Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Тривимірна графіка



План:


Введення

Приклад 3D-графіки

Тривимірна графіка (3D Graphics, Три виміри зображення, 3 Dimensions, рус. 3 вимірювання ) - Розділ комп'ютерної графіки, сукупність прийомів та інструментів (як програмних, так і апаратних), призначених для зображення об'ємних об'єктів. Найбільше застосовується для створення зображень на площині екрану або листа друкованої продукції в архітектурної візуалізації, кінематографі, телебаченні, комп'ютерних іграх, друкованої продукції, а також в науці і промисловості.

Тривимірне зображення на площині відрізняється від двовимірного тим, що включає побудову геометричної проекції тривимірної моделі сцени на площину (наприклад, екран комп'ютера) за допомогою спеціалізованих програм. При цьому модель може як відповідати об'єктам з реального світу ( автомобілі, будівлі, ураган, астероїд), так і бути повністю абстрактною (проекція чотиривимірного фрактала).

Для отримання тривимірного зображення на площині потрібні наступні кроки:

  • моделювання - створення тривимірної математичної моделі сцени і об'єктів в ній.
  • рендеринг (візуалізація) - побудова проекції відповідно до обраної фізичною моделлю.
  • висновок отриманого зображення на пристрій виведення - дисплей або принтер.

Однак, у зв'язку зі спробами створення 3D-дисплеїв і 3D-принтерів, тривимірна графіка не обов'язково включає в себе проектування на площину.


1. Моделювання

Схема проектування сцени на екран комп'ютера

Сцена (віртуальний простір моделювання) включає в себе кілька категорій об'єктів:

  • Геометрія (побудована за допомогою різних технік модель, наприклад будівля)
  • Матеріали (інформація про візуальні властивості моделі, наприклад колір стін і відбиває / заломлююча здатність вікон)
  • Джерела світла (налаштування напрямки, потужності, спектра освітлення)
  • Віртуальні камери (вибір точки та кута побудови проекції)
  • Сили і впливу (налаштування динамічних спотворень об'єктів, застосовується в основному в анімації)
  • Додаткові ефекти (об'єкти, що імітують атмосферні явища : світло в тумані, хмари, полум'я і пр.)

Задача тривимірного моделювання - описати ці об'єкти і розмістити їх в сцені з допомогою геометричних перетворень відповідно до вимог до майбутнього зображенню.


2. Рендеринг

На цьому етапі математична (векторна) просторова модель перетворюється на плоску (растрову) картинку. Якщо потрібно створити фільм, то рендерится послідовність таких картинок - кадрів. Як структура даних, зображення на екрані представлено матрицею пікселів, де кожна точка визначена принаймні трьома числами: інтенсивністю червоного, синього і зеленого кольору. Таким чином рендеринг перетворить тривимірну векторну структуру даних в плоску матрицю пікселів. Цей крок часто вимагає дуже складних обчислень, особливо якщо потрібно створити ілюзію реальності. Найпростіший вид рендеринга - це побудувати контури моделей на екрані комп'ютера за допомогою проекції, як показано вище. Зазвичай цього недостатньо і потрібно створити ілюзію матеріалів, з яких виготовлені об'єкти, а також розрахувати спотворення цих об'єктів за рахунок прозорих середовищ (наприклад, рідини у склянці).

Існує декілька технологій візуалізації, часто комбінованих разом. Наприклад:

  • Z-буфер (використовується в OpenGL і DirectX 10);
  • Сканлайн (scanline) - він же Ray casting ("кидання променя", спрощений алгоритм зворотного трасування променів) - розрахунок кольору кожної точки картинки побудовою променя з точки зору спостерігача через уявне отвір в екрані на місці цього пікселя "в сцену" до перетину з першою поверхнею. Колір пікселя буде таким же, як колір цієї поверхні (іноді з урахуванням освітлення і т. д.);
  • Трасування променів (рейтрейсінг, англ. raytracing ) - Те саме, що і сканлайн, але колір пікселя уточнюється за рахунок побудови додаткових променів (відображення, заломлення і т. д.) від точки перетину променя погляду. Незважаючи на назву, застосовується тільки зворотній трасування променів (тобто саме від спостерігача до джерела світла), пряма вкрай неефективна і споживає занадто багато ресурсів для отримання якісної картинки;
  • Глобальне освітлення ( англ. global illumination , Radiosity) - розрахунок взаємодії поверхонь і середовищ у видимому спектрі випромінювання за допомогою інтегральних рівнянь.

Грань між алгоритмами трасування променів в даний час практично стерлася. Так, в 3D Studio Max стандартний визуализатор називається Default scanline renderer, але він вважає не тільки внесок дифузного, відбитого та власного (кольори самосвеченія) світла, а й згладжені тіні. З цієї причини, частіше поняття Raycasting відноситься до зворотної трасуванні променів, а Raytracing - до прямої.

Найбільш популярними системами рендеринга є:

Внаслідок великого обсягу однотипних обчислень рендеринг можна розбивати на потоки (распараллелівать). Тому для рендеринга вельми актуально використання багатопроцесорних систем. Останнім часом активно ведеться розробка систем рендеринга використовують GPU замість CPU, і вже сьогодні їх ефективність для таких обчислень набагато вище. До таких систем відносяться:

  • Refractive Software Octane Render
  • AAA studio FurryBall
  • RandomControl ARION (гібридна)

Багато виробників систем візуалізації для CPU також планують ввести підтримку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).

Найбільш передові досягнення та ідеї тривимірної графіки (і комп'ютерної графіки взагалі) доповідаються і обговорюються на щорічному симпозіумі SIGGRAPH, традиційно проведеному в США.


3. 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 3D Studio Max, Maya, Lightwave 3D, Softimage, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D і порівняно нові Rhinoceros 3D, Nevercenter Silo або ZBrush. Крім того, існують і відкриті продукти, поширювані вільно, наприклад, пакет Blender (дозволяє створювати 3D моделі, c подальшим рендерингом (комп'ютерної візуалізацією)), K-3D і Wings3D.


3.1. SketchUp

Безкоштовна програма SketchUp дозволяє створювати моделі, сумісні з географічними ландшафтами ресурсу Google Планета Земля, а також переглядати в інтерактивному режимі на комп'ютері користувача кілька тисяч архітектурних моделей, які викладені на безкоштовному постійно поповнювати ресурси Google Cities in Development (видатні будівлі світу), створені спільнотою користувачів.

Тривимірна графіка активно застосовується в системах автоматизації проектних 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.


4. Зв'язок з фізичною поданням тривимірних об'єктів

Тривимірна графіка зазвичай має справу з віртуальним, уявним тривимірним простором, який відображається на плоскій, двомірної поверхні дисплея або аркуша паперу. В даний час відомо кілька способів відображення тривимірної інформації в об'ємному вигляді, хоча більшість з них представляє об'ємні характеристики досить умовно, оскільки працюють зі стереообладнанням. З цієї області можна відзначити стереоокуляри, віртуальні шоломи, 3D-дисплеї, здатні демонструвати тривимірне зображення. Кілька виробників продемонстрували готові до серійного виробництва тривимірні дисплеї. Але щоб насолодитися об'ємної картинкою, глядачеві необхідно розташуватися строго по центру. Крок вправо, крок вліво, так само як і необережний поворот голови, карається перетворенням тривимірності в несимпатичне зазубрене зображення. Вирішення цієї проблеми вже визріло в наукових лабораторіях. Німецький Інститут Фраунгофера демонстрував 3D-дисплей, за допомогою двох камер відслідковує положення очей глядача і відповідним чином підлаштовує зображення, цього року пішов ще далі. Тепер відстежується положення не тільки око, 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.

Країни, що розвиваються з 1990-х років технології швидкого прототипування ліквідують цей пробіл. Слід зауважити, що в технологіях швидкого прототипування використовується представлення математичної моделі об'єкта у вигляді твердого тіла ( воксельних модель).


5. Тривимірні дисплеї

Одна з перших фотографій екрану 3D-телевізора
Екран 3D-телевізора

Тривимірні, або стереоскопічні дисплеї, (3D displays, 3D screens) - дисплеї, за допомогою стереоскопічного чи якогось іншого [1] 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 однієї 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.


5.1. Стереоскопічні дисплеї

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

Існує також відносно новий клас стереодісплеев, не вимагають використання додаткових пристроїв, але мають масу обмежень. Зокрема, це кінцеве і дуже невелика кількість ракурсів, в яких стереозображення зберігає чіткість. Стереодісплеі, виконані на базі технології New Sight x3d, забезпечують вісім ракурсів, Philips WOWvx - дев'ять ракурсів. У жовтні 2008 року компанія Philips представила прототип стереодісплея 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 стереодісплеев. [2]

Ще одна проблема стереодісплеев - це мала величина зони "комфортного перегляду" (діапазон відстаней від глядача до дисплея, в якому зображення зберігає чіткість). В середньому вона обмежена діапазоном від 3 до 10 метрів.

Стереодісплеі самі по собі не мають прямого відношення до тривимірній графіці. Плутанина виникає внаслідок використання в західних ЗМІ терміна 3D в відношенні як графіки, так і пристроїв, що експлуатують стереоефект, і некоректності 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 лентікулярних 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.


5.2. Світлодіодні 3D-дисплеї

Існує технологія відображення тривимірного відео на світлодіодних екранах.

Самий великий світлодіодний 3D-телевізор був розроблений українською компанією ЕКТА і використовувався для прямої трансляції фінального матчу Ліги чемпіонів УЄФА в клубі Гетеборга (Швеція) 28 травня 2011 року. [3] Відеотрансляцію здійснила компанія Viasat-Швеція. [4] Світовий рекорд зафіксований в Книзі рекордів Гіннесса. [5]


5.3. Інші дисплеї

На даний момент (червень 2010 р) існують декілька експериментальних технологій, що дозволяють добитися об'ємного зображення без стереоскопії. Ці технології використовують швидку розгортку променя лазера, 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 поява 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.


6. Кінотеатри з 3D

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, відчуття наявності третього виміру - глибини і нової розмірності простору вже в 4D. 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'ектівние стереокамер).

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

Основні використовувані в даний час технології показу стереофільмів [6] :


7. Доповнена реальність і 3D

Рекламна кампанія Pepsi. В якості маркера використовується логотип Pepsi.

Своєрідним розширенням 3D-графіки є "доповнена реальність". Використовуючи технологію розпізнавання зображень (маркерів), програма доповненої реальності добудовує віртуальний 3D-об'єкт в 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 поширення технології послужило створення в 2008 році відкритої бібліотеки FLARToolKit для технології Adobe Flash.


Примітки

  1. Parallax 3D TV - тривимірне телебачення від Hitachi - www.mhealth.ru/technics/news/746096
  2. "Картинки рвуться назовні: Status Quo 3D-дисплеїв" - mir3d.ru/focus/706 /, Світ 3D, 29 травня 2009
  3. http://www.ekta.ua/news/itm/526/ - www.ekta.ua/news/itm/526/ В Книгу рекордів Гіннеса внесли величезний LED 3D-телевізор, виготовлений в Україну
  4. http://www.viasat.se/content/press-och-nyhetsrum # / - www.viasat.se / content / press-och-nyhetsrum # / Прес-реліз компанії Viasat-Швеція
  5. Guinness World Record - www.guinnessworldrecords.com/Search/Details/Largest-LED-3D-TV/76635.htm/
  6. Запитання про цифрове кіно - cinemas.nevafilm.ru / guestbook # 25

Література

  • Дж. Лі, Б. Уер. Тривимірна графіка та анімація. - 2-е изд. - М .: Вільямс, 2002. - 640 с.
  • Д. Херн, М. П. Бейкер. Комп'ютерна графіка й стандарт OpenGL. - 3-е изд. - М .: Вільямс, 2005. - 1168 с.
  • Е. Енджел. Інтерактивна комп'ютерна графіка. Вступний курс на базі OpenGL. - 2-е изд. - М .: Вільямс, 2001. - 592 с.
  • Г. Снук. 3D-ландшафти в реальному часі на C + + і DirectX 9. - 2-е изд. - М .: Кудіц-прес, 2007. - 368 с. - ISBN 5-9579-0090-7
  • В. П. Іванов, А. С. Батраков. Тривимірна комп'ютерна графіка / За ред. Г. М. Поліщука. - М .: Радіо і зв'язок, 1995. - 224 с. - ISBN 5-256-01204-5


Програмне забезпечення для тривимірної графіки і анімації
Платне AfterBurn (плагін) Autodesk 3ds Max Autodesk Maya Autodesk MotionBuilder Autodesk Mudbox Autodesk Softimage Brazil R / S (плагін) BodyPaint 3D bonzai3d Bryce Cinema 4D Houdini LightWave 3D Modo Rhinoceros 3D Silo Terragen V-Ray Vue ZBrush
Безкоштовне Blender Google SketchUp Incendia K-3D Sweet Home 3D Wings 3D

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Текстура (тривимірна графіка)
Графіка
ASCII-графіка
Книжкова графіка
Когнітивна графіка
Піксельна графіка
Комп'ютерна графіка
Градієнт (комп'ютерна графіка)
Плазма (комп'ютерна графіка)
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru