Триизмерните графики са това, което са?

Триизмерната графика е графика, която използва триизмерно представяне на геометрични фигури (често декартово), съхранено в компютър, с цел изчисляване и изобразяване на двуизмерни изображения. Такива снимки могат да бъдат запазени за по-късен преглед или показани в реално време.

Какво представлява?

Триизмерните компютърни графики разчитат на много от същите алгоритми като двуизмерните компютърни вектори в телеграфния модел и двуизмерните компютърни битови картини в крайното показано изображение. В приложенията за компютърна графика 2D програмите могат да използват 3D методи за постигане на подобни ефекти (напр. осветление), а 3D програмите могат да използват 2D методи за визуализация.

Триизмерните графики често се наричат 3D модели. В допълнение към визуализираното изображение моделът се съдържа във файл с графични данни. Има обаче разлика: 3D моделът е математическо представяне на триизмерен обект. Технически не е графика, докато не бъде показана. Тя може да бъде показана визуално в две измерения чрез процес, наречен 3D рендиране, или може да се използва в неграфични компютърни симулации и изчисления.

3D принтирането по подобен начин превръща тези модели в триизмерно физическо представяне, като има ограничения за това колко точно може да бъде визуализирането на виртуалния модел.

История на технологиите

Триизмерната графична система има доста дълга история. От 1961 г. насам на Уилям Ветър се приписва терминът "компютърна графика", за да опише работата си в Boeing. Една от първите творби в стила на компютърната анимация е "Светът на бъдещето" (1976 г.), която включва анимация на човешко лице и ръка. Първоначално технологията се появява в експерименталния късометражен филм "Компютърно анимирана ръка" от 1972 г., създаден от студентите от университета в Юта Едуин Катмул и Фред Парк. Оттогава насам триизмерните графики са революционна технология, която се е развила значително и до днес.

В края на 70-те години на миналия век започва да се появява софтуер за 3D графика за домашни компютри. Най-ранният известен пример е 3D Art Graphics - набор от триизмерни компютърни графични ефекти, написани от Казумаса Митазава и пуснати през юни 1978 г. за Apple II.

Как се прави това?

Създаването на триизмерни графики е разделено на три основни етапа:

• 3D моделиране - процесът на създаване на компютърен модел, който представя формата на даден обект.
• Разпределение и анимация - поставяне и преместване на обекти в сцената.
• 3D визуализация - компютърни изчисления, които въз основа на разположението на светлината, видовете повърхности и други качества генерират изображение.

Моделиране

Моделирането описва процеса на създаване на формата на даден обект. Две Най-често срещаните са Източниците на триизмерни модели са следните:

• тези, които художник или инженер създава на компютър с помощта на някакъв инструмент за триизмерно моделиране;
• модели, сканирани в компютър от реални обекти.

Те могат да бъдат създадени и процедурно или чрез физическо моделиране. По същество триизмерният модел се създава от точки, наречени върхове, които определят формата и образуват многоъгълници. За тази цел се използва конструирането на триизмерни площи.

Многоъгълник е площ, образувана от поне три върха (триъгълник). От своя страна, многоъгълник от n точки е n-ъгълник. Цялостта на модела като цяло и неговата пригодност за анимация зависят от неговата структура. За да функционира, триизмерният граф трябва да бъде правилно конструиран.

Процесът на моделиране

Съществуват три общи метода за представяне на модела. Те се различават по следния начин:

• Полигонална - точките в триизмерното пространство, наречени върхове, са свързани със сегменти, за да образуват полигонална мрежа. Повечето съвременни 3D модели са изградени като текстурирани полигонални модели, тъй като са гъвкави и компютрите могат да ги показват много бързо. Полигоните обаче са плоски и с тях може да се постигне само приблизителна представа за извити повърхности.
• Моделиране на криви - повърхностите се дефинират чрез криви, които се влияят от претеглени контролни точки. Кривата следва (но не е задължително да интерполира) точките от. Увеличаването на теглото за дадена точка ще приближи кривата към нея. Видовете криви включват неравномерни рационални B-образни линии (NURBS), петна, сплайни и геометрични примитиви.
• Цифрово - все още сравнително нов метод на моделиране. През последните няколко години тя стана много популярна.

Днес съществуват три вида числено моделиране:

• офсет, който се използва най-често в приложения. В този момент се прилага плътен модел (често генериран от полигонални повърхнини за разделяне на контролната мрежа), който запазва новите места за позициите на върховете с помощта на карта на изображението, в която се съхраняват коригирани местоположения.
• Обемни, свободно базирани на воксели, които имат подобни възможности за преместване, но не страдат от разтягане на границите, когато няма достатъчно точки за постигане на деформация на обекта.
• Динамичното теселиране е подобно на вокселите, но разделя повърхността чрез триангулация, за да се запази гладка повърхност и да се получат по-фини детайли.

Моделирането може да се извършва с конкретна програма (например Cinema 4D, 3ds Max, Maya, Blender, Modo, LightWave) или с компонент на приложение (Shaper, Lofter в 3ds Max), или с някакъв език за описание на сцени (като в POV-Ray). Понякога няма строго разграничение между тези фази. В тези случаи 3D моделирането е само част от процеса на създаване на сцената.

Сложните материали, като например движещ се пясък, облаци и течни пръски, се моделират с помощта на системи от частици и представляват маса от триизмерни координати, на които се присвояват точки, полигони, текстури или спирали.

Материали и текстури

Материалите и текстурите са свойства, които механизмът за визуализация използва за създаване на модела. В безпристрастен енджин за рендиране, като например Blender Cycles, можете да дадете указания на енджина за материалите на модела. Например може да се използва за регулиране на начина, по който се обработва светлината, когато попада върху повърхност.

Текстурите се използват за придаване на цвят на материала, като се използва карта на цвета или албедо, или за добавяне на характеристики на повърхността, като се използва карта на ударите или нормална карта. Това може да се използва и за промяна на формата на самия модел, като се използва карта на отместването. Въпреки че са създадени чрез изграждане на триизмерни диаграми, тези процеси оказват силно влияние.

Оформление и анимация

Преди да бъдат визуализирани в изображение, обектите трябва да бъдат поставени в композиция. Това определя пространствените взаимоотношения между различните обекти, включително техния размер и местоположение. Анимацията е времево описание на обект (т.е. как той се движи и деформира във времето). Общите техники включват рамкиране, обратна кинематика и улавяне на движението. Тези техники често се използват в комбинация и оказват пряко въздействие върху производителността на 3D графиките. Както и при анимацията, физическото моделиране също определя движението.

Какво се предоставя?

Изобразяването трансформира модела в изображение чрез симулиране на предаването на светлината, за да се получат фотореалистични изображения по приложение художествен стил, както при нефотореалистично изобразяване.

При реалистичното визуализиране двете основни операции са пренос (колко светлина достига от едно място до друго) и разсейване (взаимодействието на повърхностите със светлината).

Тази стъпка обикновено се извършва с помощта на софтуер За 3D компютърна графика или API за нея. Преобразуването на сцената в подходяща за визуализиране форма включва и 3D прожекция, която показва триизмерно изображение в две измерения. Въпреки че софтуерът за 3D моделиране и CAD също може да извършва 3D рендиране (например Autodesk 3DS Max или Blender), съществува и изключителен софтуер за 3D рендиране.

Софтуер

Програми за 3D графика създават компютърно генерирани изображения (CGI) с помощта на 3D моделиране и рендиране. или да създавате модели за аналитични, научни или промишлени цели.

Приложенията за 3D моделиране са клас софтуер за компютърна графика, който се използва за създаване на триизмерни модели. Отделните програми от този клас се наричат симулационни услуги или разработчици на модели.

Такива услуги позволяват на потребителите да реализират и модифицират модели с помощта на 3D мрежа. Така че художниците могат да изваждат, добавят, разтягат и по друг начин да променят решетката, както намерят за добре. Моделите могат да се разглеждат от различни ъгли, обикновено едновременно. Те могат да се завъртат и изгледът може да се увеличава и намалява.

Повечето 3D софтуери включват редица свързани опции, като например трасиращи лъчи и други алтернативи за рендиране и инструменти за картографиране на текстури. Някои от тях предлагат и функции, които поддържат или позволяват анимация на модела. Някои от тях могат да генерират видео с пълно движение от поредица от визуализирани сцени (т.е. анимации).

Компютърно подпомагани системи за проектиране

3D графиките са резултат от взаимодействието на различни услуги. Софтуер за автоматизиран Софтуерът за проектиране може да използва същите основни техники като самия софтуер за моделиране, но целта им е различна. Те се използват в областта на компютърното проектиране, компютърно подпомаганото производство, анализа на крайни елементи, управлението на жизнения цикъл на продуктите, 3D принтирането и автоматизираното архитектурно проектиране.

Допълнителни инструменти

След производството студията редактират или комбинират видеоклипа с помощта на софтуер като Adobe Premiere Pro или Final Cut Pro на средно ниво или Autodesk Combustion, Digital Fusion или Shake на по-високо ниво. Софтуерът за съвпадение на движенията обикновено се използва за редактиране в реално време с компютърно генерирано видео и ги синхронизира при движението на камерата.

Общности

Има много уебсайтове, предназначени за разработчици на софтуер, но има и индивидуални любителски ресурси. Тези общности позволяват на участниците да искат съвети, да публикуват уроци, да правят ревюта на продукти или да публикуват примери за собствената си работа.

Разлики от други видове компютърна графика

Не всички компютърни графики, които се появяват в 3D, се основават на модел на телена рамка. Неговата двуизмерна разновидност с триизмерни фотореалистични ефекти често се постига без моделиране на телена рамка и понякога е неразличима в крайния си вид. Някои графични програми включват филтри, които могат да се прилагат към двуизмерни векторни графики или двуизмерни битови картини върху прозрачни слоеве. Визуалните артисти могат също така да копират или рендират 3D изображения и ръчно да създават фотореалистични ефекти без използване на филтри.

Истинското 3D при видео и анимация обаче най-често изисква специално оборудване (очила) за по-добро гледане.

Псевдо-3D и истински 3D

В някои видеоигри се използват ограничени проекции на триизмерна среда, като изометрични графики или виртуални камери с фиксирани ъгли, създадени за подобряване на работата на игровия енджин или за стилистични и игрови цели. Смята се, че в тези игри се използват псевдо-3D графики.

Производителността на 3D графики и симулационни игри се различава значително.