Sätt att uppnå realism i tredimensionell grafik. 3D Realism Technologies Stadier av 3D-bildskapande

För att öka realismen i visningen av texturer överlagrade på polygoner, används olika tekniker:

Utjämning (kantutjämning);

· MIP-kartläggning;

texturfiltrering.

Kantutjämningsteknik

Kantutjämning är en teknik som används vid bildbehandling för att eliminera effekten av "stegade" kanter (aliasing) av objekt. Med rastermetoden för att skapa en bild består den av pixlar. På grund av att pixlar har en ändlig storlek kan så kallade trappor eller stegade kanter urskiljas vid kanterna på tredimensionella objekt. För att minimera trappeffekten är det enklaste sättet att öka skärmupplösningen och därigenom minska storleken på pixlarna. Men denna väg är inte alltid möjlig. Om du inte kan bli av med stegeffekten genom att öka bildskärmsupplösningen kan du använda Anti-aliasing-tekniken, som gör att du visuellt kan jämna ut effekten av trappan. Den vanligaste tekniken för detta är att skapa en mjuk övergång från linje- eller kantfärgen till bakgrundsfärgen. Färgen på en punkt som ligger på kanten av objekt definieras som medelvärdet av färgerna i de två kantpunkterna.

Det finns flera grundläggande kantutjämningstekniker. För första gången gavs det mest högkvalitativa resultatet av helskärmskantutjämningstekniken FSAA (Full Screen Anti-Aliasing). I vissa litterära källor kallas denna teknik SSAA. Kärnan i denna teknik ligger i det faktum att processorn beräknar en bildram med en mycket högre upplösning än skärmupplösningen och sedan, när den visas på skärmen, medelvärdena för en grupp pixlar till en; antalet pixlar i genomsnitt motsvarar bildskärmens skärmupplösning. Till exempel, om en ram med en upplösning på 800x600 kantutjämnas med FSAA, kommer bilden att beräknas med en upplösning på 1600x1200. När du växlar till bildskärmens upplösning beräknas ett medelvärde av färgerna för de fyra beräknade punkterna som motsvarar en bildpunkt. Som ett resultat har alla linjer mjuka färgövergångar, vilket visuellt eliminerar effekten av trappan.

FSAA gör mycket onödigt arbete, laddar GPU:n, jämnar inte ut gränserna utan hela bilden, vilket är dess största nackdel. För att eliminera denna brist utvecklades en mer ekonomisk teknologi, MSSA.

Kärnan i MSSA-tekniken liknar FSAA-tekniken, men inga beräkningar utförs på pixlarna inuti polygonerna. För pixlar på gränserna för objekt, beroende på utjämningsnivån, beräknas 4 eller fler ytterligare punkter, genom vilka den slutliga färgen på pixeln bestäms. Denna teknik är den vanligaste för närvarande.

Individuella utvecklingar av videoadaptertillverkare är kända. NVIDIA har till exempel utvecklat Coverage Sampling (CSAA) teknologi, som endast stöds av GeForce videoadaptrar från och med den 8:e serien (8600 - 8800, 9600 - 9800). ATI introducerade AAA (Adaptive Anti-Aliasing) i R520-grafikprocessorn och all efterföljande adaptiv kantutjämning.

MIP-kartläggningsteknik

Tekniken används för att förbättra kvaliteten på texturering av 3D-objekt. För att lägga till realism till en tredimensionell bild är det nödvändigt att ta hänsyn till scenens djup. När du rör dig bort från synvinkeln bör överlagringsstrukturen se mer och mer suddig ut. Därför, vid texturering av även en homogen yta, används oftast inte en utan flera texturer, vilket gör det möjligt att korrekt ta hänsyn till perspektivförvrängningar av ett tredimensionellt objekt.

Till exempel är det nödvändigt att avbilda en kullerstensbelagd trottoar som går djupt in i scenen. Om du försöker använda bara en textur över hela längden, kan det uppstå krusningar eller bara en enfärgad färg när du rör dig bort från synvinkeln. Faktum är att i denna situation faller flera texturpixlar (texels) in i en pixel på skärmen samtidigt. Frågan uppstår: till förmån för vilken texel man ska välja när man visar en pixel?

Denna uppgift löses med hjälp av MIP-kartläggningsteknik, vilket innebär möjligheten att använda en uppsättning texturer med olika detaljnivåer. Baserat på varje textur skapas en uppsättning texturer med en lägre detaljnivå. Texturerna för en sådan uppsättning kallas MIP - maps (MIP map).

I det enklaste fallet med texturmappning, för varje bildpixel, bestäms motsvarande MIP-karta enligt LOD-tabellen (Level of Detail). Vidare väljs endast en texel från MIP-kartan, vars färg tilldelas pixeln.

Filtreringsteknik

Som regel används MIP-mappningsteknik i kombination med filtreringsteknologier utformade för att korrigera mip-texturerande artefakter. Till exempel, när ett objekt rör sig längre bort från synpunkten sker en övergång från en låg MIP-kartnivå till en högre MIP-kartnivå. När ett objekt är i ett övergångstillstånd från en MIP-kartnivå till en annan, uppstår en speciell typ av visualiseringsfel: tydligt urskiljbara gränser för övergången från en MIP-kartnivå till en annan.

Tanken med filtrering är att färgen på ett objekts pixlar beräknas från intilliggande texturpunkter (texels).

Den första texturfiltreringsmetoden var den så kallade punktsamplingen, som inte används i modern 3D-grafik. Nästa utvecklades bilinjär filtrering. Bilinjär filtrering tar det viktade medelvärdet av fyra intilliggande texturpixlar för att visa en punkt på ytan. Med sådan filtrering är kvaliteten på långsamt roterande eller långsamt rörliga objekt med kanter (som en kub) låg (suddiga kanter).

Mer hög kvalitet ger trilinjär filtrering, för att bestämma färgen på en pixel, tas medelfärgvärdet för åtta texel, fyra från två intilliggande strukturer, och som ett resultat av sju blandningsoperationer bestäms färgen på pixeln.

Med tillväxten i prestanda hos GPU:er, en anisotropisk filtrering, som hittills har tillämpats framgångsrikt. När man bestämmer färgen på en punkt använder den ett stort antal texel och tar hänsyn till polygonernas position. Nivån på anisotropisk filtrering bestäms av antalet texel som bearbetas vid beräkning av färgen på en pixel: 2x (16 texel), 4x (32 texel), 8x (64 texel), 16x (128 texel). Denna filtrering säkerställer hög kvalitet på den visade rörliga bilden.

Alla dessa algoritmer implementeras av grafikkortets grafikprocessor.

Application Programming Interface (API)

För att påskynda utförandet av stegen i 3D-pipelinen måste 3D-grafikacceleratorn ha en viss uppsättning funktioner, d.v.s. hårdvara, utan deltagande CPU, utför de operationer som krävs för att bygga en 3D-bild. Uppsättningen av dessa funktioner är den viktigaste egenskapen hos 3D-acceleratorn.

Eftersom 3D-acceleratorn har sin egen uppsättning kommandon kan den endast användas effektivt om applikationsprogrammet använder dessa kommandon. Men eftersom det finns många olika modeller av 3D-acceleratorer, såväl som olika applikationsprogram som genererar tredimensionella bilder, uppstår ett kompatibilitetsproblem: det är omöjligt att skriva ett sådant program som lika gärna skulle använda lågnivåkommandon från olika acceleratorer. Uppenbarligen behöver både programvaruutvecklare och tillverkare av 3D-acceleratorer ett speciellt verktygspaket som utför följande funktioner:

effektiv omvandling av applikationsprogramförfrågningar till en optimerad sekvens av lågnivåkommandon från 3D-acceleratorn, med hänsyn till särdragen i dess hårdvarukonstruktion;

mjukvaruemulering av de begärda funktionerna om den använda acceleratorn inte har deras hårdvarustöd.

Ett speciellt verktygspaket för att utföra dessa funktioner kallas applikationsprogrammeringsgränssnitt (Applikationsprogramgränssnitt = API).

API:et intar en mellanposition mellan applikationsprogram på hög nivå och kommandon på låg nivå gaspedalen, som genereras av dess förare. Genom att använda API:et befriar applikationsutvecklaren behovet av att arbeta med lågnivåacceleratorkommandon, vilket underlättar processen att skapa program.

För närvarande finns det flera API:er i 3D, vars omfattning är ganska tydligt avgränsad:

DirectX, utvecklad av Microsoft, används i spelapplikationer som körs på Windows 9X och senare operativsystem;

OpenGL, används främst i professionella applikationer (datorstödda designsystem, 3D-modelleringssystem, simulatorer, etc.) som körs operativ system Windows NT;

Proprietära (native) API:er skapade av tillverkare av 3D-acceleratorer exklusivt för sina Chipset för att använda deras kapacitet på det mest effektiva sättet.

DirectX är en mycket reglerad, sluten standard som inte tillåter ändringar förrän nästa, ny version. Å ena sidan begränsar detta möjligheter för mjukvaruutvecklare och speciellt acceleratortillverkare, men det förenklar avsevärt användarens inställning av mjukvara och hårdvara för 3D.

Till skillnad från DirectX är OpenGL API byggt på konceptet med en öppen standard, med en liten basuppsättning funktioner och många tillägg som implementerar mer komplexa funktioner. Tillverkaren av Chipset 3D-acceleratorn måste skapa ett BIOS och drivrutiner som utför grundläggande Open GL-funktioner, men är inte skyldig att tillhandahålla stöd för alla tillägg. Detta ger upphov till ett antal problem förknippade med att skriva drivrutiner för sina produkter av tillverkare, som levereras både i sin helhet och i trunkerad form.

Full version En OpenGL-kompatibel drivrutin kallas ICD (Installable Client Driver - client application driver). Det ger maximal prestanda, tk. innehåller lågnivåkoder som ger stöd inte bara för den grundläggande uppsättningen funktioner, utan också för dess tillägg. Naturligtvis, med hänsyn till konceptet med OpenGL, är skapandet av en sådan drivrutin en extremt komplex och tidskrävande process. Detta är en av anledningarna till att professionella 3D-acceleratorer är dyrare än spelacceleratorer.

Konstruktionen av realistiska bilder involverar både fysiska och psykologiska processer. Ljus, det vill säga elektromagnetisk energi, efter att ha interagerat med omgivningen, kommer in i ögat, där, som ett resultat av fysiska och kemiska reaktioner, genereras elektriska impulser som uppfattas av hjärnan. Perception är en förvärvad egendom. Det mänskliga ögat är mycket ett komplext system. Den har en nästan sfärisk form med en diameter på cirka 20 mm. Det är känt från experiment att ögats känslighet för ljusets ljusstyrka varierar enligt en logaritmisk lag. Gränserna för känslighet för ljusstyrka är extremt breda, i storleksordningen 10 10 , men ögat kan inte samtidigt uppfatta hela området. Ögat reagerar på ett mycket mindre område av värden i förhållande till ljusstyrka, fördelat runt nivån av ljusanpassning.

Hastigheten för anpassning till ljusstyrka är inte densamma för olika delar av näthinnan, men är ändå mycket hög. Ögat anpassar sig till den "genomsnittliga" ljusstyrkan för scenen som visas; därför verkar ett område med konstant ljusstyrka (intensitet) ljusare eller ljusare mot en mörk bakgrund än mot en ljus bakgrund. Detta fenomen kallas simultan kontrast.

En annan egenskap hos ögat som är relevant för datorgrafik är att kanterna på ett område med konstant intensitet ser ljusare ut, vilket gör att områden med konstant intensitet uppfattas som med variabel intensitet. Detta fenomen kallas Mach-bandeffekten efter den österrikiske fysikern Ernest Mach som upptäckte det. Mach-bandeffekten observeras när lutningen på intensitetskurvan ändras abrupt. Om intensitetskurvan är konkav, så verkar ytan på denna plats ljusare, om den är konvex är den mörkare (Figur 1.1)

Ris. 1.1. Mach-bandeffekt: (a) bitvis linjär intensitetsfunktion, (b) intensitetsfunktion med kontinuerlig förstaderivata.

1.1 En enkel belysningsmodell.

Ljusenergi som faller in på en yta kan absorberas, reflekteras eller transmitteras. Dels absorberas och omvandlas det till värme, dels reflekteras eller transmitteras. Ett föremål kan bara ses om det reflekterar eller släpper igenom ljus; om föremålet absorberar allt infallande ljus, då är det osynligt och kallas en svart kropp. Mängden absorberad, reflekterad eller överförd energi beror på ljusets våglängd. När det belyses med vitt ljus, där intensiteten för alla våglängder reduceras ungefär lika mycket, ser objektet grått ut. Om nästan allt ljus absorberas, så ser föremålet ut som svart, och om bara en liten del av det är vitt. Om endast vissa våglängder absorberas ändras energifördelningen av ljuset som kommer från objektet och objektet ser färgat ut. Färgen på ett föremål bestäms av de absorberade våglängderna.

Egenskaperna hos reflekterat ljus beror på ljuskällans struktur, riktning och form, på ytans orientering och egenskaper. Reflekterat ljus från ett föremål kan också vara diffust eller spegelblankt. Diffus reflektion av ljus uppstår när ljus tycks tränga in under ytan på ett föremål, absorberas och sedan återutsänds. I det här fallet spelar observatörens position ingen roll, eftersom diffust reflekterat ljus sprids jämnt i alla riktningar. Spegelreflektion kommer från objektets yttre yta.

Fig.1.2. Lamberts diffus reflektion

Ytan på objekt som renderats med en enkel Lambertian-modell med diffus reflektionsbelysning (Figur 1.2) ser blekt och matt ut. Det antas att källan är punkt, så föremål som inte direkt träffas av ljus ser svarta ut. Men objekten i verkliga scener påverkas också av diffust ljus som reflekteras från omgivningen, till exempel från väggarna i ett rum. Spritt ljus motsvarar en distribuerad källa. Eftersom beräkningen av sådana källor kräver stora beräkningskostnader, ersätts de i datorgrafik med spridningskoefficienten.

Låt två objekt ges, lika orienterade i förhållande till källan, men placerade på olika avstånd från den. Om du hittar deras intensitet enligt denna formel, kommer det att vara detsamma. Detta innebär att när objekt överlappar varandra kan de inte särskiljas, även om ljusintensiteten är omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet från källan, och objektet längre bort från den bör vara mörkare. Om vi ​​antar att ljuskällan är i oändlighet, kommer den diffusa termen för belysningsmodellen att bli noll. Vid en perspektivomvandling av scenen kan avståndet från projektionscentrum till objektet tas som en proportionalitetsfaktor för den diffusa termen.

Men om projektionscentrumet ligger nära objektet, är skillnaden i intensiteter för stor för objekt som ligger på ungefär samma avstånd från källan. Som erfarenheten visar kan större realism uppnås med linjär dämpning. I det här fallet ser belysningsmodellen ut så här (Fig. 1.3.)

Fig.1.3. Spegelreflektion.

Om observationspunkten antas vara i oändlighet, så bestäms den av positionen för objektet närmast observationspunkten. Detta innebär att det närmaste objektet belyses med källans fulla intensitet och längre bort objekt med reducerad intensitet. För färgade ytor appliceras belysningsmodellen på var och en av de tre primärfärgerna.

På grund av den speglande reflektionen på blanka föremål uppstår ljusreflektioner. På grund av det faktum att det spegelreflekterade ljuset fokuseras längs reflektionsvektorn, rör sig även bländningen när betraktaren rör sig. Dessutom, eftersom ljus reflekteras från den yttre ytan (med undantag för metaller och vissa fasta färgämnen), behåller den reflekterade strålen egenskaperna hos den infallande strålen. Till exempel, när en glänsande blå yta belyses med vitt ljus, uppstår vita i stället för blå högdagrar.

Genomskinlighet

I huvudbelysningsmodellerna och algoritmerna för att ta bort dolda linjer och ytor beaktas endast ogenomskinliga ytor och föremål. Men det finns också genomskinliga föremål som släpper igenom ljus, som ett glas, en vas, ett bilfönster eller vatten. När man passerar från ett medium till ett annat, till exempel från luft till vatten, bryts ljusstrålen; därför verkar en pinne som sticker upp ur vattnet vara böjd. Refraktion beräknas enligt Snells lag, som säger att infallande och brytande strålar ligger i samma plan, och infalls- och brytningsvinklarna är relaterade med en formel.

Inget ämne överför allt infallande ljus, en del av det reflekteras alltid; detta visas också i (Fig.1.4.)

Fig.1.4 Brytningsgeometri.

Precis som reflektion kan transmissionen vara spegelvänd (riktad) eller diffus. Riktningstransmission är karakteristisk för transparenta ämnen, såsom glas. Om du tittar på ett föremål genom ett sådant ämne, med undantag av konturlinjerna på krökta ytor, kommer det inte att finnas någon förvrängning. Om ljus sprids när det passerar genom ett ämne har vi diffus transmission. Sådana ämnen verkar genomskinliga eller ogenomskinliga. Om du tittar på ett föremål genom ett sådant ämne kommer det att se suddigt eller förvrängt ut.

Skuggor

Om observatörens och ljuskällans positioner är desamma är skuggorna inte synliga, men de dyker upp när observatören flyttar till någon annan punkt. En bild med inbyggda skuggor ser mycket mer realistisk ut, och dessutom är skuggor mycket viktiga för modellering. Till exempel kan ett område av särskilt intresse för oss vara osynligt på grund av att det faller i skuggan. Inom tillämpade områden - konstruktion, rymdfarkoster etc. - påverkar skuggor beräkningen av infallande solenergi, värme och luftkonditionering.

Observationer visar att skuggan består av två delar: penumbra och helskugga. Helskuggan är den centrala, mörka, skarpt definierade delen, och penumbra är den ljusare delen som omger den. I datorgrafik övervägs vanligtvis punktkällor, vilket bara skapar en total skugga. Distribuerade ljuskällor av ändlig storlek skapar. både skugga och penumbra: i helskugga finns det inget ljus alls, och penumbra är upplyst av en del av en distribuerad källa. På grund av höga beräkningskostnader beaktas som regel endast den totala skuggan som bildas av en punktljuskälla. Komplexiteten och, följaktligen, kostnaden för beräkningar beror också på källans position. Det är enklast när källan är i oändlighet och skuggorna definieras med ortogonal projektion. Det är svårare om källan är belägen på ett begränsat avstånd, men utanför synfältet; Här behövs en perspektivprojektion. Det svåraste fallet är när källan är i synfältet. Sedan måste du dela upp utrymmet i sektorer och leta efter skuggor separat för varje sektor.

För att bygga skuggorna måste man i huvudsak ta bort de osynliga ytorna två gånger: för positionen för varje källa och för positionen för observatören eller synvinkeln, det vill säga detta är en process i två steg. Tänk på scenen i fig. 1.5. En källa är i oändligheten ovanför: framför till vänster om rutan. Observationspunkten ligger framför: överst till höger på objektet. I det här fallet bildas skuggorna på två sätt: det här är den egna skuggan och den projicerade. Egen skugga erhålls när objektet i sig hindrar ljus från att falla på några av dess ansikten, till exempel på höger sida av en parallellepiped. Samtidigt liknar algoritmen för att konstruera skuggor algoritmen för att ta bort ansikten utan ansikte: ansikten som skuggas av sin egen skugga är icke-ansiktsmässiga om observationspunkten är i linje med ljuskällan.

Fig. 1.5. Skuggor.

Om ett objekt hindrar ljus från att nå ett annat, så erhålls en projektionsskugga, till exempel en skugga på ett horisontellt plan på (Fig. 1.5, b.) För att hitta sådana skuggor måste du bygga projektioner av alla icke-frontytor in på scenen. Mitten av projektionen är vid ljuskällan. Skärningspunkterna för den projicerade ytan med alla andra plan bildar polygoner, som markeras som skuggpolygoner och läggs in i datastrukturen. För att inte införa för många polygoner i det kan du projicera konturen av varje objekt, snarare än individuella ansikten.

Efter att ha lagt till skuggor i datastrukturen, som vanligt, byggs en vy av scenen från en given synvinkel. Observera att för att skapa olika vyer behöver du inte räkna om skuggorna, eftersom de bara beror på källans position och inte beror på observatörens position.

Utveckling av algoritmer

Grundarna av datorgrafik utvecklade ett visst koncept: att bilda en tredimensionell bild baserad på en uppsättning geometriska former. Vanligtvis används trianglar för detta ändamål, mindre ofta - sfärer eller paraboloider. Geometriska former är solida, med förgrundsgeometrin som skymmer bakgrundsgeometrin. Sedan kom utvecklingen av virtuell belysning, som producerade platta, skuggiga områden på virtuella objekt som gav datorbilder tydliga konturer och en något konstgjord look.

Henry Gouraud föreslog att man skulle göra ett genomsnitt av färgen mellan hörnen för att få en jämnare bild. Denna form av kantutjämning kräver minimal beräkning och används för närvarande av de flesta grafikkort. Men vid tiden för sin uppfinning 1971 kunde datorer bara återge de enklaste scenerna på detta sätt.

1974 introducerade Ed Catmull konceptet med Z-bufferten, vars essens var att en bild kan bestå av horisontella (X) och vertikala (Y) element, som var och en också har djup. På så sätt påskyndades processen att ta bort dolda kanter, och nu är denna metod standarden för tredimensionella acceleratorer. En annan uppfinning av Catmull var att linda en 2D-bild runt en 3D-geometri. Att projicera en textur på en yta är det primära sättet att ge ett 3D-objekt ett realistiskt utseende. Till en början var föremålen enhetligt målade i en färg, så till exempel skapandet av en tegelvägg krävde individuell modellering av varje tegelsten och fyllning mellan dem. Nuförtiden kan du skapa en sådan vägg genom att tilldela en bitmapp av tegelvägg till ett enkelt rektangulärt objekt. Denna process kräver en minimal mängd dator- och datorresurser, för att inte tala om en betydande minskning av driftstiden.

Wu Tong Fong förbättrade Gourauds anti-aliasing-princip genom att interpolera nyanserna på hela ytan av en polygon, inte bara områdena som gränsar direkt till ytorna. Även om renderingen i det här fallet är hundra gånger långsammare än med den tidigare versionen av kantutjämning, får objekten det "plastiska" utseende som är inneboende i tidig datoranimering som ett resultat. Maya använder två Phong-färgningsalternativ.

James Blinn kombinerade element av Phong-färgning och texturprojektion för att skapa en reliefstruktur 1976. Om ytan har Phong-kantutjämning applicerad och du kan projicera en texturkarta på den, varför inte använda gråskala enligt normalernas riktning mot kanterna för att skapa en stöteffekt? Ljusare nyanser av grått uppfattas som förhöjningar och mörkare som fördjupningar. Objektets geometri förblir oförändrad och du kan se dess siluett.

Blinn utvecklade också en metod för att använda miljökartor för att bilda reflektioner. Han föreslog att skapa en kubisk miljö genom att återge sex projektioner från mitten av ett objekt. Bilderna som erhålls på detta sätt projiceras sedan tillbaka på objektet, men med fasta koordinater, vilket gör att bilden inte rör sig med objektet. Som ett resultat kommer objektets yta att reflektera miljön. För att framgångsrikt implementera effekten är det nödvändigt att det inte sker någon snabb rörelse av miljöobjekt under animeringsprocessen. 1980 föreslog Turner Whitted en ny visualiseringsteknik som kallas spårning. Detta spårar vägarna för individuella ljusstrålar från ljuskällan till kameralinsen, med hänsyn till deras reflektion från föremål i scenen och brytning i transparenta medier. Även om implementeringen av denna metod kräver en betydande mängd datorresurser, är bilden mycket realistisk och korrekt.

I början av 1980-talet, när datorer blev mer utbredda inom olika verksamhetsområden, började försök att tillämpa datorgrafik på underhållningsområdet, inklusive film. För detta användes speciell hårdvara och kraftiga datorer, men en början gjordes. I mitten av 1980-talet började SGI tillverka högpresterande arbetsstationer för vetenskaplig forskning och datorgrafik.

Alias ​​grundades 1984 i Toronto. Detta namn har två betydelser. För det första översätts det som en "pseudonym", eftersom grundarna av företaget på den tiden tvingades arbeta deltid. För det andra används termen för att beskriva de taggiga kanterna på en bild i datorgrafik. Till en början fokuserade företaget på att släppa mjukvara. designad för att modellera och utveckla komplexa ytor. Sedan skapades Power Animator, en kraftfull och dyr produkt som många tillverkare ansåg vara den bästa som fanns på den tiden.

1984 grundades Wavefront i Saita Barbara. Detta namn översätts bokstavligen som vågfront. Företaget gick omedelbart över till att utveckla programvara för visuella 3D-effekter och producera grafiska intros för TV-programmen Showtime, Bravo och National Geographic Explorer. Den första applikationen som skapades av Wave-front hette Preview. Sedan, 1988, släpptes Softimage, som snabbt blev populärt på marknaden för produkter designade för att fungera med datorgrafik. All mjukvara och hårdvara som användes för att skapa animationer på 80-talet var specialiserad och mycket dyr. I slutet av 80-talet fanns det bara några tusen människor i världen som var involverade i modellering av visuella effekter. Nästan alla av dem arbetade på datorer tillverkade av Silicon Graphics och använde mjukvara från Wavefront, Softimage, etc.

Tack vare tillkomsten av persondatorer började antalet personer som var involverade i skapandet av datoranimation att växa. IBM PC, Amiga, Macintosh och till och med Atari började utveckla programvara för 3D-bildbehandling. 1986 släppte AT&T det första animationspaketet för persondatorer som heter TOPAS. Den kostade 10 000 dollar och kördes på datorer med en Intel 286-processor och ett DOS-operativsystem. Tack vare dessa datorer blev det möjligt att skapa gratis animation, trots den primitiva grafiken och relativt låga beräkningshastigheter. Året därpå släppte Apple Macintosh ett annat persondatorbaserat 3D-grafiksystem som heter Electric Image. 1990 började AutoDesk sälja 3D Studio, en produkt skapad av Yost Group, ett oberoende team som utvecklade grafikprodukter för Atari. Kostnaden för 3D Studio var endast $ 3 000, vilket i persondatoranvändares ögon gjorde det till en värdig konkurrent till TOPAS-paketet. Ett år senare kom NewTeks Video Toaster tillsammans med den lättanvända programvaran LightWave. Amiga-datorer behövdes för att arbeta med dem. Dessa program var mycket efterfrågade på marknaden och såldes i tusentals exemplar. I början av 90-talet blev skapandet av datoranimation tillgänglig för ett brett spektrum av användare. Alla kunde experimentera med animations- och spårningseffekter. Nu kan du ladda ner Steven Coys Vivid-program gratis, som låter dig reproducera spårningseffekter, eller programmet Persistence of Vision Raytracer, mer känt som POVRay. Det senare ger barn och nybörjare en underbar möjlighet att bekanta sig med grunderna i datorgrafik.

Filmer med fantastiska specialeffekter visar ett nytt steg i utvecklingen av datorgrafik och visualisering. Tyvärr tror de flesta användare att skapa imponerande animationer helt beror på datorns kraft. Denna missuppfattning existerar än idag.

När marknaden för 3D-applikationer växer och konkurrensen ökar, har många företag konsoliderat sin teknologi. 1993 slogs Wavefront samman med Thompson Digital Images, som använde NURBS kurvmodellering och interaktiv rendering. Senare utgjorde dessa funktioner grunden för interaktiv fotorealistisk rendering i Maya. 1994 köpte Microsoft Softimage och släppte en version av produkten för Windows NT-plattformar baserad på Pentium-datorer. Denna händelse kan betraktas som början på en era av billig och tillgänglig för den genomsnittliga användaren av en persondatorprogram för att arbeta med tredimensionell grafik. Som svar köpte och slog SGI samman Alias ​​​​och Wavefront 1995 för att förhindra ett minskat intresse för applikationer som kördes uteslutande på SGI:s dedikerade datorer. Nästan omedelbart började ett nytt företag vid namn Alias] Wavefront kombinera de teknologier som stod till sitt förfogande för att skapa ett helt nytt program. Slutligen släpptes Maya 1998 och kostade mellan $15 000 och $30 000 för operativsystemet IRIX på SGI-arbetsstationer. Programmet skrevs från grunden och erbjöd ett nytt sätt att utveckla animation med ett öppet applikationsprogrammeringsgränssnitt (API) och enastående utbyggbarhet. Trots SGI:s ursprungliga avsikt att behålla ensamrätten att tillhandahålla en miljö för Maya, dök en version för Windows NT upp i februari 1999. Det gamla prisschemat har tagits bort och Mayas baspaket kostar nu bara $7 500. Maya 2 dök upp i april samma år och Maya 2.5 dök upp i november, innehållande Paint Effects-modulen (Drawing Effects). Sommaren 2000 släpptes Maya 3, som lade till möjligheten att skapa icke-linjär animation med hjälp av verktyget Trix (videoredigering). I början av 2001 tillkännagavs Maya-versioner för Linux och Macintosh, och Maya 4 för IRIX och Windows NT/2000 började levereras i juni.

Maya är ett program för att skapa 3D-grafik och animation baserat på modeller skapade av användaren i virtuella rymden, upplysta av virtuella ljuskällor och sedda genom virtuella kameralinser. Det finns två huvudversioner av programmet: Maya Complete ($7 500 i skrivande stund) och Maya Unlimited ($ 16 000), som innehåller några specifika funktioner. Maya körs på Windows NT/2000-datorer samt Linux, IRIX eller till och med Macintosh operativsystem. Programmet låter dig skapa fotorealistiska bitmappsbilder, liknande de du får med en digitalkamera. Samtidigt börjar arbetet med vilken scen som helst med ett tomt utrymme. Parametern lu-th kan ändras över tiden, vilket resulterar i en animerad scen efter att en uppsättning bildrutor har renderats.

Maya överträffar många av de 3D-animationspaket som för närvarande finns på marknaden. Programmet används för att skapa effekter i ett stort antal filmer, har ett brett användningsområde inom de områden som vi har listat ovan, och anses vara ett av de bästa inom animationsområdet, trots svårigheten att lära sig det. För tillfället är Mayas främsta konkurrenter LightWave, Softimage XSI och 3ds max, som kostar mellan $2 000 och $7 000. Programvara under $1 000 inkluderar trueSpace, Inspire 3D, Cinema 4D, Vguce och Animation Master.

De flesta av dessa program fungerar bra på persondatorer och har versioner för olika operativsystem som Macintosh. Det är ganska svårt att jämföra dem, men i grund och botten, ju mer komplext programmet är, desto mer komplex animering låter det dig skapa och desto lättare är det att modellera komplexa objekt eller processer.

3D-avbildning

Med tillväxten av datorkraft och tillgängligheten av minneselement, med tillkomsten av högkvalitativa grafiska terminaler och utgångsenheter, har en stor grupp av algoritmer och mjukvarulösningar utvecklats som gör att du kan skapa en bild på skärmen som representerar en viss tredimensionell scen. De första sådana lösningarna var avsedda för uppgifterna med arkitektonisk och mekanisk design.

När man bildar en tredimensionell bild (statisk eller dynamisk) betraktas dess konstruktion inom ett visst koordinatrum, vilket kallas skede. Scenen innebär arbete i en tredimensionell, tredimensionell värld - det var därför riktningen kallades tredimensionell (3-dimensionell, 3D) grafik.

På scenen placeras separata föremål uppbyggda av geometriska volymetriska kroppar och sektioner av komplexa ytor (oftast s.k. B-splines). För att bilda en bild och utföra ytterligare operationer delas ytorna in i trianglar - minimala platta figurer - och bearbetas vidare precis som en uppsättning trianglar.

I nästa steg" värld” koordinater för rutnätsnoder beräknas om med hjälp av matristransformationer till koordinater specifik, dvs. beroende på scenens synvinkel. Utsiktsläge, brukar kallas kameraposition.

Arbetsyta för förberedelsesystem
3D-grafikblender (exempel från webbplatsen
http://www.blender.org)

Efter bildning ram("trådnät") utförs skuggning- ge objektens ytor vissa egenskaper. En ytas egenskaper bestäms i första hand av dess ljusegenskaper: ljusstyrka, reflektionsförmåga, absorptionsförmåga och spridningsförmåga. Denna uppsättning egenskaper låter dig definiera materialet vars yta modelleras (metall, plast, glas, etc.). Transparenta och genomskinliga material har ett antal andra egenskaper.

Som regel, under genomförandet av detta förfarande, klippa osynliga ytor. Det finns många metoder för att utföra denna beskärning, men den mest populära metoden har varit
Z-buffert, när en uppsättning siffror skapas som anger "djup" - avståndet från en punkt på skärmen till den första ogenomskinliga punkten. Nästa ytpunkter kommer att bearbetas endast när deras djup är mindre, och då kommer Z-koordinaten att minska. Kraften i denna metod beror direkt på det maximala möjliga avståndet mellan scenpunkten från skärmen, dvs. på antalet bitar per punkt i bufferten.

Beräkning av en realistisk bild. Genom att utföra dessa operationer kan du skapa den så kallade solida modeller objekt, men den här bilden kommer inte att vara realistisk. För att bilda en realistisk bild på scenen placeras ljuskällor och utförde beräkning av belysning varje punkt på de synliga ytorna.

För att göra objekt mer realistiska, är ytan på objekten "passad" textur - bild(eller proceduren som utgör den), bestämma nyanserna av utseende. Proceduren kallas "texturering". Under texturkartläggning tillämpas sträckning och anti-aliasingmetoder - filtrering. Till exempel, anisotropisk filtrering, som nämns i beskrivningen av grafikkort, beror inte på riktningen för texturtransformation.

Efter att ha bestämt alla parametrar är det nödvändigt att utföra bildbildningsproceduren, d.v.s. beräkning av färgen på prickar på skärmen. Räkneprocessen kallas tolkning.När man utför en sådan beräkning är det nödvändigt att bestämma ljuset som faller på varje punkt i modellen, med hänsyn till det faktum att det kan reflekteras, att ytan kan blockera andra områden från denna källa, etc.

Två huvudmetoder används för att beräkna belysning. Den första är metoden ryggstrålespårning. Med denna metod banan för de strålar som så småningom faller in i pixlarna på skärmen beräknas- baklänges. Beräkningen utförs separat för var och en av färgkanalerna, eftersom ljus med olika spektra beter sig olika på olika ytor.

Andra metoden - strålningsmetod - tillhandahåller beräkning av den integrerade ljusstyrkan för alla områden som faller in i ramen och utbytet av ljus mellan dem.

Den resulterande bilden tar hänsyn till kamerans specificerade egenskaper, dvs. tittare.

Som ett resultat av ett stort antal beräkningar blir det alltså möjligt att skapa bilder som är svåra att skilja från fotografier. För att minska antalet beräkningar försöker man minska antalet objekt och, där det är möjligt, ersätta beräkningen med ett fotografi; till exempel när du bildar bakgrunden till en bild.

Solid modell och slutresultatet av modellberäkning
(exempel från hemsidan http://www.blender.org)

Animation och virtuell verklighet

Nästa steg i utvecklingen av realistiska 3D-grafikteknologier var möjligheten till dess animering - rörelse och bild-för-bild-förändring av scenen. Till en början var det bara superdatorer som kunde klara av en sådan mängd beräkningar, och de användes för att skapa de första tredimensionella animerade videorna.

Senare utvecklades hårdvara speciellt utformad för att beräkna och skapa bilder - 3D-acceleratorer. Detta gjorde det möjligt att i en förenklad form utföra sådan bildning i realtid, vilket används i moderna datorspel. Faktum är att nu även vanliga grafikkort inkluderar sådana faciliteter och är ett slags smala minidatorer.

När du skapar spel, filmar, utvecklar simulatorer, i uppgifterna att modellera och designa olika objekt, har uppgiften att skapa en realistisk bild en annan viktig aspekt - modellering inte bara av rörelsen och förändringen av objekt, utan modellering av deras beteende, motsvarande omvärldens fysiska principer.

Denna riktning, med hänsyn till användningen av alla typer av hårdvara för att överföra omvärldens influenser och öka effekten av närvaro, kallades virtuell verklighet.

För att förkroppsliga sådan realism skapas speciella metoder för att beräkna parametrar och omvandla objekt - att ändra genomskinligheten av vatten från dess rörelse, beräkna beteendet och utseendet på eld, explosioner, kollisioner av föremål, etc. Sådana beräkningar är ganska komplexa, och ett antal metoder har föreslagits för att implementera dem i moderna program.

En av dem är bearbetningen och användningen shaders - belysningsprocedurer.(eller exakt position)på nyckelpunkter enligt någon algoritm. Sådan bearbetning låter dig skapa effekterna av ett "lysande moln", "explosion", öka realismen hos komplexa objekt, etc.

Gränssnitt för att arbeta med den "fysiska" komponenten av bildbildning har dykt upp och håller på att standardiseras, vilket gör det möjligt att öka hastigheten och noggrannheten i sådana beräkningar, och därmed realismen i den skapade världsmodellen.

Tredimensionell grafik är en av de mest spektakulära och kommersiellt framgångsrika utvecklingarna inom informationsteknologi, ofta kallad en av de viktigaste drivkrafterna för hårdvaruutveckling. 3D-grafikverktyg används aktivt inom arkitektur, maskinteknik, vetenskapliga artiklar, vid filminspelning, i datorspel, i undervisning.

Exempel på mjukvaruprodukter

Maya, 3DStudio, Blender

Ämnet är mycket attraktivt för studenter i alla åldrar och uppstår i alla stadier av att studera en datavetenskapskurs. Attraktionskraft för studenter förklaras av en stor kreativ komponent i praktiskt arbete, ett visuellt resultat, samt ett brett tillämpat fokus på ämnet. Kunskaper och färdigheter inom detta område krävs inom nästan alla grenar av mänsklig verksamhet.

I grundskolan övervägs två typer av grafik: raster och vektor. Diskuteras är skillnaderna mellan en art och en annan, som ett resultat - de positiva aspekterna och nackdelarna. Användningsområdena för dessa typer av grafik gör att du kan ange namnen på specifika programvaruprodukter som låter dig bearbeta en eller annan typ av grafik. Därför material om ämnen: rastergrafik, färgmodeller, Vektorgrafik– kommer att efterfrågas i större utsträckning i grundskolan. På gymnasiet kompletteras detta ämne med övervägande av egenskaperna hos vetenskaplig grafik och möjligheterna med tredimensionell grafik. Därför kommer ämnen att vara relevanta: fotorealistiska bilder, modellering av den fysiska världen, komprimering och lagring av grafisk och strömmande data.

Det mesta av tiden tas praktiskt arbete beredning och bearbetning grafiska bilder med hjälp av raster- och vektorgrafikredigerare. I grundskolan är detta vanligtvis Adobe Photoshop, CorelDraw och/eller Macromedia Flach. Skillnaden mellan studier av vissa mjukvarupaket i grundskolan och gymnasiet är mer manifesterad inte i innehållet, utan i arbetsformerna. I grundskolan är detta ett praktiskt (laborativt) arbete, vilket gör att eleverna behärskar mjukvaruprodukten. På gymnasiet blir den huvudsakliga arbetsformen en enskild workshop eller projekt, där huvudkomponenten är innehållet i uppgiften, och mjukvaruprodukterna som används för att lösa den förblir endast ett verktyg.

Biljetter till mellanstadiet och gymnasiet innehåller frågor relaterade till båda teoretiska grunder datorgrafik, och till praktiska färdigheter att bearbeta grafiska bilder. Sådana delar av ämnet som beräkningen av informationsvolymen för grafiska bilder och funktionerna i grafikkodning finns i kontrollmätmaterialen för unified state-examen.

Du läser förmodligen den här artikeln på en datorskärm eller mobil enhetsskärm - en skärm som har riktiga mått, höjd och bredd. Men när du till exempel tittar på den tecknade Toy Story eller spelar spelet Tomb Raider ser du en tredimensionell värld. En av de mest fantastiska sakerna med 3D-världen är att världen du ser kan vara världen vi lever i, världen vi kommer att leva i imorgon, eller världen som bara lever i medvetandet hos skaparna av en film eller ett spel. Och alla dessa världar kan bara visas på en skärm - det här är åtminstone intressant.
Hur lurar en dator våra ögon att tro att vi tittar på en platt skärm för att se djupet på bilden? Hur gör spelutvecklare så att vi ser riktiga karaktärer röra sig i ett riktigt landskap? Idag ska jag berätta om de visuella knep som används av grafiska formgivare och hur allt hänger ihop och verkar så enkelt för oss. Faktum är att allt inte är enkelt, och för att ta reda på hur 3D-grafik är, gå under snittet - där hittar du en fascinerande historia, som jag är säker på att du kommer att kasta dig in i med enastående nöje.

Vad gör en bild till 3D?

En bild som har eller verkar ha höjd, bredd och djup är tredimensionell (3D). En bild som har höjd och bredd men inget djup är tvådimensionell (2D). Påminn mig om var du ser tvådimensionella bilder? – Praktiskt taget överallt. Kom ihåg även den vanliga symbolen på toalettdörren, som indikerar ett skåp för en eller annan våning. Symbolerna är utformade på ett sådant sätt att du kan känna igen dem och känna igen dem med en blick. Det är därför de bara använder de mest grundläggande formerna. Mer detaljerad information om vilken symbol som helst kan berätta vilken typ av kläder den här lilla mannen har på sig, hängande på dörren, eller färgen på håret, till exempel symbolerna för kvinnornas toalettdörr. Detta är en av de viktigaste skillnaderna mellan hur 3D- och 2D-grafik används: 2D-grafik är enkel och minnesvärd, medan 3D-grafik använder mer detaljer och passar mycket mer information i ett till synes vanligt objekt.

Trianglar har till exempel tre linjer och tre vinklar - allt du behöver för att berätta vad triangeln är gjord av och vad den faktiskt är. Se dock på triangeln från andra sidan - pyramiden är en tredimensionell struktur med fyra triangulära sidor. Observera att det i det här fallet redan finns sex linjer och fyra hörn - det här är vad pyramiden består av. Se hur ett vanligt föremål kan förvandlas till ett tredimensionellt föremål och innehålla mycket mer information som behövs för att berätta historien om en triangel eller en pyramid.

I hundratals år har konstnärer använt några visuella knep som kan göra en platt 2D-bild till ett riktigt fönster in i den verkliga 3D-världen. Du kan se en liknande effekt i vanliga fotografier som du kan skanna och visa på en datorskärm: objekt på fotografiet verkar mindre när de är längre bort; Objekt nära kameralinsen är i fokus, vilket innebär att allt bakom objekten i fokus är suddigt. Färger tenderar att bli mindre livfulla om motivet inte är så nära. När vi idag pratar om 3D-grafik på datorer så pratar vi om bilder som rör sig.

Vad är 3D-grafik?

För många av oss är spelen igång personlig dator, en mobil enhet eller ett avancerat spelsystem i allmänhet är det mest slående exemplet och det vanligaste sättet på vilket vi kan tänka på tredimensionell grafik. Alla dessa spel, coola filmer skapade med hjälp av en dator, måste gå igenom tre grundläggande steg för att skapa och presentera realistiska 3D-scener:

1. Skapa en virtuell 3D-värld
2. Bestämma vilken del av världen som kommer att visas på skärmen
3. Bestämma hur en pixel på skärmen kommer att se ut så att hela bilden ser så realistisk ut som möjligt

Vilken del av den virtuella världen visas på skärmen?
Vid varje givet ögonblick visar skärmen bara en liten del av den virtuella 3D-värld som skapats för datorspelet. Det som visas på skärmen är vissa kombinationer av sätt som världen definieras på, där du bestämmer vart du ska åka och vad du ska se. Oavsett var du går - framåt eller bakåt, upp eller ner, vänster eller höger - bestämmer den virtuella 3D-världen runt dig vad du ser när du är i en viss position. Det du ser är meningsfullt från en scen till nästa. Om du tittar på ett föremål från samma avstånd, oavsett riktning, bör det se högt ut. Varje föremål ska se ut och röra sig på ett sådant sätt att du tror att det har samma massa som det verkliga föremålet, att det är lika hårt eller mjukt som det verkliga föremålet, och så vidare.

Programmerarna som skriver datorspel lägger mycket kraft på att designa virtuella 3D-världar och göra dem så att du kan vandra genom dem utan att stöta på något som får dig att tänka "Det här kunde inte hända i den här världen!". Det sista du vill se är två solida föremål som kan gå rakt igenom varandra. Detta är en skarp påminnelse om att allt du ser är en bluff. Det tredje steget innebär minst lika många beräkningar som de andra två stegen och bör också ske i realtid.

Ljus och perspektiv

Belysning spelar en nyckelroll i två effekter som ger utseende, vikt och yttre styrka hos föremål: dimning och skuggor. Den första effekten, mörkare, är när mer ljus faller på ena sidan av ett föremål än den andra. Nedbländningen ger ämnet mycket naturalism. Denna skuggning är det som gör vecken i täcket djupa och mjuka, och de höga kindbenen verkar slående. Dessa skillnader i ljusintensitet förstärker den övergripande illusionen att motivet har såväl djup som höjd och bredd. Illusionen av massa kommer från den andra effekten, skuggan.

Fasta kroppar kastar skuggor när ljuset träffar dem. Du kan se detta när du tittar på skuggan som ett solur eller träd kastar på trottoaren. Därför är vi vana vid att se verkliga föremål och människor som kastar skuggor. I 3D förstärker skuggan återigen illusionen genom att skapa effekten av att vara i den verkliga världen, snarare än på en skärm av matematiskt genererade former.

perspektiv
Perspektiv är ett ord som kan betyda mycket, men som faktiskt beskriver en enkel effekt som alla har sett. Om du står på sidan av en lång, rak väg och tittar i fjärran, verkar det som om båda sidor av vägen sammanstrålar vid en punkt vid horisonten. Dessutom, om träden är nära vägen, kommer träden längre bort att se mindre ut än träden närmare dig. I själva verket kommer det att se ut som att träden konvergerar vid en viss punkt på horisonten som bildas nära vägen, men så är inte fallet. När alla objekt i scenen tycks sluta konvergera på en punkt på avstånd, är det perspektivet. Det finns många varianter av denna effekt, men de flesta 3D-grafik använder den enda synvinkel som jag just har beskrivit.

Skärpedjup

Glättning

En annan effekt som också är beroende av att lura ögat är kantutjämning. Digital grafiksystem mycket bra för att skapa rena linjer. Men det händer också att diagonala linjer har övertaget (de dyker upp ganska ofta i den verkliga världen, och då återger datorn linjer som är mer som stegar (jag tror att du vet vad en stege är när du tittar på bildobjektet i detalj )). För att lura ögat att se en jämn kurva eller linje kan en dator lägga till vissa färgnyanser till raderna av pixlar som omger linjen. Med den här "gråa färgen" av pixlar, lurar datorn bara dina ögon, och under tiden tror du att det inte finns några fler ojämna steg. Denna process att lägga till extra färgade pixlar för att lura ögat kallas kantutjämning, och är en av de tekniker som skapas manuellt av 3D-datorgrafik. En annan svår uppgift för en dator är att skapa 3D-animationer, ett exempel på det kommer att presenteras för dig i nästa avsnitt.

Verkliga exempel

Bilden ovan visar ett typiskt kontor som använder en trottoar för att komma in. På en av följande bilder placerades en enkel, enfärgad boll på trottoaren, varefter scenen fotograferades. Det tredje fotot är redan användningen av ett datorgrafikprogram, som skapade bollen som faktiskt inte finns på detta foto. Kan du säga om det finns några betydande skillnader mellan dessa två bilder? Jag tror nej.

Skapa animation och utseendet på "live action"

Hur många bilder per sekund?
När du går för att se en tjusig storfilm på en lokal biograf, går en sekvens av bilder som kallas skott med 24 bilder per sekund. Eftersom vår näthinna behåller en bild i lite längre tid än 1/24 sekund, kommer de flesta människors ögon att blanda ramar till en kontinuerlig bild av rörelse och action.

Om du inte förstår vad jag just skrev om, titta då på det från andra sidan: det betyder att varje bildruta i filmen är ett fotografi taget med en slutartid (exponering) på 1/24 sekund. Således, om du tittar på en av de många bildrutorna i en racingfilm, kommer du att se att vissa av racerbilarna är "suddiga" eftersom de färdades i hög hastighet medan kameraslutaren var öppen. Denna suddighet av saker som skapas av snabb rörelse är vad vi är vana vid att se, och det är en del av det som gör en bild verklig för oss när vi tittar på den på en skärm.

Digitala 3D-bilder är dock inte fotografier trots allt, så ingen suddighetseffekt uppstår när ett objekt rör sig genom ramen under tagningen. För att göra bilder mer realistiska måste oskärpa uttryckligen läggas till av programmerare. Vissa designers tror att det tar mer än 30 bilder per sekund för att "övervinna" denna brist på naturlig oskärpa, vilket är anledningen till att de pressade spel att nå en ny nivå - 60 bilder per sekund. Även om detta gör att varje enskild bild kan visas i stor detalj och visa rörliga objekt i mindre steg, ökar det avsevärt antalet bildrutor för en given animationssekvens. Det finns andra specifika delar av bilder där korrekt datorrendering måste offras för realismens skull. Det gäller både rörliga och stillastående föremål, men det är en annan historia.

Låt oss komma till ett slut

Datorgrafik fortsätter att förvåna hela världen genom att skapa och generera ett brett utbud av verkligt realistiska rörliga och icke-rörliga objekt och scener. Med 80 kolumner och 25 rader monokrom text har grafiken kommit långt, och resultatet är tydligt – miljontals människor spelar spel och kör alla möjliga simuleringar med dagens teknik. Nya 3D-processorer kommer också att göra sig gällande – tack vare dem kommer vi att bokstavligen kunna utforska andra världar och uppleva saker som vi aldrig vågat prova i verkligheten. Till sist, tillbaka till bollexemplet: hur skapades denna scen? Svaret är enkelt: bilden har en datorgenererad boll. Det är inte lätt att säga vilken av de två som är äkta, eller hur? Vår värld är fantastisk och vi måste leva upp till den. Jag hoppas att du var intresserad och att du själv lärde dig ytterligare en del intressant information.

3D-modellering och visualisering är väsentliga i produktionen av produkter eller deras förpackningar, såväl som vid skapandet av prototyper av produkter och skapandet av volymetrisk animation.

Således tillhandahålls 3D-modellerings- och visualiseringstjänster när:

• en bedömning av produktens fysiska och tekniska egenskaper behövs även innan den skapas i originalstorlek, material och konfiguration;
• det är nödvändigt att skapa en 3D-modell av den framtida interiören.

I sådana fall måste du definitivt tillgripa tjänsterna från specialister inom området 3D-modellering och visualisering.

3D-modeller- en integrerad del av högkvalitativa presentationer och teknisk dokumentation, samt - grunden för att skapa en produktprototyp. Det speciella med vårt företag är förmågan att utföra en hel cykel av arbete för att skapa ett realistiskt 3D-objekt: från modellering till prototypframställning. Eftersom allt arbete kan utföras i ett komplex minskar detta avsevärt tiden och kostnaderna för att hitta entreprenörer och sätta nya tekniska uppgifter.

När det kommer till en produkt hjälper vi dig att släppa dess provserie och etablera ytterligare produktion, småskalig eller industriell skala.

Definition av begreppen "3D-modellering" och "visualisering"

3D-grafik eller 3D-modellering- datorgrafik, som kombinerar de tekniker och verktyg som krävs för att skapa tredimensionella objekt i ett tekniskt utrymme.

Tekniker bör förstås som metoder för att bilda ett tredimensionellt grafiskt objekt - beräkna dess parametrar, rita ett "skelett" eller en tredimensionell icke-detaljerad form; extrudering, uppbyggnad och utskärning av delar m.m.

Och under verktygen - professionella program för 3D-modellering. Först och främst - SolidWork, ProEngineering, 3DMAX, samt några andra program för volymetrisk visualisering av objekt och utrymme.

Volymåtergivningär skapandet av en tvådimensionell rasterbild baserad på en konstruerad 3d-modell. I sin kärna är detta den mest realistiska bilden av ett tredimensionellt grafiskt objekt.

Tillämpningar av 3D-modellering:

• Reklam och marknadsföring

Tredimensionell grafik är oumbärlig för presentationen av den framtida produkten. För att starta produktionen behöver du rita och sedan skapa en 3D-modell av objektet. Och redan på basis av en 3D-modell, med hjälp av snabb prototypteknik (3D-utskrift, fräsning, silikongjutning, etc.), skapas en realistisk prototyp (prov) av den framtida produkten.

Efter rendering (3D-visualisering) kan den resulterande bilden användas i utvecklingen av förpackningsdesign eller i skapandet av utomhusreklam, POS-material och utställningsmonterdesign.

• stadsplanering

Med hjälp av tredimensionell grafik uppnås den mest realistiska modelleringen av stadsarkitektur och landskap - till minimal kostnad. Visualisering av byggnadsarkitektur och landskapsdesign gör att investerare och arkitekter kan känna effekten av att vara i det designade utrymmet. Det gör att du objektivt kan bedöma projektets fördelar och eliminera bristerna.

• Industri

Modern produktion kan inte föreställas utan förproduktionsmodellering av produkter. Med tillkomsten av 3D-teknologier har tillverkare kunnat spara material avsevärt och minska de ekonomiska kostnaderna för teknisk design. Med 3D-modellering skapar grafiska designers 3D-bilder av delar och objekt som sedan kan användas för att skapa formar och objektprototyper.

• Datorspel

3D-teknik har använts för att skapa datorspel i mer än ett decennium. I professionella program ritar erfarna specialister manuellt 3D-landskap, karaktärsmodeller, animerar skapade 3D-objekt och karaktärer och skapar även konceptkonst (konceptdesign).

• Bio

Hela den moderna filmbranschen fokuserar på 3D-film. För sådan filmning används speciella kameror som kan fotografera i 3D. Dessutom skapas med hjälp av tredimensionell grafik för filmindustrin enskilda objekt och fullfjädrade landskap.

• Arkitektur och inredning

Tekniken för 3D-modellering inom arkitektur har länge etablerat sig från den bästa sidan. Idag är skapandet av en tredimensionell modell av en byggnad ett oumbärligt designattribut. Baserat på 3d-modellen kan du skapa en prototyp av byggnaden. Dessutom både en prototyp som bara upprepar byggnadens allmänna konturer och en detaljerad prefabricerad modell av den framtida byggnaden.

När det gäller inredning kan kunden med hjälp av 3d-modelleringsteknik se hur hans hem eller kontor kommer att se ut efter reparationen.

• Animation

Med hjälp av 3D-grafik kan du skapa en animerad karaktär, "få" honom i rörelse, och även, genom att designa komplexa animationsscener, skapa en fullfjädrad animerad video.

Stadier av 3D-modellutveckling

Utvecklingen av en 3D-modell genomförs i flera steg:

1. Modellera eller skapa modellgeometri

Vi talar om att skapa en tredimensionell geometrisk modell, utan att ta hänsyn till objektets fysiska egenskaper. Metoderna som används är:

• extrudering;
• modifieringsmedel;
• polygonal modellering;
• rotation.

2. Texturera ett objekt

Nivån av realism för den framtida modellen beror direkt på valet av material när du skapar texturer. Professionella program för att arbeta med tredimensionell grafik är praktiskt taget obegränsade i möjligheterna att skapa en realistisk bild.

3. Sätta upp ljus och utsiktsplatser

Ett av de svåraste stegen för att skapa en 3D-modell. Den realistiska uppfattningen av bilden beror faktiskt direkt på valet av ljuston, nivån på ljusstyrka, skärpa och skuggdjup. Dessutom är det nödvändigt att välja en observationspunkt för objektet. Detta kan vara ett fågelperspektiv eller att skala utrymmet för att uppnå effekten av att vara i det - genom att välja en vy av objektet från mänsklig höjd.+

4. 3D-visualisering eller rendering

Det sista steget av 3D-modellering. Den består i att detaljera visningsinställningarna för 3D-modellen. Det vill säga tillägg av grafiska specialeffekter, såsom bländning, dimma, utstrålning, etc. När det gäller videorendering bestäms de exakta parametrarna för 3D-animeringen av karaktärer, detaljer, landskap etc. (tid för färgskillnader, glöd etc.).

I samma skede är visualiseringsinställningar detaljerade: det erforderliga antalet bilder per sekund och förlängningen av den slutliga videon väljs (till exempel DivX, AVI, Cinepak, Indeo, MPEG-1, MPEG-4, MPEG-2, WMV, etc.). Om det är nödvändigt att erhålla en tvådimensionell rasterbild bestäms bildens format och upplösning, främst JPEG, TIFF eller RAW.

5. efterbearbetning

Bearbeta tagna bilder och videor med mediaredigerare - Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro (eller Final Cut Pro / Sony Vegas), GarageBand, Imovie, Adobe After Effects Pro, Adobe Illustrator, Samplitude, SoundForge, Wavelab och mer.

Postproduktion är att ge mediefiler ursprungliga visuella effekter, vars syfte är att väcka en potentiell konsuments sinne: att imponera, väcka intresse och bli ihågkommen under lång tid!

3D-modellering i gjuteriet

Inom gjuteriindustrin blir 3D-modellering gradvis en oumbärlig teknisk komponent i produktskapandeprocessen. Om vi ​​pratar om gjutning i metallformar skapas 3D-modeller av sådana formar med hjälp av 3D-modelleringstekniker, såväl som 3D-prototyper.

Men inte mindre populärt idag är att få gjutning i silikonformar. I det här fallet kommer 3D-modellering och visualisering att hjälpa dig att skapa en prototyp av ett objekt, på grundval av vilken en form kommer att göras av silikon eller annat material (trä, polyuretan, aluminium, etc.).

3D-visualiseringsmetoder (rendering)

1. Rasterisering.

Ett av de mest enkla metoder tolkning. När du använder den tas inte hänsyn till ytterligare visuella effekter (till exempel färgen och skuggan på objektet i förhållande till synvinkeln).

2. Strålkastning.

En 3D-modell ses från en viss, förutbestämd punkt - från en mänsklig höjd, ett fågelperspektiv, etc. Strålar skickas från synvinkeln, som bestämmer objektets chiaroscuro när det ses i det vanliga 2D-formatet.

3. Ray spårning.

Denna renderingsmetod innebär att strålen, när den träffar en yta, delas upp i tre komponenter: reflekterad, skugga och bryts. Detta bildar faktiskt färgen på pixeln. Dessutom beror bildens realism direkt på antalet uppdelningar.

4. Banspårning.

Ett av de mest komplexa metoder 3D-visualisering. När du använder denna 3D-renderingsmetod är utbredningen av ljusstrålar så nära som möjligt de fysiska lagarna för ljusutbredning. Det är detta som säkerställer den höga realismen i den slutliga bilden. Det är värt att notera den här metodenär resurskrävande.

Vårt företag kommer att förse dig med ett komplett utbud av tjänster inom området 3D-modellering och visualisering. Vi har alla tekniska möjligheter att skapa 3D-modeller av varierande komplexitet. Vi har även lång erfarenhet av 3d-visualisering och modellering, som du kan se själv genom att granska vår portfolio, eller våra andra verk som ännu inte presenterats på sajten (på begäran).

Varumärkesbyrå KOLORO kommer att förse dig med tjänster för produktion av en provserie av produkter eller dess småskaliga produktion. För att göra detta kommer våra specialister att skapa den mest realistiska 3D-modellen av objektet du behöver (förpackning, logotyp, karaktär, 3D-prov av någon produkt, form, etc.), på grundval av vilken en produktprototyp kommer att skapas. Kostnaden för vårt arbete beror direkt på komplexiteten hos 3D-modelleringsobjektet och diskuteras på individuell basis.