor trojuholníkov.

V ďalšej fáze" sveta” súradnice uzlov mriežky sa prepočítavajú pomocou maticových transformácií na súradnice špecifické, t.j. v závislosti od uhla pohľadu na scénu. Pozícia pohľadu, zvyčajne tzv polohu kamery.

Pracovný priestor prípravného systému
Blender 3D grafiky (príklad zo stránky
http://www.blender.org)

Po formovaní rám(„drôtená sieť“) tienenie- dávajúci povrchom predmetov nejaké vlastnosti. Vlastnosti povrchu sú primárne určené jeho svetelnými charakteristikami: svietivosť, odrazivosť, pohltivosť a schopnosť rozptylu. Tento súbor charakteristík umožňuje definovať materiál, ktorého povrch sa modeluje (kov, plast, sklo atď.). Transparentné a priesvitné materiály majú množstvo ďalších charakteristík.

Spravidla počas vykonávania tohto postupu strihanie neviditeľných povrchov. Existuje mnoho metód na vykonávanie tohto prerezávania, ale najobľúbenejšia bola
Z-buffer, keď sa vytvorí pole čísel označujúcich „hĺbku“ - vzdialenosť od bodu na obrazovke k prvému nepriehľadnému bodu. Ďalšie povrchové body budú spracované až vtedy, keď bude ich hĺbka menšia a potom sa súradnica Z zníži. Sila tejto metódy priamo závisí od maximálnej možnej vzdialenosti bodu scény od obrazovky, t.j. na počte bitov na bod vo vyrovnávacej pamäti.

Výpočet realistického obrazu. Vykonávanie týchto operácií umožňuje vytvárať tzv pevné modely objekty, ale tento obrázok nebude realistický. Na vytvorenie realistického obrazu sú na javisku umiestnené zdroje svetla a vykonali výpočet osvetlenia každý bod na viditeľných plochách.

Aby boli objekty realistickejšie, povrch objektov je „prispôsobený“ textúra - obrázok(alebo postup, ktorý ho tvorí), určenie nuansy vzhľadu. Postup sa nazýva "textúrovanie". Počas mapovania textúr sa používajú metódy rozťahovania a vyhladzovania - filtrácia. Napríklad anizotropné filtrovanie, uvedené v popise grafických kariet, nezávisí od smeru transformácie textúry.

Po určení všetkých parametrov je potrebné vykonať procedúru tvorby obrazu, t.j. výpočet farby bodov na obrazovke. Proces počítania sa nazýva vykresľovanie.Pri vykonávaní takéhoto výpočtu je potrebné určiť svetlo dopadajúce na každý bod modelu s prihliadnutím na skutočnosť, že sa môže odrážať, že povrch môže blokovať iné oblasti od tohto zdroja atď.

Na výpočet osvetlenia sa používajú dve hlavné metódy. Prvým je metóda spätné sledovanie lúčov. S touto metódou vypočíta sa trajektória tých lúčov, ktoré nakoniec dopadajú do pixelov obrazovky- obrátene. Výpočet sa vykonáva samostatne pre každý z farebných kanálov, pretože svetlo rôznych spektier sa na rôznych povrchoch správa odlišne.

Druhá metóda - metóda žiarenia - zabezpečuje výpočet integrálnej svietivosti všetkých plôch spadajúcich do rámu a výmenu svetla medzi nimi.

Výsledný obraz zohľadňuje zadané vlastnosti fotoaparátu, t.j. divákov.

V dôsledku veľkého počtu výpočtov je teda možné vytvárať obrázky, ktoré je ťažké odlíšiť od fotografií. Na zníženie počtu výpočtov sa snažia znížiť počet objektov a tam, kde je to možné, nahradiť výpočet fotografiou; napríklad pri vytváraní pozadia obrazu.

Pevný model a konečný výsledok výpočtu modelu
(príklad z webovej stránky http://www.blender.org)

Animácia a virtuálna realita

Ďalším krokom vo vývoji technológií 3D realistickej grafiky bola možnosť jej animácie – pohybu a zmeny scény po snímke. S takým objemom výpočtov si spočiatku vedeli poradiť len superpočítače, ktoré slúžili na tvorbu prvých trojrozmerných animovaných videí.

Neskôr bol vyvinutý hardvér špeciálne navrhnutý na výpočet a vytváranie obrázkov - 3D urýchľovače. To umožnilo v zjednodušenej forme vykonávať takúto formáciu v reálnom čase, čo sa používa v moderných počítačových hrách. V skutočnosti už aj bežné grafické karty obsahujú takéto zariadenia a sú akýmsi úzkoúčelovým minipočítačom.

Pri tvorbe hier, natáčaní filmov, vývoji simulátorov, pri úlohách modelovania a navrhovania rôznych objektov má úloha vytvoriť realistický obraz ďalší významný aspekt - modelovanie nielen pohybu a zmeny objektov, ale aj modelovanie ich správania, zodpovedajúce fyzikálne princípy okolitého sveta.

Tento smer, berúc do úvahy použitie všetkých druhov hardvéru na prenos vplyvov vonkajšieho sveta a zvýšenie účinku prítomnosti, bol tzv. virtuálna realita.

Na stelesnenie takéhoto realizmu sú vytvorené špeciálne metódy na výpočet parametrov a transformáciu objektov - zmena priehľadnosti vody z jej pohybu, výpočet správania a vzhľadu ohňa, výbuchov, kolízií predmetov atď. Takéto výpočty sú pomerne zložité a na ich implementáciu v moderných programoch bolo navrhnutých niekoľko metód.

Jedným z nich je spracovanie a použitie shadery - postupy osvetlenia.(alebo presná poloha)v kľúčových bodoch podľa nejakého algoritmu. Takéto spracovanie umožňuje vytvárať efekty „svetelného oblaku“, „výbuchu“, zvyšovať realizmus zložitých objektov atď.

Objavili sa a štandardizujú sa rozhrania pre prácu s „fyzickou“ zložkou tvorby obrazu, čo umožňuje zvýšiť rýchlosť a presnosť takýchto výpočtov, a tým aj realizmus vytvoreného modelu sveta.

Trojrozmerná grafika je jedným z najpozoruhodnejších a komerčne najúspešnejších vývojov v oblasti informačných technológií, často označovaných ako jeden z hlavných hnacích síl vývoja hardvéru. 3D grafické nástroje sa aktívne používajú v architektúre, strojárstve, vedeckých prác, pri natáčaní filmov, v počítačových hrách, na vyučovaní.

Príklady softvérových produktov

Maya, 3DStudio, Blender

Téma je veľmi atraktívna pre študentov akéhokoľvek veku a vzniká vo všetkých fázach štúdia predmetu informatika. Atraktívnosť pre študentov je vysvetlená veľkou tvorivou zložkou v praktickej práci, vizuálnym výsledkom, ako aj širokým aplikovaným zameraním témy. Znalosti a zručnosti v tejto oblasti sa vyžadujú takmer vo všetkých odvetviach ľudskej činnosti.

Na základnej škole sa berú do úvahy dva typy grafiky: rastrová a vektorová. Diskutuje sa o rozdieloch medzi jedným druhom a druhým v dôsledku toho - o pozitívnych aspektoch a nevýhodách. Oblasti použitia týchto typov grafiky vám umožnia zadať názvy konkrétnych softvérových produktov, ktoré umožňujú spracovať jeden alebo iný typ grafiky. Preto materiály na témy: rastrová grafika, farebné modely, Vektorová grafika- budú vo väčšej miere žiadané na základnej škole. Na strednej škole je táto téma doplnená o zohľadnenie vlastností vedeckej grafiky a možností trojrozmernej grafiky. Preto budú aktuálne témy: fotorealistické obrázky, modelovanie fyzického sveta, kompresia a ukladanie grafických a streamovaných dát.

Väčšinu času zaberá praktická práca príprava a spracovanie grafické obrázky pomocou rastrových a vektorových grafických editorov. Na základnej škole je to zvyčajne Adobe Photoshop, CorelDraw a/alebo Macromedia Flach. Rozdiel medzi štúdiom niektorých softvérových balíkov na základnej a strednej škole sa viac prejavuje nie v obsahu, ale vo formách práce. Na základnej škole ide o praktickú (laboratórnu) prácu, v dôsledku ktorej žiaci ovládajú softvérový produkt. Na strednej škole sa hlavnou formou práce stáva individuálny workshop alebo projekt, kde hlavnou zložkou je obsah úlohy a softvérové ​​produkty slúžiace na jej riešenie zostávajú len nástrojom.

Vstupenky na strednú a strednú školu obsahujú otázky týkajúce sa oboch teoretické základy počítačová grafika a praktické zručnosti pri spracovaní grafických obrázkov. Časti témy, ako je výpočet informačného objemu grafických obrázkov a znaky grafického kódovania, sú súčasťou kontrolných meracích materiálov jednotnej štátnej skúšky.

Tento článok pravdepodobne čítate na monitore počítača alebo na obrazovke mobilného zariadenia – displeji, ktorý má reálne rozmery, výšku a šírku. Keď si však pozriete napríklad kreslený príbeh Toy Story alebo hráte hru Tomb Raider, uvidíte trojrozmerný svet. Jednou z najúžasnejších vecí na 3D svete je, že svet, ktorý vidíte, môže byť svetom, v ktorom žijeme, svetom, v ktorom budeme žiť zajtra, alebo svetom, ktorý žije len v mysliach tvorcov filmu alebo hry. A všetky tieto svety sa môžu objaviť iba na jednej obrazovke - to je prinajmenšom zaujímavé.
Ako počítač oklame naše oči, aby si mysleli, že sa pozeráme na plochú obrazovku, aby sme videli hĺbku prezentovaného obrazu? Ako to vývojári hier robia, aby sme videli skutočné postavy pohybujúce sa v skutočnej krajine? Dnes vám poviem o vizuálnych trikoch, ktoré používajú grafickí dizajnéri, a o tom, ako sa to všetko spája a zdá sa nám také jednoduché. V skutočnosti nie je všetko jednoduché a ak chcete zistiť, aká je 3D grafika, choďte pod strih - tam nájdete fascinujúci príbeh, do ktorého sa, som si istý, ponoríte s nebývalým potešením.

Čo robí obraz 3D?

Obraz, ktorý má alebo vyzerá, že má výšku, šírku a hĺbku, je trojrozmerný (3D). Obraz, ktorý má výšku a šírku, ale nemá hĺbku, je dvojrozmerný (2D). Pripomeňte mi, kde vidíte dvojrozmerné obrázky? - Prakticky všade. Pamätajte si aj na obvyklý symbol na dverách toalety, ktorý označuje kabínku pre jedno alebo druhé poschodie. Symboly sú navrhnuté tak, aby ste ich rozpoznali a rozpoznali na prvý pohľad. Preto používajú len tie najzákladnejšie formy. Podrobnejšie informácie o akomkoľvek symbole vám môžu povedať, aké oblečenie má tento malý muž na sebe, visí na dverách alebo farbu vlasov, napríklad symboly dverí na dámskej toalete. Toto je jeden z hlavných rozdielov medzi spôsobom, akým sa používa 3D a 2D grafika: 2D grafika je jednoduchá a zapamätateľná, zatiaľ čo 3D grafika využíva viac detailov a do zdanlivo obyčajného objektu sa zmestí oveľa viac informácií.

Napríklad trojuholníky majú tri čiary a tri uhly - všetko, čo potrebujete, aby ste povedali, z čoho je trojuholník vyrobený a čo to vlastne je. Pozrite sa však na trojuholník z druhej strany – pyramída je trojrozmerná štruktúra so štyrmi trojuholníkovými stranami. Upozorňujeme, že v tomto prípade je už šesť čiar a štyri rohy - z toho pozostáva pyramída. Pozrite sa, ako sa obyčajný objekt môže zmeniť na trojrozmerný objekt a obsahuje oveľa viac informácií potrebných na rozprávanie príbehu trojuholníka alebo pyramídy.

Už stovky rokov umelci používajú niektoré vizuálne triky, ktoré dokážu z plochého 2D obrazu urobiť skutočné okno do skutočného 3D sveta. Podobný efekt môžete vidieť na bežných fotografiách, ktoré môžete skenovať a prezerať na monitore počítača: objekty na fotografii sa zdajú menšie, keď sú ďalej; objekty v blízkosti objektívu fotoaparátu sú zaostrené, čo znamená, že všetko za zaostrenými objektmi je rozmazané. Farby majú tendenciu byť menej živé, ak objekt nie je tak blízko. Keď dnes hovoríme o 3D grafike na počítačoch, hovoríme o obrazoch, ktoré sa pohybujú.

Čo je 3D grafika?

Pre mnohých z nás sú hry zapnuté osobný počítač, mobilné zariadenie alebo pokročilý herný systém vo všeobecnosti je najvýraznejším príkladom a najbežnejším spôsobom, akým môžeme uvažovať o trojrozmernej grafike. Všetky tieto hry, skvelé filmy vytvorené pomocou počítača, musia prejsť tromi základnými krokmi, aby vytvorili a prezentovali realistické 3D scény:

1. Vytváranie virtuálneho 3D sveta
2. Určuje, aká časť sveta sa zobrazí na obrazovke
3. Určenie toho, ako bude vyzerať pixel na obrazovke, aby celý obraz vyzeral čo najrealistickejšie

Ktorá časť virtuálneho sveta sa zobrazuje na obrazovke?
V každom okamihu sa na obrazovke zobrazuje iba malá časť virtuálneho 3D sveta vytvoreného pre počítačovú hru. To, čo sa zobrazuje na obrazovke, sú určité kombinácie spôsobov, ktorými je definovaný svet, kde sa rozhodujete, kam ísť a čo vidieť. Bez ohľadu na to, kam idete – dopredu alebo dozadu, hore alebo dole, doľava alebo doprava – virtuálny 3D svet okolo vás určuje, čo vidíte, keď ste v určitej pozícii. To, čo vidíte, dáva zmysel od jednej scény k druhej. Ak sa na objekt pozeráte z rovnakej vzdialenosti, bez ohľadu na smer, mal by vyzerať vysoko. Každý predmet by mal vyzerať a pohybovať sa tak, aby ste verili, že má rovnakú hmotnosť ako skutočný predmet, že je taký tvrdý alebo mäkký ako skutočný predmet atď.

Programátori, ktorí píšu počítačové hry, vynakladajú veľa úsilia na navrhovanie 3D virtuálnych svetov a ich vytváranie tak, aby ste sa nimi mohli túlať bez toho, aby ste narazili na niečo, čo by vás prinútilo myslieť si: „To by sa v tomto svete nemohlo stať!“. Posledná vec, ktorú chcete vidieť, sú dva pevné predmety, ktoré môžu prechádzať cez seba. Toto je ostrá pripomienka, že všetko, čo vidíte, je podvod. Tretí krok zahŕňa minimálne toľko výpočtov ako ostatné dva kroky a mal by tiež prebiehať v reálnom čase.

Osvetlenie a perspektíva

Osvetlenie hrá kľúčovú úlohu v dvoch efektoch, ktoré dávajú vzhľad, hmotnosť a vonkajšia sila predmetov: stmievanie a tiene. Prvý efekt, stmavnutie, je, keď na jednu stranu objektu dopadá viac svetla ako na druhú. Stmievanie dáva téme veľa naturalizmu. Vďaka tomuto tieňovaniu sú záhyby prikrývky hlboké a mäkké a vysoké lícne kosti vyzerajú nápadne. Tieto rozdiely v intenzite svetla posilňujú celkovú ilúziu, že objekt má hĺbku, ako aj výšku a šírku. Ilúzia hmoty pochádza z druhého efektu, z tieňa.

Pevné telá vrhajú tiene, keď na ne dopadá svetlo. Môžete to vidieť, keď sledujete tieň, ktorý slnečné hodiny alebo strom vrhajú na chodník. Preto sme zvyknutí vidieť skutočné predmety a ľudí vrhajúcich tiene. V 3D tieň opäť posilňuje ilúziu vytváraním efektu bytia v skutočnom svete, a nie na obrazovke matematicky generovaných tvarov.

perspektíva
Perspektíva je jedno slovo, ktoré môže znamenať veľa, ale v skutočnosti popisuje jednoduchý efekt, ktorý každý videl. Ak stojíte na kraji dlhej rovnej cesty a pozeráte sa do diaľky, zdá sa, že obe strany cesty sa zbiehajú v jednom bode na horizonte. Ak sú stromy blízko cesty, vzdialenejšie stromy budú vyzerať menšie ako stromy bližšie k vám. V skutočnosti to bude vyzerať tak, že sa stromy zbiehajú v určitom bode horizontu vytvorenom blízko cesty, ale nie je to tak. Keď sa zdá, že všetky objekty na scéne sa nakoniec zbiehajú v jednom bode v diaľke, je to perspektíva. Existuje mnoho variácií tohto efektu, ale väčšina 3D grafiky využíva jediný uhol pohľadu, ktorý som práve opísal.

Hĺbka ostrosti

Vyhladzovanie

Ďalším efektom, ktorý sa tiež spolieha na oklamanie oka, je anti-aliasing. digitálny grafické systémy veľmi dobré na vytváranie čistých línií. Stáva sa však aj to, že diagonálne čiary majú navrch (v reálnom svete sa objavujú pomerne často a počítač potom reprodukuje čiary, ktoré vyzerajú skôr ako rebríky (myslím, že viete, čo je rebrík, keď sa pozriete na obrazový objekt podrobne). )). Aby počítač oklamal svoje oko, aby videl hladkú krivku alebo čiaru, môže do radov pixelov obklopujúcich čiaru pridať určité odtiene farieb. S touto „šedou farbou“ pixelov počítač len klame vaše oči a vy si medzitým myslíte, že už nie sú žiadne zubaté kroky. Tento proces pridávania ďalších farebných pixelov na oklamanie oka sa nazýva anti-aliasing a je jednou z techník, ktoré ručne vytvára 3D počítačová grafika. Ďalšou náročnou úlohou pre počítač je vytvorenie 3D animácie, ktorej príklad vám predstavíme v ďalšej časti.

Skutočné príklady

Vyššie uvedená fotografia zobrazuje typickú kanceláriu, ktorá používa na vstup chodník. Na jednej z nasledujúcich fotografií bola na chodníku umiestnená jednoduchá jednofarebná guľa, po ktorej bola scéna odfotená. Na tretej fotke je už použitie počítačového grafického programu, ktorý vytvoril loptu, ktorá na tejto fotke v skutočnosti neexistuje. Viete povedať, či sú medzi týmito dvoma fotkami nejaké výrazné rozdiely? Myslím, že nie.

Vytváranie animácií a vzhľadu „živej akcie“

Koľko snímok za sekundu?
Keď si idete pozrieť luxusný trhák v miestnom kine, sekvencia obrázkov nazývaných zábery beží rýchlosťou 24 snímok za sekundu. Keďže naša sietnica uchováva obraz o niečo dlhšie ako 1/24 sekundy, oči väčšiny ľudí zlúčia snímky do jedného súvislého obrazu pohybu a akcie.

Ak nerozumiete tomu, o čom som práve písal, pozrite sa na to z druhej strany: to znamená, že každé políčko filmu je fotografia nasnímaná pri rýchlosti uzávierky (expozícii) 1/24 sekundy. Ak sa teda pozriete na jednu z mnohých snímok pretekárskeho filmu, uvidíte, že niektoré pretekárske autá sú „rozmazané“, pretože jazdili vysokou rýchlosťou, kým bola spúšť fotoaparátu otvorená. Toto rozmazanie vecí vytvorených rýchlym pohybom je to, na čo sme zvyknutí, a je to súčasť toho, čo pre nás robí obraz skutočným, keď sa naň pozeráme na obrazovke.

Digitálne 3D obrázky však nie sú fotografie, takže pri pohybe objektu počas snímania nedochádza k efektu rozmazania. Aby boli obrázky realistickejšie, programátori musia explicitne pridať rozmazanie. Niektorí dizajnéri sa domnievajú, že na „prekonanie“ tohto nedostatku prirodzeného rozmazania je potrebných viac ako 30 snímok za sekundu, a preto posunuli hry na novú úroveň – 60 snímok za sekundu. Aj keď to umožňuje každému jednotlivému obrázku vyzerať veľmi podrobne a zobrazovať pohybujúce sa objekty v menších prírastkoch, výrazne to zvyšuje počet snímok pre danú animovanú sekvenciu. Existujú aj iné špecifické časti obrázkov, kde presné počítačové vykresľovanie musí byť obetované kvôli realizmu. Týka sa to pohybujúcich sa aj nehybných predmetov, ale to je už iný príbeh.

Poďme na koniec

Počítačová grafika neprestáva udivovať svet vytváraním a generovaním širokej škály skutočne realistických pohyblivých a nepohybujúcich sa objektov a scén. S 80 stĺpcami a 25 riadkami monochromatického textu grafika prešla dlhú cestu a výsledok je jasný – milióny ľudí hrajú hry a spúšťajú všemožné simulácie s dnešnou technológiou. Pocítiť dajú aj nové 3D procesory – vďaka nim budeme môcť doslova objavovať iné svety a zažiť veci, ktoré sme si v reálnom živote nikdy netrúfli vyskúšať. Nakoniec späť k príkladu lopty: ako vznikla táto scéna? Odpoveď je jednoduchá: obrázok má počítačom vygenerovanú guľu. Nie je ľahké určiť, ktorý z nich je pravý, však? Náš svet je úžasný a musíme podľa toho žiť. Dúfam, že vás zaujalo a dozvedeli ste sa pre seba ďalšiu porciu zaujímavých informácií.

3D modelovanie a vizualizácia sú nevyhnutné pri výrobe produktov alebo ich obalov, ako aj pri tvorbe prototypov produktov a 3D animácií.

Služby 3D modelovania a vizualizácie sa teda poskytujú, keď:

• je potrebné posúdiť fyzické a technické vlastnosti výrobku ešte predtým, ako bude vyrobený v pôvodnej veľkosti, materiáli a konfigurácii;
• je potrebné vytvoriť 3D model budúceho interiéru.

V takýchto prípadoch sa určite budete musieť uchýliť k službám špecialistov v oblasti 3D modelovania a vizualizácie.

3D modely- neoddeliteľná súčasť kvalitných prezentácií a technickej dokumentácie, ako aj - základ pre vytvorenie prototypu produktu. Zvláštnosťou našej spoločnosti je schopnosť vykonať celý cyklus práce na vytvorení realistického 3D objektu: od modelovania až po prototypovanie. Keďže všetky práce je možné vykonávať v komplexe, výrazne to znižuje čas a náklady na hľadanie dodávateľov a stanovovanie nových technických úloh.

Pokiaľ ide o výrobok, pomôžeme vám uvoľniť jeho skúšobnú sériu a nadviazať ďalšiu výrobu v malom alebo priemyselnom meradle.

Definícia pojmov "3D modelovanie" a "vizualizácia"

3D grafika alebo 3D modelovanie- počítačová grafika, ktorá kombinuje techniky a nástroje potrebné na vytváranie trojrozmerných objektov v technickom priestore.

Techniky treba chápať ako metódy formovania trojrozmerného grafického objektu – výpočet jeho parametrov, kreslenie „kostra“ alebo trojrozmerná nedetailná forma; vytláčanie, stavanie a vyrezávanie dielov atď.

A pod nástrojmi - profesionálne programy pre 3D modelovanie. V prvom rade - SolidWork, ProEngineering, 3DMAX, ako aj niektoré ďalšie programy na objemovú vizualizáciu objektov a priestoru.

Vykresľovanie objemu je vytvorenie dvojrozmerného rastrového obrázku na základe skonštruovaného 3D modelu. Vo svojej podstate ide o najrealistickejší obraz trojrozmerného grafického objektu.

Aplikácie 3D modelovania:

• Reklama a marketing

Trojrozmerná grafika je nevyhnutná pre prezentáciu budúceho produktu. Aby ste mohli začať s výrobou, musíte nakresliť a následne vytvoriť 3D model objektu. A už na základe 3D modelu, pomocou technológií rýchleho prototypovania (3D tlač, frézovanie, odlievanie silikónových foriem a pod.), vzniká realistický prototyp (vzorka) budúceho produktu.

Po vykreslení (3D vizualizácia) je možné výsledný obraz použiť pri vývoji obalového dizajnu alebo pri tvorbe vonkajšej reklamy, POS materiálov a dizajnu výstavných stánkov.

• urbanistické plánovanie

Pomocou trojrozmernej grafiky sa dosahuje najrealistickejšie modelovanie mestskej architektúry a krajiny – s minimálnymi nákladmi. Vizualizácia stavebnej architektúry a krajinného dizajnu umožňuje investorom a architektom pocítiť efekt bytia v navrhovanom priestore. To vám umožní objektívne posúdiť podstatu projektu a odstrániť nedostatky.

• priemysel

Modernú výrobu si nemožno predstaviť bez predvýrobného modelovania výrobkov. S príchodom 3D technológií sa výrobcom podarilo výrazne ušetriť materiál a znížiť finančné náklady na inžiniersky dizajn. Pomocou 3D modelovania grafickí dizajnéri vytvárajú 3D obrazy častí a predmetov, ktoré potom možno použiť na vytváranie foriem a prototypov predmetov.

• Počítačové hry

3D technológia sa používa pri tvorbe počítačových hier už viac ako desaťročie. V profesionálnych programoch skúsení špecialisti ručne kreslia 3D krajiny, modely postáv, animujú vytvorené 3D objekty a postavy a vytvárajú aj koncept art (návrhy konceptov).

• Kino

Celý moderný filmový priemysel sa zameriava na 3D kino. Na takéto natáčanie sa používajú špeciálne kamery, ktoré dokážu natáčať v 3D. Navyše pomocou trojrozmernej grafiky pre filmový priemysel vznikajú jednotlivé objekty a plnohodnotné krajiny.

• Architektúra a interiérový dizajn

Technológia 3D modelovania v architektúre sa už dlho etablovala z tej najlepšej stránky. Dnes je vytvorenie trojrozmerného modelu budovy nepostrádateľným atribútom dizajnu. Na základe 3D modelu môžete vytvoriť prototyp budovy. Navyše, ako prototyp, ktorý opakuje len všeobecné obrysy budovy, tak aj detailný prefabrikovaný model budúcej budovy.

Čo sa týka interiérového dizajnu, pomocou technológie 3D modelovania môže zákazník vidieť, ako bude jeho domov alebo kancelársky priestor vyzerať po oprave.

• Animácia

Pomocou 3D grafiky vytvoríte animovanú postavičku, „rozhýbete“ ju a tiež navrhnutím zložitých animačných scén vytvoríte plnohodnotné animované video.

Etapy vývoja 3D modelu

Vývoj 3D modelu prebieha v niekoľkých etapách:

1. Modelovanie alebo vytváranie geometrie modelu

Hovoríme o vytvorení trojrozmerného geometrického modelu, bez zohľadnenia fyzikálnych vlastností objektu. Používajú sa tieto metódy:

• extrúzia;
• modifikátory;
• polygonálne modelovanie;
• rotácia.

2. Textúra objektu

Úroveň realizmu budúceho modelu priamo závisí od výberu materiálov pri vytváraní textúr. Profesionálne programy pre prácu s trojrozmernou grafikou sú prakticky neobmedzené možnosti vytvárania realistického obrazu.

3. Nastavenie svetiel a hľadísk

Jeden z najťažších krokov pri vytváraní 3D modelu. Realistické vnímanie obrazu totiž priamo závisí od výberu tónu svetla, úrovne jasu, ostrosti a hĺbky tieňov. Okrem toho je potrebné vybrať pozorovacie miesto pre objekt. Môže to byť pohľad z vtáčej perspektívy alebo zmenšiť priestor tak, aby ste dosiahli efekt, že ste v ňom – výberom pohľadu na objekt z ľudskej výšky.+

4. 3D vizualizácia alebo rendering

Záverečná fáza 3D modelovania. Spočíva v spresnení nastavení zobrazenia 3D modelu. Teda pridanie grafických špeciálnych efektov, ako je oslnenie, hmla, žiarenie atď. V prípade vykresľovania videa sa určujú presné parametre 3D animácie postáv, detailov, krajiny a pod. (čas farebných rozdielov, žiara a pod.).

V rovnakej fáze sú podrobné nastavenia vizualizácie: vyberie sa požadovaný počet snímok za sekundu a rozšírenie konečného videa (napríklad DivX, AVI, Cinepak, Indeo, MPEG-1, MPEG-4, MPEG-2, WMV atď.). Ak je potrebné získať dvojrozmerný rastrový obrázok, určí sa formát a rozlíšenie obrázku, hlavne JPEG, TIFF alebo RAW.

5. post produkcia

Spracúvajte zachytené obrázky a videá pomocou editorov médií - Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro (alebo Final Cut Pro / Sony Vegas), GarageBand, Imovie, Adobe After Effects Pro, Adobe Illustrator, Samplitude, SoundForge, Wavelab a ďalšie.

Postprodukcia má poskytnúť mediálnym súborom originálne vizuálne efekty, ktorých účelom je nadchnúť myseľ potenciálneho spotrebiteľa: zapôsobiť, vzbudiť záujem a dlho si ho pamätať!

3D modelovanie v zlievarni

V zlievarenskom priemysle sa 3D modelovanie postupne stáva neodmysliteľnou technologickou súčasťou procesu tvorby produktu. Ak hovoríme o odlievaní do kovových foriem, tak 3D modely takýchto foriem sa vytvárajú pomocou technológií 3D modelovania, ako aj 3D prototypovania.

Ale nie menej populárne dnes získava tvarovanie v silikónových formách. V tomto prípade vám 3D modelovanie a vizualizácia pomôže vytvoriť prototyp objektu, na základe ktorého sa vytvorí forma zo silikónu alebo iného materiálu (drevo, polyuretán, hliník a pod.).

Metódy 3D vizualizácie (rendering)

1. Rastrovanie.

Jeden z najviac jednoduché metódy vykresľovanie. Pri jeho použití sa neberú do úvahy dodatočné vizuálne efekty (napríklad farba a tieň objektu vzhľadom na hľadisko).

2. Raycasting.

Na 3D model sa pozerá z určitého, vopred určeného bodu – z ľudskej výšky, z vtáčej perspektívy atď. Z hľadiska sú vysielané lúče, ktoré určujú šerosvit predmetu pri pohľade v bežnom 2D formáte.

3. Sledovanie lúčov.

Táto metóda vykresľovania znamená, že pri dopade na povrch sa lúč rozdelí na tri zložky: odrazený, tieňový a lomený. V skutočnosti to tvorí farbu pixelu. Okrem toho realizmus obrazu priamo závisí od počtu delení.

4. Sledovanie cesty.

Jeden z najviac komplexné metódy 3D vizualizácia. Pri použití tejto metódy 3D vykresľovania sa šírenie svetelných lúčov čo najviac približuje fyzikálnym zákonom o šírení svetla. Práve to zaisťuje vysokú realistickosť výsledného obrazu. Stojí za zmienku, že túto metódu je náročná na zdroje.

Naša spoločnosť Vám poskytne celý rad služieb v oblasti 3D modelovania a vizualizácie. Máme všetky technické možnosti na vytváranie 3D modelov rôznej zložitosti. Máme tiež bohaté skúsenosti s 3D vizualizáciou a modelovaním, o čom sa môžete sami presvedčiť pri prehliadke nášho portfólia, alebo iných našich prác, ktoré ešte nie sú prezentované na stránke (na vyžiadanie).

Značková agentúra KOLORO Vám poskytne služby pri výrobe skúšobnej série výrobkov alebo jej malosériovej výrobe. K tomu Vám naši špecialisti vytvoria čo najrealistickejší 3D model objektu, ktorý potrebujete (obal, logo, postavička, 3D vzorka akéhokoľvek produktu, forma a pod.), na základe ktorého vznikne prototyp produktu. Cena našej práce priamo závisí od zložitosti objektu 3D modelovania a je diskutovaná individuálne.