Tredimensionell grafik - en gren av datorgrafik , tillägnad metoderna för att skapa bilder eller videor genom att modellera objekt i tre dimensioner .
3D-modellering är processen att skapa en tredimensionell modell av ett objekt. Uppgiften med 3D-modellering är att utveckla en visuell tredimensionell bild av det önskade objektet. I det här fallet kan modellen antingen motsvara objekt från den verkliga världen ( bilar , byggnader , en orkan , en asteroid ) eller vara helt abstrakt (en projektion av en fyrdimensionell fraktal ).
Den grafiska representationen av tredimensionella objekt skiljer sig genom att den inkluderar konstruktionen av en geometrisk projektion av en tredimensionell scenmodell på ett plan (till exempel en datorskärm ) med hjälp av specialiserade program. Men med skapandet och antagandet av 3D-skärmar och 3D-skrivare, innebär 3D-grafik inte nödvändigtvis projektion på ett plan.
Tredimensionell grafik används aktivt för att skapa bilder på ett skärmplan eller ett ark med tryckta produkter inom vetenskap och industri , till exempel i designarbetsautomationssystem (CAD; för att skapa solida element: byggnader, maskindelar, mekanismer), arkitektoniska visualisering (detta inkluderar den så kallade " virtuella arkeologin ") i moderna medicinska bildbehandlingssystem .
Den bredaste tillämpningen finns i många moderna datorspel , såväl som ett inslag av film , tv och tryckt material .
3D-grafik handlar vanligtvis om ett virtuellt , imaginärt tredimensionellt utrymme som visas på en plan, tvådimensionell yta av en display eller ett pappersark. För närvarande finns det flera sätt att visa tredimensionell information i en tredimensionell form, även om de flesta av dem representerar tredimensionella egenskaper ganska villkorligt, eftersom de arbetar med en stereobild. Från detta område kan man notera stereoglasögon , virtuella hjälmar, 3D-skärmar som kan demonstrera en tredimensionell bild. Flera tillverkare visade upp 3D-skärmar redo för massproduktion . Men för att kunna njuta av en tredimensionell bild måste betraktaren vara placerad strikt i centrum. Ett steg till höger, ett steg till vänster, såväl som en slarvig vridning av huvudet, bestraffas med omvandlingen av tredimensionalitet till en osympatisk taggig bild. Lösningen på detta problem har redan mognat i vetenskapliga laboratorier. Tyska Fraunhofer-institutet visade upp en 3D-skärm som använder två kameror för att spåra tittarens ögon och justera bilden därefter, i år.[ när? ] gick ännu längre. Nu spåras inte bara ögonens position, utan också positionen för fingret, som kan användas för att "trycka på" de tredimensionella knapparna. Och ett team av forskare vid University of Tokyo skapade ett system som låter dig känna bilden. Strålaren är fokuserad på den punkt där det mänskliga fingret är beläget, och beroende på dess position ändras styrkan på det akustiska trycket. Således blir det möjligt att inte bara se en tredimensionell bild, utan också att interagera med objekten som avbildas på den.
Men 3D-skärmar tillåter dig fortfarande inte att skapa en fullfjädrad fysisk, påtaglig kopia av en matematisk modell skapad med 3D-grafikmetoder.
Snabb prototypteknik , som har utvecklats sedan 1990-talet, fyller denna lucka. Det bör noteras att snabba prototyptekniker använder representationen av en matematisk modell av ett objekt i form av en solid kropp ( voxelmodell ).
För att få en tredimensionell bild på ett plan krävs följande steg:
Scenmodellering (virtuellt modelleringsutrymme) inkluderar flera kategorier av objekt:
3D-modelleringens uppgift är att beskriva dessa objekt och placera dem i scenen med hjälp av geometriska transformationer i enlighet med kraven för den framtida bilden.
Materialens syfte: För en riktig kamerasensor skiljer sig materialen i verkliga objekt i hur de reflekterar , överför och sprider ljus; virtuella material är inställda för att matcha egenskaperna hos verkliga material - transparens, reflektioner, ljusspridning, grovhet, relief etc.
De mest populära rena modelleringspaketen är:
För att skapa en tredimensionell modell av en person eller varelse kan skulptur användas som en prototyp (i de flesta fall) .
Texturering innebär att projicera bitmapps- eller procedurtexturer på ytan av ett 3D-objekt enligt en UV-koordinatkarta , där varje hörn av objektet tilldelas en specifik koordinat i 2D-texturrymden.
Den består i att skapa, styra och konfigurera virtuella ljuskällor. Samtidigt, i den virtuella världen, kan ljuskällor ha en negativ intensitet och ta ljus från zonen för deras "negativa belysning". Vanligtvis tillhandahåller 3D-grafikpaket följande typer av ljus:
Det finns även andra typer av ljuskällor som skiljer sig i sin funktionalitet i olika 3D-grafik och visualiseringsprogram. Vissa paket ger möjlighet att skapa källor för volymetrisk glöd (Sphere light) eller volumetrisk belysning (Volume light), inom en strikt specificerad volym. Vissa ger möjligheten att använda geometriska objekt av godtycklig form.
En av de viktigaste yrkena för tredimensionell grafik är att ge rörelse ( animation ) till en tredimensionell modell, eller att simulera rörelse mellan tredimensionella objekt. Universella paket med tredimensionell grafik har mycket rika möjligheter att skapa animationer. Det finns också mycket specialiserade program skapade enbart för animering och med en mycket begränsad uppsättning modelleringsverktyg:
I detta skede förvandlas den matematiska (vektor) rumsliga modellen till en platt (raster) bild. Om du vill skapa en film, renderas en sekvens av sådana bilder - ramar. Som en datastruktur representeras en bild på skärmen av en matris av punkter, där varje punkt definieras av minst tre siffror: intensiteten av rött, blått och grönt. Således konverterar rendering en 3D-vektordatastruktur till en platt matris av pixlar . Detta steg kräver ofta mycket komplexa beräkningar, speciellt om du vill skapa en illusion av verkligheten. Den enklaste typen av återgivning är att rita modellernas konturer på datorskärmen med hjälp av projektion, som visas ovan. Vanligtvis är detta inte tillräckligt, och du måste skapa en illusion av materialen som föremålen är gjorda av, samt beräkna förvrängningen av dessa föremål på grund av transparenta medier (till exempel vätska i ett glas).
Det finns flera renderingstekniker, ofta kombinerade. Till exempel:
Gränsen mellan strålspårningsalgoritmer är nu nästan utraderad. Så i 3D Studio Max kallas standardrenderaren Standard scanline-renderaren, men den tar inte bara hänsyn till bidraget från diffust, reflekterat och inneboende (självbelysningsfärg) ljus, utan även utjämnade skuggor. Av denna anledning hänvisar begreppet Raycasting oftare till omvänd strålspårning och Raytracing till direkt strålspårning.
De mest populära renderingssystemen är:
På grund av den stora volymen av samma typ av beräkningar kan renderingen delas upp i trådar (parallelliserad). Därför är användningen av multiprocessorsystem mycket viktig för rendering. Nyligen har renderingssystem som använder GPU istället för CPU aktivt utvecklats , och idag är deras effektivitet för sådana beräkningar mycket högre. Dessa system inkluderar:
Många CPU- renderare-leverantörer planerar också att introducera GPU -stöd (LuxRender, YafaRay, mental images iray).
De mest avancerade prestationerna och idéerna inom tredimensionell grafik (och datorgrafik i allmänhet) presenteras och diskuteras vid det årliga SIGGRAPH- symposiet , som traditionellt hålls i USA .
Programvarupaket som låter dig skapa tredimensionell grafik, det vill säga simulera virtuella verklighetsobjekt och skapa bilder baserade på dessa modeller, är väldigt olika. De senaste åren har hållbara ledare inom detta område varit kommersiella produkter, såsom:
Bland de öppna produkter som distribueras fritt finns Blender -paketet listat (låter dig skapa 3D-modeller, animationer, olika simuleringar, etc. med efterföljande rendering), K-3D och Wings3D .
sketchupGoogles kostnadsfria SketchUp -program låter dig skapa modeller som är kompatibla med de geografiska landskapen för Google Earth -resursen , samt se interaktivt på användarens dator flera tusen arkitektoniska modeller som läggs upp på den kostnadsfria ständigt uppdaterade resursen Google Cities in Development (enastående världens byggnader), skapade av användargemenskapen .
Det finns ett antal programbibliotek för att rendera 3D-grafik i applikationsprogram - DirectX, OpenGL, och så vidare.
Det finns ett antal metoder för att presentera 3D-grafik i spel - full 3D, pseudo-3D.
Det finns många motorer som används för att skapa tredimensionella spel, ansvariga inte bara för tredimensionell grafik, utan också för att beräkna spelvärldens fysik, användarinteraktion med spelet och användarinteraktion i spelet under multiplayer-läge och mycket mer (se även artikeln 3D-shooter ). Som regel är motorn utvecklad för ett specifikt spel, och sedan licensierad (blir tillgänglig) för att skapa andra spel.
Det finns design- och tekniska paket CAD / CAE / CAM , som involverar skapandet av modeller av delar och strukturer, deras beräkning, design av design och teknisk dokumentation för dem och, om nödvändigt, den efterföljande generationen av program för CNC-maskiner och 3D-skrivare . Gemensamt för dessa grupper av mjukvara är termen "datorstödd design" ( CAD ).
En egenskap hos dessa paket är noggrannheten i att bygga en modell med förmågan att generera geometriskt exakta snitt, sektioner från den, få beräknad information om massan av en produkt eller struktur och olika projektioner.
Sådana paket tillåter inte ens alltid användaren att använda en 3D-modell direkt, till exempel finns det ett OpenSCAD- paket där modellen bildas genom att exekvera ett användargenererat skript skrivet på ett specialiserat språk.
En separat riktning för den tredimensionella riktningen är byggnadsinformationsmodellering ( BIM / TIM ). Förutom industriella designsystem arbetar BIM-program med exakt konstruktion av modeller, fyller dem med olika typer av attributiva egenskaper och möjligheten att representera dem i olika representationer (sektioner, vyer, specifikationer).
Tredimensionella, eller stereoskopiska skärmar , (3D-skärmar, 3D-skärmar) är skärmar som genom en stereoskopisk eller någon annan [1] effekt skapar en illusion av verklig volym i de visade bilderna.
För närvarande visas de allra flesta 3D-bilder med den stereoskopiska effekten, som är den enklaste att implementera, även om användningen av stereoskopi ensam inte kan kallas tillräcklig för tredimensionell uppfattning. Det mänskliga ögat, både i par och ensamt, skiljer lika väl tredimensionella objekt från platta bilder. .
Metoder för den tekniska implementeringen av stereoeffekten inkluderar användningen av anaglyffilter i kombination med en speciell visning av polariserade eller slutarglasögon synkroniserade med skärmen, i kombination med en speciellt anpassad bild.
Det finns också en relativt ny klass av stereoskärmar som inte kräver användning av ytterligare enheter, men som har många begränsningar. I synnerhet är detta ett ändligt och mycket litet antal vinklar där stereobilden behåller klarheten. Stereoskärmar baserade på New Sight x3d- teknik ger åtta vinklar, Philips WOWvx nio vinklar. I oktober 2008 introducerade Philips en prototyp av stereoskärm med en upplösning på 3840×2160 pixlar och rekord med 46 "säkra" betraktningsvinklar. Kort därefter tillkännagav Philips dock ett avbrott i utvecklingen och forskningen kring stereoskärmar [2] .
Ett annat problem med stereoskärmar är den lilla storleken på zonen "komfortabel visning" (intervallet av avstånd från betraktaren till displayen där bilden förblir skarp). I genomsnitt är den begränsad till en räckvidd på 3 till 10 meter.
Stereoskärmar i sig är inte direkt relaterade till 3D-grafik. Förvirringen uppstår på grund av användningen av termen 3D i västerländska medier i förhållande till både grafik och enheter som utnyttjar stereoeffekten , och felaktig översättning vid publicering av lånat material i ryska utgåvor.
Det finns även WOWvx-teknik, som gör att du kan få en 3D-effekt utan att använda speciella glasögon. Linsformad linsteknik används, vilket ger ett stort antal tittare stor rörelsefrihet utan att förlora uppfattningen om 3D-effekten. Ett lager av genomskinliga linser är fäst framför LCD-skärmen. Detta lager skickar en annan bild till varje öga. Hjärnan, som bearbetar en kombination av dessa bilder, skapar effekten av en tredimensionell bild. Genomskinligheten i linsskiktet ger full ljusstyrka, skarp kontrast och högkvalitativ färgåtergivning av bilden.
Det finns en teknik för att visa 3D-video på LED-skärmar .
Från och med juni 2010 finns det flera experimentella tekniker som kan åstadkomma tredimensionell bildbehandling utan stereoskopi. Dessa teknologier använder ett snabbt svep av en laserstråle som sprider sig på rökpartiklar ( aerosolskärm ) eller reflekteras från en snabbt roterande platta.
Det finns även enheter där lysdioder är monterade på en snabbt roterande platta .
Sådana enheter påminner om de första försöken att skapa en mekanisk tv-skanning . Tydligen bör vi i framtiden förvänta oss utseendet på en helt elektronisk enhet som låter dig simulera ljusflödet från ett tredimensionellt objekt i olika riktningar, så att en person kan gå runt skärmen och till och med titta på bilden med en ögat utan att störa bildvolymen.
Användningen av termerna "tredimensionell" eller "3D" för att referera till stereoskopiska filmer beror på det faktum att tittaren skapar en illusion av en tredimensionell bild, en känsla av närvaron av en tredje. dimension - djup och en ny dimension av rymden redan i 4D. Dessutom finns det ett samband med den ökande användningen av 3D-datorgrafik vid skapandet av sådana filmer (tidiga stereofilmer spelades in som konventionella filmer, men med tvålinsstereokameror).
Idag har det att titta på film i 3D blivit ett mycket populärt fenomen.
De huvudsakliga teknikerna som för närvarande används för att visa stereofilmer [3] :
En sorts förlängning av 3D-grafik är "augmented reality". Med hjälp av tekniken för bildigenkänning (markörer) fullbordar programmet för augmented reality konstruktionen av ett virtuellt 3D-objekt i en verklig fysisk miljö. Användaren kan interagera med markören: vrid den i olika riktningar, belys den annorlunda, täck några av dess delar och observera förändringarna som sker med 3D-objektet på datorskärmen.
Drivkraften för den breda spridningen av teknik var skapandet 2008 av ett öppet bibliotek FLARToolKit för Adobe Flash-teknik .
| 3D- grafik och animationsprogram | |
|---|---|
| öppen källa |
|
| Proprietär programvara |
|