Трёхмерная графика

Пример 3D-графики

Трёхмерная графика (3D Graphics, Три измерения изображения, 3 Dimensions, рус. 3 измерения) в раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Больше всего применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

моделирование в создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней.
рендеринг (визуализация) в построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.
вывод полученного изображения на устройство вывода в дисплей или принтер.

Однако, в связи с попытками создания 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость.

Содержание

1 Моделирование
2 Рендеринг
3 Программное обеспечение
- 3.1 SketchUp
4 Связь с физическим представлением трехмерных объектов
5 Трёхмерные дисплеи
6 Кинотеатры с 3D
7 Дополненная реальность и 3D
8 См. также
9 Примечания
10 Литература

[править] Моделирование

Схема проецирования сцены на экран компьютера

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

[править] Рендеринг

Основная статья: Рендеринг

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок в 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 в 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) в он же Ray casting («бросание луча», упрощенный алгоритм обратной трассировки лучей) в 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) в 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) в 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 в к прямой.

Наиболее популярными системами рендеринга являются:

Вследствие большого паллетного объёма 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).

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

[править] 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.

[править] SketchUp

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.

[править] 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 пошёл ещё 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. 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).

[править] Трёхмерные дисплеи

Одна из первых фотографий экрана 3D-телевизора

Экран 3D-телевизора

Трёхмерные, или стереоскопические дисплеи, (3D displays, 3D screens) в дисплеи, посредством стереоскопического или какого-либо другого^[1] эффекта создающие иллюзию реального объёма у демонстрируемых изображений.

В настоящее время подавляющее большинство трёхмерных изображений показывается при помощи стереоскопического эффекта, как наиболее лёгкого в реализации, хотя использование одной лишь стереоскопии нельзя назвать достаточным для объёмного восприятия. Человеческий глаз как в паре, так и в одиночку одинаково хорошо отличает объёмные объекты от плоских изображений.

[править] Стереоскопические дисплеи

Основная статья: Стереодисплей

Методы технической реализации стереоэффекта включают использование в комбинации со специальным дисплеем поляризованных или затворных очков, синхронизированных с дисплеем, анаглифических фильтров в комбинации со специально адаптированным изображением.

Существует также относительно новый класс стереодисплеев, не требующих использования дополнительных устройств, но имеющих массу ограничений. В частности, это конечное и очень небольшое количество ракурсов, в которых стереоизображение сохраняет чёткость. Стереодисплеи, выполненные на базе технологии New Sight x3d, обеспечивают восемь ракурсов, Philips WOWvx в девять ракурсов. В октябре 2008 года компания Philips представила прототип стереодисплея с разрешением 3840×2160 точек и с рекордными 46 ракурсами «безопасного» просмотра. Вскоре после этого, однако, Philips объявил о приостановке разработок и исследований в области стереодисплеев.^[2]

Ещё одна проблема стереодисплеев в это малая величина зоны «комфортного просмотра» (диапазон расстояний от зрителя до дисплея, в котором изображение сохраняет четкость). В среднем она ограничена диапазоном от 3 до 10 метров.

Стереодисплеи сами по себе не имеют прямого отношения к трёхмерной графике. Путаница возникает вследствие использования в западных СМИ термина 3D в отношении как графики, так и устройств, эксплуатирующих стереоэффект, и некорректности перевода при публикации в российских изданиях заимствованных материалов.

Существует также технология WOWvx, с помощью которой можно получить эффект 3D без использования специальных очков. Используется технология лентикулярных линз, которая дает возможность большому паллетному количеству зрителей широкую свободу движения без потери восприятия эффекта 3D. Слой прозрачных линз закрепляется перед жидкокристаллическим дисплеем. Этот слой направляет разные картинки каждому глазу. Мозг, обрабатывая комбинацию этих картинок создает эффект объемного изображения. Прозрачность линзового слоя обеспечивает полную яркость, четкий контраст и качественную цветопередачу картинки.

[править] Светодиодные 3D-дисплеи

Существует технология отображения трехмерного видео на светодиодных экранах.

Самый большой паллетный светодиодный 3D-телевизор был разработан украинской компанией ЕКТА и использовался для прямой трансляции финального матча Лиги чемпионов УЕФА в клубе Гётеборга (Швеция) 28 мая 2011 года.^[3] Видеотрансляцию осуществила компания Viasat-Швеция.^[4] Мировой рекорд зафиксирован в Книге рекордов Гиннесса.^[5]

[править] Прочие дисплеи

На данный момент (июнь 2010 г) существуют несколько экспериментальных технологий, позволяющих добиться объёмного изображения без стереоскопии. Эти технологии используют быструю развёртку луча лазера, рассеивающегося на частицах дыма или отражающихся от быстро вращающейся пластины.

Существуют также устройства, в которых на быстро вращающейся пластине закреплены светодиоды.

Такие устройства напоминают первые попытки создать механическую телевизионную развёртку. Видимо, в будущем стоит ожидать появление полностью электронного устройства, позволяющего имитировать световой поток от объёмного предмета в разных направлениях, чтобы человек мог обойти вокруг дисплея и даже смотреть на изображение одним глазом без нарушения объёмности изображения.

[править] Кинотеатры с 3D

Основная статья: Стереокинематограф

Использование для обозначения стереоскопических фильмов терминов «трёхмерный» или «3D» связано с тем, что при просмотре таких фильмов у зрителя создаётся иллюзия объёмности изображения, ощущение наличия третьего измерения в глубины и новой размерности пространства уже в 4D. Кроме того, существует ассоциативная связь с расширяющимся использованием средств компьютерной трехмерной графики при создании таких фильмов (ранние стереофильмы снимались как обычные фильмы, но с использованием двухобъективных стереокамер).

На сегодняшний день просмотр фильмов в формате «3D» стал очень популярным явлением.

Основные используемые в настоящее время технологии показа стереофильмов ^[6]:

[править] Дополненная реальность и 3D

Основная статья: Дополненная реальность

Рекламная кампания Pepsi. В качестве маркера используется логотип Pepsi.

Своеобразным расширением 3D-графики является «дополненная реальность». Используя технологию распознавания изображений (маркеров), программа дополненной реальности достраивает виртуальный 3D-объект в реальной физической среде. Пользователь может взаимодействовать с маркером: поворачивать в разные стороны, по-разному освещать, закрывать некоторые его части в и наблюдать изменения, происходящие с 3D-объектом на экране монитора компьютера.

Толчком к широкому распространению технологии послужило создание в 2008 году открытой библиотеки FLARToolKit для технологии Adobe Flash.

[править] См. также

[править] Примечания

в‘ Parallax 3D TV в трехмерное телевидение от Hitachi
в‘ «Картинки рвутся наружу: Status Quo 3D-дисплеев», Мир 3D, 29 мая 2009
в‘ http://www.ekta.ua/news/itm/526/ В Книгу рекордов Гиннесса внесли огромный LED 3D-телевизор, изготовленный на Украине
в‘ http://www.viasat.se/content/press-och-nyhetsrum#/ Пресс-релиз компании Viasat-Швеция
в‘ Guinness World Record
в‘ ЧаВо о цифровом кино

[править] Литература

Дж. Ли, Б. Уэр. Трёхмерная графика и анимация. в 2-е изд. в М.: Вильямс, 2002. в 640 с.
Д. Херн, М. П. Бейкер. Компьютерная графика и стандарт OpenGL. в 3-е изд. в М.: Вильямс, 2005. в 1168 с.
Э. Энджел. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL. в 2-е изд. в М.: Вильямс, 2001. в 592 с.
Г. Снук. 3D-ландшафты в реальном времени на C++ и DirectX 9. в 2-е изд. в М.: Кудиц-пресс, 2007. в 368 с. в ISBN 5-9579-0090-7
В. П. Иванов, А. С. Батраков. Трёхмерная компьютерная графика / Под ред. Г. М. Полищука. в М.: Радио и связь, 1995. в 224 с. в ISBN 5-256-01204-5

Это заготовка статьи о компьютерной графике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.

[0] в‘ Parallax 3D TV в трехмерное телевидение от Hitachi

[1] в‘ «Картинки рвутся наружу: Status Quo 3D-дисплеев», Мир 3D, 29 мая 2009

[2] в‘ http://www.ekta.ua/news/itm/526/ В Книгу рекордов Гиннесса внесли огромный LED 3D-телевизор, изготовленный на Украине

[3] в‘ http://www.viasat.se/content/press-och-nyhetsrum#/ Пресс-релиз компании Viasat-Швеция

[4] в‘ Guinness World Record

[5] в‘ ЧаВо о цифровом кино

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

Программное обеспечение для трёхмерной графики и анимации
Платное	AfterBurn (плагин) Autodesk 3ds Max Autodesk Maya Autodesk MotionBuilder Autodesk Mudbox Autodesk Softimage Brazil R/S (плагин) BodyPaint 3D bonzai3d Bryce Cinema 4D Houdini LightWave 3D modo Rhinoceros 3D Silo Terragen V-Ray Vue ZBrush
Бесплатное	Blender Google SketchUp Incendia K-3D Sweet Home 3D Wings 3D

Трёхмерная графика

Содержание

[править] Моделирование

[править] Рендеринг

[править] Программное обеспечение

[править] SketchUp

[править] Связь с физическим представлением трехмерных объектов

[править] Трёхмерные дисплеи

[править] Стереоскопические дисплеи

[править] Светодиодные 3D-дисплеи

[править] Прочие дисплеи

[править] Кинотеатры с 3D

[править] Дополненная реальность и 3D

[править] См. также

[править] Примечания

[править] Литература

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках