Grafika trójwymiarowa - co to takiego??

Grafika trójwymiarowa to grafika, która wykorzystuje trójwymiarową reprezentację kształtów geometrycznych (często kartezjańskich) przechowywanych w komputerze w celu obliczania i renderowania obrazów dwuwymiarowych. Obrazy te mogą być zapisane do późniejszego przeglądania lub wyświetlane w czasie rzeczywistym.

Co to jest?

Trójwymiarowa grafika komputerowa opiera się na wielu tych samych algorytmach, co dwuwymiarowe wektory komputerowe w modelu wireframe i dwuwymiarowe bitmapy komputerowe w końcowym wyświetlanym obrazie. W aplikacjach grafiki komputerowej programy 2D mogą używać metod 3D do uzyskania podobnych efektów (takich jak oświetlenie), a programy 3D mogą używać metod renderingu 2D.

Grafika 3D często określana jest mianem modeli 3D. Oprócz wyrenderowanego obrazu, model jest zawarty w pliku z danymi graficznymi. Jest jednak pewna różnica: model trójwymiarowy jest matematyczną reprezentacją obiektu trójwymiarowego. Nie są one technicznie grafiką, dopóki nie zostaną wyrenderowane. Może być renderowany wizualnie jako obraz 2D w procesie zwanym renderingiem 3D lub może być wykorzystywany w niegraficznych symulacjach komputerowych i obliczeniach.

Druk 3D podobnie przekształca te modele w trójwymiarową reprezentację fizyczną, z ograniczeniami co do dokładności renderingu dla modelu wirtualnego.

Historia techniki

System grafiki trójwymiarowej ma dość długą historię. William Vetter jest autorem terminu "grafika komputerowa" od 1961 roku, aby opisać swoją pracę w Boeingu. Jednym z pierwszych dzieł w stylu animacji komputerowej był Futureworld (1976), który zawierał animację ludzkiej twarzy i dłoni. Technologia ta pojawiła się pierwotnie w eksperymentalnym filmie krótkometrażowym A Computer Animated Hand z 1972 roku, stworzonym przez studentów Uniwersytetu Utah - Edwina Catmulla i Freda Parke`a. Od tego czasu, trójwymiarowa grafika jest przełomową technologią, która zaczęła rozwijać się bardzo aktywnie do dnia dzisiejszego.

Oprogramowanie do grafiki 3D zaczęło pojawiać się na komputerach domowych pod koniec lat 70. Najwcześniejszym znanym przykładem jest 3D Art Graphics, pakiet efektów grafiki komputerowej 3D napisany przez Kazumasę Mitazawę i wydany w czerwcu 1978 roku dla Apple II.

Jak to się robi?

Tworzenie grafiki trójwymiarowej dzieli się na trzy główne etapy:

• Modelowanie 3D - to proces tworzenia modelu komputerowego, który przedstawia kształt obiektu.
• Układ i animacja - rozmieszczenie i ruch obiektów w obrębie sceny.
• Rendering 3D - obliczenia komputerowe, które generują obraz na podstawie położenia światła, rodzajów powierzchni i innych cech.

Modelowanie

Modelowanie opisuje proces tworzenia kształtu obiektu. Dwa najczęściej spotykany Źródła modeli trójwymiarowych są następujące:

• te, które artysta lub inżynier tworzy na komputerze za pomocą jakiegoś narzędzia do modelowania 3D;
• Modele zeskanowane do komputera z rzeczywistych obiektów.

Mogą być również wytwarzane proceduralnie lub poprzez modelowanie fizyczne. Zasadniczo model trójwymiarowy jest tworzony z punktów zwanych wierzchołkami, które definiują kształt i tworzą wielokąty. Służy do tego konstrukcja trójwymiarowych działek.

Wielokąt to obszar utworzony przez co najmniej trzy wierzchołki (trójkąt). Z kolei wielokąt o n punktach jest n-gonem. Integralność modelu w ogóle, a także jego przydatność do animacji, zależy od jego struktury. Aby był on funkcjonalny, należy prawidłowo wykreślić wykres trójwymiarowy.

Proces modelowania

Istnieją trzy powszechne metody reprezentacji modelu. Różnią się one w ten sposób:

• Wielokąt - punkty w przestrzeni trójwymiarowej, zwane wierzchołkami, są połączone odcinkami, tworząc siatkę wielokątów. Większość nowoczesnych modeli trójwymiarowych jest budowana jako teksturowane wielokąty, ponieważ są one elastyczne i komputery mogą je bardzo szybko wyświetlać. Jednak wielokąty są płaskie i mogą jedynie przybliżać zakrzywione powierzchnie za pomocą wielokątów.
• Modelowanie krzywych - powierzchnie są definiowane przez krzywe, na które wpływają ważone punkty kontrolne. Krzywa podąża za punktem (ale nie musi go interpolować). Zwiększenie wagi dla punktu powoduje zbliżenie krzywej do niego. Typy krzywych obejmują niejednolitą racjonalną B-splajnę (NURBS), łaty, splajny i prymitywy geometryczne.
• Cyfra to wciąż stosunkowo nowa metoda modelowania. W ostatnich latach stała się ona bardzo popularna.

Obecnie istnieją trzy rodzaje modelowania cyfrowego:

• Offset, który jest najczęściej stosowany w aplikacjach. W tym momencie nakładany jest gęsty model (często generowany przez wielokątne powierzchnie podziału siatki kontrolnej), który zachowuje nowe lokalizacje dla pozycje punktów za pomocą mapy obrazu, w której przechowywane są skorygowane pozycje.
• Wolumetryczny, luźno oparty na wokselach, który ma podobne możliwości przemieszczania, ale nie cierpi z powodu rozciągania granic, gdy nie ma wystarczającej liczby punktów, aby osiągnąć deformację obiektu.
• Dynamiczna teselacja jest podobna do voxeli, ale oddziela powierzchnię przez triangulację, aby zachować gładkość i szczegółowość powierzchni.

Modelowanie może odbywać się za pomocą konkretnego programu (np. Cinema 4D, 3ds Max, Maya, Blender, Modo, LightWave) lub za pomocą komponentu aplikacji (Shaper, Lofter w 3ds Max), lub za pomocą jakiegoś języka opisu sceny (jak w POV-Ray). Czasami nie ma ścisłego rozróżnienia między tymi fazami. W tych przypadkach modelowanie 3D jest tylko częścią procesu budowania sceny.

Złożone materiały, takie jak ruchomy piasek, chmury i rozpylona ciecz, są modelowane przy użyciu systemów cząstek i są reprezentowane przez tablicę współrzędnych 3D, którym przypisywane są punkty, wielokąty, tekstury lub spirale.

Materiały i tekstury

Materiały i tekstury to właściwości, które silnik renderujący wykorzystuje do tworzenia modelu. W bezstronnym mechanizmie renderingu, takim jak pętle blendera, możesz poinstruować silnik o materiałach modelu. Na przykład, w ten sposób można dostosować sposób traktowania światła po uderzeniu w powierzchnię.

Tekstury są używane do nadania koloru materiałowi, używając mapy koloru lub albedo, lub do dodania cech powierzchni, używając mapy nierówności lub normalnej. Można to również wykorzystać do zmiany kształtu samego modelu za pomocą mapy przesunięcia. Choć powstaje w wyniku budowania trójwymiarowych działek, procesy te mają duży wpływ.

Układ i animacja

Obiekty muszą być umieszczone w kompozycji zanim zostaną wyrenderowane w obrazie. Określa to relacje przestrzenne pomiędzy różnymi obiektami, w tym ich wielkość i położenie. Animacja to czasowy opis obiektu (tzn. jak się porusza i deformuje w czasie). Popularne metody obejmują kadrowanie, odwrotną kinematykę i motion capture. Metody te są często stosowane w połączeniu i mają bezpośredni wpływ na wydajność grafiki 3D. Podobnie jak w przypadku animacji, modelowanie fizyczne również definiuje ruch.

Czym jest renderowanie?

Rendering przekształca model w obraz poprzez symulację przenoszenia światła w celu uzyskania fotorealistycznych obrazów albo poprzez zastosowanie Styl artystyczny, jak w przypadku renderingu niefotorealistycznego.

W realistycznym renderingu dwie główne operacje to transport (jak dużo światła jest przenoszone z jednego miejsca do drugiego) i rozpraszanie (interakcja powierzchni ze światłem).

Ten krok jest zwykle wykonywany przy użyciu oprogramowanie dla grafiki komputerowej 3D lub API dla niej. Zmiana sceny w odpowiednią formę do renderingu obejmuje również projekcję 3D, która wyświetla trójwymiarowy obraz w dwóch wymiarach. Chociaż oprogramowanie do modelowania 3D i CAD może również wykonywać renderowanie 3D (takie jak Autodesk 3DS Max lub Blender), istnieje również ekskluzywne oprogramowanie do renderowania 3D.

Oprogramowanie

Programy do grafiki 3D tworzą obrazy generowane komputerowo (CGI) poprzez modelowanie i renderowanie 3D. Lub tworzyć modele do celów analitycznych, naukowych lub przemysłowych.

Oprogramowanie do modelowania 3D to klasa programów komputerowych służących do tworzenia trójwymiarowych modeli. Poszczególne programy tej klasy nazywane są serwisami symulacyjnymi lub konstruktorami modeli.

Usługi te pozwalają użytkownikom realizować i modyfikować modele z wykorzystaniem siatki 3D. Artyści mogą więc dowolnie odejmować, dodawać, rozciągać i w inny sposób modyfikować siatkę. Modele można oglądać pod różnymi kątami, zwykle jednocześnie. Można je obracać oraz przybliżać i oddalać widok.

Większość programów 3D zawiera szereg powiązanych opcji, takich jak ray tracer i inne alternatywy renderingu oraz narzędzia do mapowania tekstur. Niektóre oferują również funkcje wspierające lub umożliwiające animację modelu. Niektóre z nich mogą być w stanie wygenerować wideo w pełnym ruchu z serii renderowanych scen (tj. animacji).

Komputerowe systemy wspomagania projektowania

Trójwymiarowa grafika jest wynikiem współdziałania różnych usług. Oprogramowanie dla wspomaganego komputerowo oprogramowanie do projektowania może wykorzystywać te same podstawowe techniki, co oprogramowanie do modelowania, ale ich cel jest inny. Są one wykorzystywane w komputerowo wspomaganym projektowaniu, komputerowo wspomaganym wytwarzaniu, analizie elementów skończonych, zarządzaniu cyklem życia produktu, druku 3D i zautomatyzowanym projektowaniu architektonicznym.

Narzędzia dodatkowe

Po wyprodukowaniu materiału wideo, studia zajmują się jego edycją lub łączeniem przy użyciu oprogramowania takiego jak Adobe Premiere Pro lub Final Cut Pro na poziomie średniozaawansowanym lub Autodesk Combustion, Digital Fusion lub Shake na poziomie zaawansowanym. Oprogramowanie dopasowujące ruch jest powszechnie stosowane do tworzenia edycji w czasie rzeczywistym z wideo generowanym komputerowo i synchronizuje je w miarę ruchu kamery.

Wspólnoty

Istnieje wiele stron internetowych poświęconych twórcom oprogramowania, ale istnieją również indywidualne zasoby dla hobbystów. Społeczności te pozwalają uczestnikom pytać o radę, zamieszczać tutoriale, dostarczać recenzje produktów lub publikować przykłady własnej pracy.

Różnice w stosunku do innych rodzajów grafiki komputerowej

Nie wszystkie grafiki komputerowe, które pojawiają się w 3D są oparte na modelu wireframe. Jego odmiana 2D z fotorealistycznymi efektami 3D jest często osiągana bez modelowania wireframe i w ostatecznej formie bywa nie do odróżnienia. Niektóre programy graficzne zawierają filtry, które można zastosować do grafiki wektorowej 2D lub map bitowych 2D na przezroczystych warstwach. Artyści wizualni mogą również kopiować lub renderować obrazy 3D i ręcznie tworzyć fotorealistyczne efekty bez użycia filtrów.

Jednak prawdziwy tryb 3D w wideo i animacji najczęściej wymaga specjalnego sprzętu (okularów) dla lepszego oglądania.

Pseudo-3D i prawdziwe 3D

Niektóre gry wideo wykorzystują ograniczone projekcje środowisk trójwymiarowych, takie jak grafika izometryczna lub wirtualne kamery o stałych kątach, zaprojektowane w celu zwiększenia wydajności silnika gry lub w celach stylistycznych i związanych z rozgrywką. Uważa się, że takie gry wykorzystują grafikę pseudo-3D.

Wydajność grafiki 3D i gier opartych na symulacji jest diametralnie różna.