Что такое 3D графика и где она применяется

В компьютерной графике рассматриваются следующие  задачи:  

1.Представление  изображения в компьютерной графике;  
2.Подготовка изображения к визуализации;  
3.Создание изображения;  
4. Осуществление действий с изображением.

 

 

 

 

 

 

 

Что такое  3D графика и где она применяется?

 

Трехмерное моделирование (3d графика) сегодня применяется  в очень многих сферах. Конечно, в  первую очередь, это строительство. Это может быть модель будущего дома, как частного, так и многоквартирного или же офисного здания, да и вообще любого промышленного объекта. Кроме  того, визуализация активно применяется  в дизайн-проектах интерьеров. 3D модели очень популярны в сайтостроительстве. Для создания особенного эффекта некоторые создатели сайтов добавляют в дизайн не просто графические элементы, а трехмерные модели, иногда даже и анимированные. Программы и технологии трехмерного моделирования широко применяются и в производстве, например, в производстве корпусной мебели, и в строительстве, например, для создания фотореалистичного дизайн-проекта будущего помещения. Многие конструкторы уже давно перешли от использования линейки и карандаша к современным трехмерным компьютерным программам. Постепенно новые технологии осваивают и другие компании, прежде всего, производственные и торговые.

Конечно, в основном трехмерные модели используются в демонстрационных целях. Они незаменимы для презентаций, выставок, а также используются в  работе с клиентами, когда необходимо наглядно показать, каким будет итоговый результат. Кроме того, методы трехмерного  моделирования нужны там, где  нужно показать в объеме уже готовые  объекты или те объекты, которые  существовали когда-то давно. Трехмерное моделирование это не только будущее, но и прошлое и настоящее.

Для изображения трехмерных объектов на экране монитора требуется  проведение серии процессов (обычно называемых конвейером) с последующей  трансляцией результата в двумерный  вид. Первоначально объект представляется в виде набора точек или координат  в трехмерном пространстве. Трехмерная система координат определяется тремя осями: горизонтальной, вертикальной и глубины, обычно называемых осями  x, y и z. Объектом может быть дом, человек, машина, самолет или целый 3D мир, и координаты определяют положение вершин (узловых точек), из которых состоит объект в пространстве. Соединив вершины объекта линиями, мы получим каркасную модель трехмерного тела. Каркасная модель определяет области, составляющие поверхности объекта, которые могут быть заполнены цветом, текстурами и освещаться лучами света.

Даже при таком упрощенном объяснении конвейера 3D графики становится ясно, как много требуется вычислений для прорисовки трехмерного объекта  на двумерном экране. Можно представить, насколько увеличивается объем  требуемых вычислений над системой координат, если объект движется.

Программируемый интерфейс  приложений (API) состоит из функций, управляющих 3D конвейером на программном  уровне, но при этом может использовать преимущества аппаратной реализации 3D, в случае наличия этой возможности. Если имеется аппаратный ускоритель, API использует его преимущества, если нет, то API работает с оптимальными настройками, рассчитанными на самые обычные системы. Таким образом, благодаря применению API, любое количество программных средств может поддерживаться любым количеством аппаратных 3D ускорителей [6].

 

моделирование

 

Сцена (виртуальное пространство моделирования) включает в себя несколько  категорий объектов:

Геометрия (построенная с помощью различных техник модель, например здание)

Материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон)

Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения)

Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции)

Силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации)

Дополнительные  эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.)

Задача трёхмерного  моделирования — описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

Рендеринг.

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок — кадров. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена по крайней мере тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга — это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане).

Существует несколько  технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе. Например:

Z-буфер (используется  в OpenGL и DirectX 10);

Сканлайн (scanline) — он же Ray casting («бросание луча», упрощенный алгоритм обратной трассировки лучей) — расчёт цвета каждой точки картинки построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности (иногда с учётом освещения и т. д.);

Трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing) — то же, что и сканлайн, но цвет пиксела уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых и т. д.) от точки пересечения луча взгляда. Несмотря на название, применяется только обратная трассировка лучей (то есть как раз от наблюдателя к источнику света), прямая крайне неэффективна и потребляет слишком много ресурсов для получения качественной картинки;

Глобальное освещение (англ. global illumination, radiosity) — расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений.

Грань между алгоритмами  трассировки лучей в настоящее  время практически стёрлась. Так, в 3D Studio Max стандартный визуализатор называется Default scanline renderer, но он считает не только вклад диффузного, отражённого и собственного (цвета самосвечения) света, но и сглаженные тени. По этой причине, чаще понятие Raycasting относится к обратной трассировке лучей, а Raytracing — к прямой.

Наиболее популярными  системами рендеринга являются:

PhotoRealistic RenderMan (PRMan)

mental ray

V-Ray

FinalRender

Brazil R/S

BusyRay

Turtle

Maxwell Render

Fryrender

Indigo Renderer

LuxRender

YafaRay

POV-Ray

Вследствие большого объема однотипных вычислений рендеринг можно разбивать на потоки (распараллеливать). Поэтому для рендеринга весьма актуально использование многопроцессорных систем. В последнее время активно ведётся разработка систем рендеринга использующих GPU вместо CPU, и уже сегодня их эффективность для таких вычислений намного выше. К таким системам относятся:

Refractive Software Octane Render

AAA studio FurryBall

RandomControl ARION (гибридная)

Многие производители систем рендеринга для CPU также планируют ввести поддержку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray) [7].

Самые передовые достижения и идеи трёхмерной графики (и компьютерной графики вообще) докладываются и  обсуждаются на ежегодном симпозиуме SIGGRAPH, традиционно проводимом в США.

Программное обеспечение

 

Программные пакеты, позволяющие  создавать трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной  реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень  разнообразны. Последние годы устойчивыми  лидерами в этой области являются коммерческие продукты: такие как 3D Studio Max, Maya, Lightwave 3D, Softimage, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D и сравнительно новые Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo или ZBrush. Кроме того, существуют и открытые продукты, распространяемые свободно, например, пакет Blender (позволяет создавать 3D модели, c последующим рендерингом (компьютерной визуализацией)), K-3D и Wings3D.

Бесплатная программа  SketchUp позволяет создавать модели, совместимые с географическими ландшафтами ресурса Google Планета Земля, а также просматривать в интерактивном режиме на компьютере пользователя несколько тысяч архитектурных моделей, которые выложены на бесплатном постоянно пополняемом ресурсе Google Cities in Development (выдающиеся здания мира), созданные сообществом пользователей.

Трехмерная графика активно применяется в системах автоматизации проектных работ (САПР) для создания твердотельных элементов: зданий, деталей машин, механизмов, а также в архитектурной визуализации (сюда относится и так называемая «виртуальная археология»). Широко применяется 3D графика и в современных системах медицинской визуализации.

Связь с физическим представлением трехмерных объектов

Трёхмерная графика обычно имеет дело с виртуальным, воображаемым трёхмерным пространством, которое отображается на плоской, двухмерной поверхности дисплея или листа бумаги. В настоящее время известно несколько способов отображения трехмерной информации в объемном виде, хотя большинство из них представляет объемные характеристики весьма условно, поскольку работают со стереоизображением. Из этой области можно отметить стереоочки, виртуальные шлемы, 3D-дисплеи, способные демонстрировать трехмерное изображение. Несколько производителей продемонстрировали готовые к серийному производству трехмерные дисплеи. Но чтобы насладиться объемной картинкой, зрителю необходимо расположиться строго по центру. Шаг вправо, шаг влево, равно как и неосторожный поворот головы, карается превращением трехмерности в несимпатичное зазубренное изображение. Решение этой проблемы уже созрело в научных лабораториях. Германский Институт Фраунгофера демонстрировал 3D-дисплей, при помощи двух камер отслеживающий положение глаз зрителя и соответствующим образом подстраивающий изображение, в этом году пошел еще дальше. Теперь отслеживается положение не только глаз, но и пальца, которым можно «нажимать» трехмерные кнопки. А команда исследователей Токийского Университета создали систему позволяющую почувствовать изображение. Излучатель фокусируется на точке где находится палец человека и в зависимости от его положения меняет силу акустического давления [10]. Таким образом, становится возможным не только видеть объемную картинку, но и взаимодействовать с изображенными на ней предметами.

Однако и 3D-дисплеи по-прежнему не позволяют создавать полноценной физической, осязаемой копии математической модели, создаваемой методами трехмерной графики.

Развивающиеся с 1990-х годов  технологии быстрого прототипирования ликвидируют этот пробел. Следует заметить, что в технологиях быстрого прототипирования используется представление математической модели объекта в виде твердого тела (воксельная модель).

 

3d графика сегодня и завтра.

 

Современные трехмерные работы значительно отличаются от того, что  мы могли видеть в прошлом веке. Благодаря тому, что художникам и  дизайнерам стали доступны цифровые технологии, современная публика  имеет возможность в полной мере наслаждаться настоящими художественными  произведениями. При взгляде на большую  часть из них не вериться, что  все это было создано человеческими  руками.

Можно говорить о том, что  развитие 3D технологий привело к  появлению большого количества компаний, которые стали активно осваивать  рынок трехмерных изображений и  различных эффектов. Все они работают со специальным программным обеспечением, которое своим разнообразием  в последние годы просто поражает. Также развитие 3D технологий привело  к созданию такой, с одной стороны  невообразимой вещи, как 3D аквариум или живой аквариум. Эти аквариумы  оснащены компьютером, который отвечает за систему биофильтрации, благодаря которой менять воду больше не надо, обеспечение аквариума кислородом и кормление рыбок. Наш интернет-магазин аквариумистики предоставляет Вам такие чудо аквариумы, которые отлично впишутся в любой интерьер и не доставят никаких хлопот в использовании.

Если вы хотите получить профессиональную работу, то вам, конечно  лучше всего обратиться в веб студию. Поручая задание профессионалу, вы сможете получить необходимый результат.

Стоит отметить, что даже самая сложная трехмерная анимация начинается с работы всего лишь одного человека – художника. Но в настоящее  время задача художника сводиться  все больше к созданию нового облика реально существующего объекта, так как в индустрии все  большее распространение получает технология захвата движений человека, которая делает изображение более  реалистичным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

 

Развитие искусства  в не меньшей степени, чем политические жесты, описывает репутацию страны в мире. Миллионы людей, плохо разбирающихся  в политике, сформировывают представление  о чужих государствах конкретно  благодаря культуре. Америка и  Франция, Англия и Германия имеют  стиль могущественных государств не только благодаря их роли в мировом  политическом процессе, но и благодаря  книгам и фильмам, оперным и театральным  постановкам, которые осуществляются в этих странах. И, естественно, благодаря  мультфильмам, поскольку в компьютерной графике и анимации собираются все  искусства: живопись, музыка, литература, театр (искусство одушевления часто  сравнивают с актерской игрой), танец (а отменная пластика движения в  кадре часто напоминает о балете). В итоге развитие государственной  мультипликации - искусства сложного, синтетического и высокотехнологичного, как ничто другое является показателем  культурного уровня той либо другой страны, свидетельством щедрости правительства  по отношению к своему народу и  к его культурным традициям. Развитие государственной компьютерной графики  и анимации - это не только знак обеспеченного  прошедшего страны, но и «разбег» для  хорошего грядущего. В сегодняшние  дни статус мультипликации изменяется, и много говорится о том, что  находившаяся длительное время как  бы на полях кинематографа сейчас компьютерная графика и анимация начинает претендовать на центральное  в нем место.