Комп'ютерна 3D-графіка

Комп'ютерна 3D-графіка (CGI, 3-D-CGI або тривимірна комп’ютерна графіка) — це графіка, яка використовує тривимірне представлення геометричних даних (часто декартових), які зберігаються в комп’ютері з метою виконання обчислень і візуалізації цифрових зображень, зазвичай 2D зображення, але іноді 3D. Отримані зображення можна зберегти для подальшого перегляду (наприклад, анімація) або відобразити в реальному часі.

Тривимірна комп'ютерна (3D) графіка

Комп'ютерна 3D-графіка, всупереч тому, що випливає з назви, найчастіше відображається на двовимірних дисплеях. Але, на відміну анагліфічних зображень, зворотний бік об'єктів тривимірної графіки існує як цифрові дані.

Комп'ютерна 3D-графіка базується на багатьох тих самих алгоритмах, що й комп'ютерна 2D векторна графіка в каркасній моделі та комп'ютерна 2D растрова графіка в кінцевому рендеринговому дисплеї. У програмному забезпеченні комп’ютерної графіки програми 2D-графіки можуть використовувати методи 3D-графіки для досягнення таких ефектів, як освітлення, і аналогічно 3D може використовувати деякі методи 2D-рендерингу.

Об’єкти в комп'ютерній 3D-графіці часто називають 3D-моделями. На відміну від відтвореного зображення, ці моделі містяться у файлі графічних даних. Тривимірна модель – це математичне зображення будь-якого тривимірного об’єкта; технічно модель не є графікою, доки її не відобразять. Модель можна відобразити візуально як двовимірне зображення за допомогою процесу, що називається 3D-рендеринг, або її можна використовувати в неграфічному чисельному моделюванні та обчисленнях. За допомогою 3D-друку моделі перетворюються на фактичне 3D фізичне представлення самих себе з деякими обмеженнями щодо того, наскільки точно фізична модель може збігатися з віртуальною.

Історія

У 1961 році Вільям Феттер ввів термін комп’ютерна графіка для опису своєї роботи в Boeing. Ранній приклад інтерактивної тривимірної комп'ютерної графіки був досліджений у 1963 році за допомогою програми Sketchpad в лабораторії Лінкольна Массачусетського технологічного інституту. Одним із перших показів комп’ютерної анімації був Futureworld (1976), який включав анімацію людського обличчя та руки, яка спочатку з’явилася в експериментальному короткометражному фільмі 1971 року A Computer Animated Hand, створеному студентами Університету Юти Едвіном Кетмуллом і Фредом Парком.

Програмне забезпечення тривимірної комп’ютерної графіки почало з’являтися для домашніх комп’ютерів наприкінці 1970-х років. Найпершим відомим прикладом є 3D Art Graphics, набір тривимірних ефектів комп’ютерної графіки, написаний Казумасою Мітазавою та випущений у червні 1978 року для Apple II.

Огляд

Процес виробництва тривимірної комп’ютерної графіки складається з трьох основних етапів:

1. 3D-моделювання – процес формування комп’ютерної моделі форми об’єкта
2. Макет і CGI-анімація – розміщення та переміщення об’єктів (моделей, світильників тощо) у межах сцени
3. 3D-рендеринг – комп’ютерні обчислення, які на основі розміщення світла, типів поверхні та інших якостей генерують (растеризують сцену) зображення

Моделювання

Модель описує процес формування форми об'єкта. Двома найпоширенішими джерелами 3D-моделей є ті, які створює художник або інженер на комп’ютері за допомогою якогось інструменту 3D-моделювання, а також моделі, скановані в комп’ютер із об’єктів реального світу (полігональне моделювання, моделювання патчів і моделювання NURBS деякі популярні інструменти, що використовуються в 3-D моделюванні). Моделі також можна створювати процедурно або за допомогою фізичного моделювання. В основному тривимірна модель формується з точок, які називаються вершинами, які визначають форму та утворюють багатокутники. Багатокутник — це площа, утворена принаймні з трьох вершин (трикутник). Багатокутник з n точок є n-кутником. Загальна цілісність моделі та її придатність для використання в анімації залежить від структури багатокутників.

Макет і анімація

Перед рендерингом у зображення об’єкти мають бути розміщені у 3D-сцені. Це визначає просторові відносини між об’єктами, включаючи розташування та розмір. Анімація стосується тимчасового опису об’єкта (тобто того, як він рухається та деформується з часом. Популярні методи включають ключові кадри, зворотну кінематику та захоплення руху). Ці прийоми часто використовуються в комплексі. Як і в анімації, фізичне моделювання також визначає рух.

Матеріали і текстури

Матеріали та текстури — це властивості, які механізм візуалізації використовує для рендерингу моделі. Можна надати моделі матеріали, щоб вказати механізму візуалізації, як поводитися зі світлом, коли воно потрапляє на поверхню. Текстури використовуються, щоб надати матеріалу колір за допомогою карти кольорів або альбедо, або надати поверхні особливостей за допомогою рельєфного текстурування або карти нормалей. Його також можна використовувати для деформації самої моделі за допомогою карти зміщення.

Рендеринг

Рендеринг перетворює модель на зображення або шляхом імітації транспорту світла для отримання фотореалістичних зображень, або шляхом застосування художнього стилю, як у нефотореалістичній візуалізації. Двома основними операціями в реалістичній візуалізації є транспорт (скільки світла потрапляє з одного місця в інше) і розсіювання (як поверхні взаємодіють зі світлом). Цей крок зазвичай виконується за допомогою програмного забезпечення тривимірної комп’ютерної графіки або API тривимірної графіки. Зміна сцени у форму, придатну для візуалізації, також включає 3D-проекцію, яка відображає тривимірне зображення у двох вимірах. Хоча програмне забезпечення для 3-D моделювання та САПР також може виконувати 3D візуалізацію (наприклад, Autodesk 3ds Max або Blender), також існує ексклюзивне програмне забезпечення для 3D-візуалізації (наприклад, OTOY's Octane Rendering Engine, Maxon's Redshift)

Візуалізація

Візуалізація перетворює модель на зображення або шляхом імітації поширення світла для отримання фотореалістичних зображень, або шляхом застосування художнього стилю у нефотореалістичній візуалізації. Двома основними операціями в реалістичній візуалізації є освітлення (скільки світла потрапляє з одного місця в інше) і розсіювання (як поверхні взаємодіють зі світлом). Цей крок зазвичай виконується за допомогою програмного забезпечення тривимірної комп’ютерної графіки або API тривимірної графіки. Зміна сцени у форму, придатну для візуалізації, також включає 3-D проекцію, яка відображає тривимірне зображення у двох вимірах. Хоча програмне забезпечення для 3-D моделювання та САПР також може виконувати 3-D візуалізацію (наприклад, Autodesk 3ds Max або Blender), також існує ексклюзивне програмне забезпечення для 3-D візуалізації (наприклад, OTOY Octane Rendering Engine, Maxon Redshift)

• Приклади 3D-рендерингу
• 
  3D-візуалізація з трасуванням променів і Ambient occlusion за допомогою Blender і YafaRay
• 
  Тривимірна модель лінкора класу «Дюнкерк», відтворена з плоским затіненням
• 
  Під час етапу 3D-візуалізації кількість відображень «світлових променів», які можуть отримати, а також різні інші атрибути, можна налаштувати для досягнення бажаного візуального ефекту. Нанесено кобальтом.
• 
  3D-візуалізація пентхауса.

Програмне забезпечення

Програмні пакети, що дозволяють створювати тривимірну графіку, тобто моделювати об'єкти віртуальної реальності і створювати на основі цих моделей зображення, дуже різноманітні. Останні роки стійкими лідерами в цій галузі є комерційні продукти: такі як 3ds Max, Maya, Lightwave 3D, SoftImage XSI, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D, Realsoft 3D і порівняно нові Rhinoceros 3D, modo, Nevercenter Silo або ZBrush. Крім того, існують і відкриті продукти, поширювані вільно, наприклад, пакет Blender (дозволяє робити і виробництво моделей, і подальший рендерінг), K-3D і Wings3D (тільки створення моделей з можливістю подальшого використання їх іншими програмами). Деякий час тому Caligari закрила розробки з trueSpace і вона стала безкоштовною.

Моделювання

Програмне забезпечення для 3-D моделювання — це програмне забезпечення для 3-D комп’ютерної графіки, яке використовується для створення 3-D моделей. Окремі програми цього класу називають моделюючими додатками або моделерами.

Тривимірне моделювання починається з опису 3 моделей відображення: точок малювання, малювання ліній і малювання трикутників та інших полігональних фрагментів.

Програми 3-D modelers дозволяють користувачам створювати та змінювати моделі за допомогою своєї 3-D сітки . Користувачі можуть додавати, віднімати, розтягувати та іншим чином змінювати сітку за своїм бажанням. Моделі можна розглядати з різних кутів, як правило, одночасно. Моделі можна обертати, а зображення можна збільшувати та зменшувати.

Розробники тривимірного моделювання можуть експортувати свої моделі у файли , які потім можна імпортувати в інші програми, якщо метадані сумісні. Багато програмістів моделювання дозволяють підключати імпортери та експортери , щоб вони могли читати та записувати дані у рідних форматах інших програм .

Більшість програм тривимірного моделювання містять низку пов’язаних функцій, таких як трасування променів та інші альтернативи візуалізації та засоби відображення текстури . Деякі також містять функції, які підтримують або дозволяють анімацію моделей. Деякі з них можуть створювати повноцінне відео серії відтворених сцен (тобто анімації ).SketchUp

Тривимірна графіка активно застосовується в системах автоматизації проєктних робіт (САПР) для створення твердотільних елементів: будівель, деталей машин, механізмів, а також в архітектурної візуалізації (сюди відноситься і так звана «віртуальна археологія»). Широко застосовується 3D графіка і в сучасних системах медичної візуалізації.

Зв'язок з фізичним представленням тривимірних об'єктів

Тривимірна графіка зазвичай оперує віртуальним, уявним тривимірним простором, який відображається на плоскій, двовимірній поверхні дисплея або аркуша паперу. В наш час^[коли?] відомо кілька способів відображення тривимірної інформації в об'ємному вигляді, хоча більшість з них представляє об'ємні характеристики досить умовно, оскільки працюють з стереообладнанням. З цієї області можна відзначити стереоокуляри, віртуальні шоломи, 3D-дисплеї, здатні демонструвати тривимірне зображення. Декілька виробників продемонстрували готові до серійного виробництва тривимірні дисплеї. Але щоб насолодитися об'ємною картинкою, глядачеві необхідно розташуватися строго по центру. Крок вправо, крок вліво, так само як і необережний поворот голови, спричиняє втрату тривимірності і спостереження дещо неякісного зображення. Вирішення цієї проблеми вже визріло в наукових лабораторіях. Німецький Інститут Фраунгофера демонстрував 3D-дисплей, який за допомогою двох камер відслідковує положення очей глядача і відповідним способом підлаштовує зображення, в цьому році пішов ще далі. Тепер відстежується положення не тільки ока, але і пальця, яким можна «натискати» тривимірні кнопки. А команда дослідників Токійського Університету створили систему що дозволяє відчути зображення. Випромінювач фокусується на точці де знаходиться палець людини і залежно від його положення змінює силу акустичного тиску. Таким чином, стає можливим не тільки бачити об'ємну картинку, але й взаємодіяти із зображеними на ній предметами.

Однак і 3D-дисплеї, як і раніше не дозволяють створювати повноцінної фізичної, відчутної копії математичної моделі, створюваної методами тривимірної графіки.

Що розвиваються з 1990-х років технології швидкого прототипування ліквідують цю прогалину. Слід зауважити, що в технологіях швидкого прототипування використовується представлення математичної моделі об'єкта у вигляді твердого тіла (воксельний модель).

Тривимірні дисплеї

Тривимірні, або стереоскопічні дисплеї (3D displays, 3D screens) — дисплеї, за допомогою стереоскопічного або будь-якого іншого ефекту створюють ілюзію реального обсягу у демонстрованих зображень.

В даний час переважна більшість тривимірних зображень показується за допомогою стереоскопічного ефекту, як найбільш легкого в реалізації, хоча використання самої лише стереоскопії не можна назвати достатнім для об'ємного сприйняття. Людське око як в парі, так і поодинці однаково добре відрізняє об'ємні об'єкти від плоских зображень.

Стереоскопічні дисплеї

Методи технічної реалізації стереоефекту включають використання в комбінації зі спеціальним дисплеєм поляризованих або затворних очок, синхронізованих з дисплеєм, анагліфічних фільтрів у комбінації зі спеціально адаптованих зображенням.

Існує також відносно новий клас стереодисплеїв, що не вимагають використання додаткових пристроїв, але мають масу обмежень. Зокрема, це кінцева і дуже невелика кількість ракурсів, в яких стереозображення зберігає чіткість. Стереодисплеї, виконані на базі технології New Sight x3d, забезпечують вісім ракурсів, Philips WOWvx — дев'ять ракурсів. У жовтні 2008 року компанія Philips представила прототип стереодисплея з роздільною здатністю 3840 × 2160 пікселів і з рекордними 46 ракурсами «безпечного» перегляду. Незабаром після цього, однак, Philips оголосив про припинення розробок і досліджень в області стереодисплеїв.

Ще одна проблема стереодисплеїв — це мала величина зони «комфортного перегляду» (діапазон відстаней від глядача до дисплея, в якому зображення зберігає чіткість). У середньому вона обмежена діапазоном від 3 до 10 метрів.

Стереодисплеї самі по собі не мають прямого відношення до тривимірної графіки. Плутанина виникає внаслідок використання в західних ЗМІ терміна 3D у відношенні як графіки, так і пристроїв, що експлуатують стереоефект, і некоректність перекладу при публікації в російських виданнях запозичених матеріалів.

Існує також технологія WOWvx, за допомогою якої можна отримати ефект 3D без використання спеціальних окулярів. Використовується технологія лентикулярних лінз, яка дає можливість великій кількості глядачів широку свободу руху без втрати сприйняття ефекту 3D. Шар прозорих лінз закріплюється перед рідкокристалічним дисплеєм. Цей шар направляє різні картинки кожному оці. Мозок, обробляючи комбінацію цих картинок створює ефект об'ємного зображення. Прозорість лінзового шару забезпечує повну яскравість, чіткий контраст і якісну передачу кольору картинки.

Світлодіодні 3D-дисплеї

Існує технологія відображення тривимірного відео та графіки на великих світлодіодних екранах, яка застосовується зокрема при обладнанні спортивних фан-зон.

28 травня 2011 року в Гетеборзі (Швеція) у клубі Trädgår'n було встановлено великий світлодіодний екран, який транслював футбольний матч у прямому ефірі у форматі 3D. У цей час (липень 2011 року) цей екран є найбільшим у світі світлодіодним телевізором. Екран розроблено і виготовлено української компанією ЕКТА на власному заводі у м. Житомир. Відеотрансляцію забезпечувала компанія Viasat-Швеція. Світовий рекорд зафіксовано в Книзі рекордів Гіннеса.

Інші дисплеї

У цей час (червень 2010 р) існують декілька експериментальних технологій, що дозволяють добитися об'ємного зображення без стереоскопії. Ці технології використовують швидку розгортку променя лазера, яка розсіюється на частинках диму або відбиваються від швидко обертається пластини.

Існують також пристрої, в яких на швидко обертається пластині закріплені світлодіоди.

Такі пристрої нагадують перші спроби створити механічну телевізійну розгортку. Мабуть, в майбутньому варто очікувати появу повністю електронного пристрою, що дозволяє імітувати світловий потік від об'ємного предмета в різних напрямках, щоб людина могла обійти навколо дисплея і навіть дивитися на зображення одним оком без порушення об'ємності зображення.

Фотореалістична двовимірна графіка

2.5D

Після створення відео студії редагують або компонують відео за допомогою таких програм, як Adobe Premiere Pro або Final Cut Pro на середньому рівні, або Autodesk Combustion , Digital Fusion , Shake на високому рівні. Програмне забезпечення для зіставлення рухомих зображень зазвичай використовується для зіставлення відео в прямому ефірі з відео, створеним комп’ютером, підтримуючи їх синхронізацію під час руху камери.

Використання механізмів комп’ютерної графіки в реальному часі для створення кінематографічної продукції називається машинимою

Тривимірні кінотеатри

Використання для позначення стереоскопічних фільмів термінів «тривимірний» або «3D» пов'язане з тим, що при перегляді таких фільмів у глядача створюється ілюзія об'ємності зображення, ілюзія наявності третього виміру — глибини. Крім того, існує асоціативний зв'язок з розширюється використанням засобів комп'ютерної тривимірної графіки при створенні таких фільмів (ранні стереофільми знімалися як звичайні фільми, але з використанням двухоб'ектівних стереокамери).

На сьогоднішній день перегляд фільмів у форматі «3D» став дуже популярним явищем.

Основні використовувані в наш час^[коли?] технології показу стереофільмів:

• Dolby 3D
• XpanD
• RealD
• IMAX

Доповнена реальність і 3D

Своєрідним розширенням 3D-графіки є «доповнена реальність». Використовуючи технологію розпізнавання зображень (маркерів), програма доповненої реальності добудовує віртуальний 3D-об'єкт у реальному фізичному середовищі. Користувач може взаємодіяти з маркером: повертати в різні боки, по-різному висвітлювати, закривати деякі його частини — і спостерігати зміни, що відбуваються з 3D-об'єктом на екрані монітора комп'ютера.

Поштовхом до широкого розповсюдження технологій послужило створення в 2008 році відкритої бібліотеки FLARToolKit для технології Adobe Flash.

Див. також

• 3D-моделювання
• Комп'ютерна 2D-графіка
• Рендеринг
• XNA
• Анізотропна фільтрація

Література

• Інженерна та комп’ютерна графіка : підруч. для студ. ВНЗ / В. Є. Михайленко, В. В. Ванін, С. М. Ковальов. – 5-те вид. – К. : Каравела, 2010. – 360 c. – (Українська книга).
• Дж. Лі, Б. Уер. Тривимірна графіка та анімація. — 2-е вид. — М. : Вільямс, 2002. — 640 с.
• Д. Херн, М. П. Бейкер. Комп'ютерна графіка й стандарт OpenGL. — 3-е вид. — М. : Вільямс, 2005. — 1168 с.
• Е. Енджел. Інтерактивна комп'ютерна графіка. Вступний курс на базі OpenGL. — 2-е вид. — М. : Вільямс, 2001. — 592 с.
• Г. Снук. 3D-ландшафти в реальному часі на C + + і DirectX 9. — 2-е вид. — М. : Кудиц-прес, 2007. — 368 с. — ISBN 5 -9579-0090-7.
• В. П. Іванов, А. С. Батраков. Тривимірна комп'ютерна графіка / Під ред. Г. М. Поліщука. — М. : Радіо та зв'язок, 1995. — 224 с. — ISBN 5-256-01204-5.