Technologie realizmu obrazu trójwymiarowego. sztuka 3D

Sztuka 3D obejmuje różnorodne graffiti, trójwymiarową grafikę komputerową, realistyczne rysunki, które tworzą iluzję trójwymiarowej sceny.

Artyści zawsze dążyli do wiarygodnego przedstawienia natury i otaczających ją rzeczy. W naszych czasach można to łatwo osiągnąć za pomocą zaawansowanych urządzeń. Jest jednak coś uroczego i szczególnie pociągającego w wielu obrazach 3D tworzonych ludzką ręką. W końcu technika rysowania 3D wymaga wielkich umiejętności i cierpliwości, nie mówiąc już o talencie.

Oferujemy podziwianie dzieł różnych mistrzów, których prace wykonane są w realistycznym gatunku 3D.

1. Punkty.

Prosty, elegancki i kapryśny rysunek 3D, który wygląda realistycznie.

2. Sala Gigantów, Palazzo Te, Mantua, Włochy

Iluzjonistyczne freski z XVI wieku autorstwa Giulio Romano przypisuje się początkom sztuki 3D.

3. Rysunek ołówkiem 3D autorstwa Nagai Hideyuki

Artystka tworzy trójwymiarową iluzję używając tylko albumu i kredek.

4. Muzeum obrazów 3D w mieście Chiang Mai w Tajlandii

W Tajlandii jest całe muzeum poświęcone sztuce 3D. Jego sale są wypełnione dużymi freskami, które wyglądają jak prawdziwe.

5. Coca Cola to iluzja

Często inspiracja dla sztuki 3D pochodzi z popularnych przedmiotów w naszym codziennym życiu. Klasyczna wersja to butelka coli.

6. CGI: Dziewczyna

Kto by pomyślał, że ta dziewczyna nie istnieje?

7. Kolumny porządku korynckiego

Piękny rysunek ołówkiem 3D przedstawiający dwie kolumny korynckie.

8. Realistyczny wodospad w Dvur Kralove, Czechy

Część parku miejskiego w Czechach została przekształcona w iluzję pięknego wodospadu.

9. Globus

Często grafika 3D jest wykorzystywana w marketingu. Ten obraz globu zachęca ludzi do walki z biedą.

10. Igora Taritasa

Młody artysta tworzy obrazy wykorzystując podstawy hiperrealizmu. To płótno emanuje głębią prawdziwego świata, tak jakbyśmy mogli wejść na scenę, gdybyśmy chcieli.

11. Davy Jones autorstwa Jerry'ego Groschke

Klasyczna postać z Piratów z Karaibów, stworzona przez grafika 3D CG.

12. Kazuhiko Nakamura

Japoński artysta 3D, który tworzy kreatywne zdjęcia steampunkowe za pomocą oprogramowania.

13. Kurt Wenner: Dzikie Rodeo w Calgary, Kanada

Jeden z najbardziej znanych współczesnych artystów 3D, Kurt Wenner, przedstawił fikcyjne rodeo w kanadyjskim mieście.

14. Leon Kier, Ruben Poncia, Remco van Schaik i Peter Westering

Czterech artystów połączyło siły, aby stworzyć tę niesamowitą iluzję armii Lego.

15. Łódź, Polska

Basen w pobliżu ruchliwego centrum handlowego w Łodzi. Mam nadzieję, że nikt w to nie wskoczył.

16. Rynek

Piękna martwa natura 3D namalowana na asfalcie w pobliżu targu warzywnego. Dopełnia atmosferę doskonałym wyrafinowaniem.

17. MTO, Rennes, Francja

Artysta uliczny MTO stworzył serię wielkoformatowych murali 3D w Rennes we Francji. Jego malowidła ścienne przedstawiają gigantów próbujących włamać się do domów ludzi. Zdjęcia są zarówno szokujące, jak i przerażające.

Aby zwiększyć realizm wyświetlania tekstur nałożonych na wielokąty, stosuje się różne technologie:

Wygładzanie (antyaliasing);

· Mapowanie MIP;

filtrowanie tekstur.

Technologia antyaliasingu

Antyaliasing to technologia stosowana w przetwarzaniu obrazu w celu wyeliminowania efektu „schodkowych” krawędzi (aliasingu) obiektów. Dzięki rastrowej metodzie tworzenia obrazu składa się on z pikseli. Ze względu na to, że piksele mają skończony rozmiar, na krawędziach obiektów trójwymiarowych można wyróżnić tzw. krawędzie schodkowe lub schodkowe. Aby zminimalizować efekt klatki schodowej, najprostszym sposobem jest zwiększenie rozdzielczości ekranu, zmniejszając w ten sposób rozmiar pikseli. Ale ta droga nie zawsze jest możliwa. Jeśli nie możesz pozbyć się efektu schodków poprzez zwiększenie rozdzielczości monitora, możesz skorzystać z technologii Anti-aliasing, która pozwala wizualnie wygładzić efekt schodów. Najczęściej stosowaną techniką jest stworzenie płynnego przejścia od koloru linii lub krawędzi do koloru tła. Kolor punktu leżącego na granicy obiektów określa się jako średnią wartość kolorów dwóch punktów granicznych.

Istnieje kilka podstawowych technologii antyaliasingu. Po raz pierwszy najwyższą jakość uzyskała pełnoekranowa technologia antyaliasingu FSAA (Full Screen Anti-Aliasing). W niektórych źródłach literackich technologia ta nosi nazwę SSAA. Istota tej technologii polega na tym, że procesor oblicza klatkę obrazu w znacznie wyższej rozdzielczości niż rozdzielczość ekranu, a następnie podczas wyświetlania na ekranie uśrednia wartości grupy pikseli do jednego; liczba uśrednionych pikseli odpowiada rozdzielczości ekranu monitora. Na przykład, jeśli klatka o rozdzielczości 800x600 jest wygładzana przy użyciu FSAA, obraz zostanie obliczony w rozdzielczości 1600x1200. Podczas przełączania na rozdzielczość monitora kolory czterech obliczonych punktów odpowiadających jednemu pikselowi monitora są uśredniane. Dzięki temu wszystkie linie posiadają płynne przejścia kolorystyczne, co wizualnie niweluje efekt schodów.

FSAA wykonuje dużo niepotrzebnej pracy, obciążając GPU, wygładzając nie granice, ale cały obraz, co jest jego główną wadą. Aby wyeliminować tę wadę, opracowano bardziej ekonomiczną technologię MSSA.

Istota technologii MSSA jest podobna do technologii FSAA, ale nie wykonuje się żadnych obliczeń na pikselach wewnątrz wielokątów. Dla pikseli na krawędziach obiektów, w zależności od stopnia wygładzenia, obliczane są 4 lub więcej dodatkowych punktów, na podstawie których określany jest ostateczny kolor piksela. Ta technologia jest obecnie najpopularniejsza.

Znane są indywidualne zmiany producentów kart wideo. Na przykład firma NVIDIA opracowała technologię próbkowania pokrycia (CSAA), która jest obsługiwana tylko przez karty graficzne GeForce począwszy od serii 8 (8600 - 8800, 9600 - 9800). ATI wprowadziło AAA (Adaptive Anti-Aliasing) do procesora graficznego R520 i wszystkie późniejsze adaptacyjne antyaliasingi.

Technologia mapowania MIP

Technologia służy do poprawy jakości teksturowania obiektów 3D. Aby dodać realizmu trójwymiarowemu obrazowi, należy wziąć pod uwagę głębię sceny. W miarę oddalania się od punktu widzenia tekstura nakładki powinna wyglądać na coraz bardziej rozmytą. Dlatego podczas teksturowania nawet jednorodnej powierzchni najczęściej stosuje się nie jedną, ale kilka tekstur, co umożliwia prawidłowe uwzględnienie zniekształceń perspektywicznych trójwymiarowego obiektu.

Na przykład konieczne jest przedstawienie brukowanego chodnika, który wchodzi głęboko w scenę. Jeśli spróbujesz użyć tylko jednej tekstury na całej długości, to w miarę oddalania się od punktu widzenia mogą pojawić się zmarszczki lub tylko jeden jednolity kolor. Faktem jest, że w tej sytuacji kilka pikseli tekstury (tekseli) przypada jednocześnie na jeden piksel na monitorze. Powstaje pytanie: na korzyść którego teksela wybrać przy wyświetlaniu piksela?

Zadanie to rozwiązuje się za pomocą technologii mapowania MIP, co oznacza możliwość wykorzystania zestawu tekstur o różnym poziomie szczegółowości. Na podstawie każdej tekstury tworzony jest zestaw tekstur o niższym poziomie szczegółowości. Tekstury takiego zestawu nazywane są MIP - maps (MIP map).

W najprostszym przypadku mapowania tekstury dla każdego piksela obrazu wyznaczana jest odpowiednia mapa MIP zgodnie z tabelą LOD (poziom szczegółowości). Ponadto z mapy MIP wybierany jest tylko jeden teksel, którego kolor jest przypisywany do piksela.

Technologie filtracji

Z reguły technologia mapowania MIP jest używana w połączeniu z technologiami filtrowania przeznaczonymi do korygowania artefaktów teksturowania mip. Na przykład, gdy obiekt oddala się od punktu widzenia, następuje przejście z niskiego poziomu mapy MIP do wyższego poziomu mapy MIP. Kiedy obiekt znajduje się w stanie przejściowym z jednego poziomu mapy MIP do drugiego, pojawia się szczególny rodzaj błędu wizualizacji: wyraźnie widoczne granice przejścia z jednego poziomu mapy MIP na inny.

Idea filtrowania polega na tym, że kolor pikseli obiektu jest obliczany na podstawie sąsiednich punktów tekstury (tekseli).

Pierwszą metodą filtrowania tekstur było tzw. próbkowanie punktowe, które nie jest stosowane we współczesnej grafice 3D. Powstał kolejny dwuliniowy filtrowanie. Filtrowanie dwuliniowe wykorzystuje średnią ważoną czterech sąsiednich pikseli tekstury w celu wyświetlenia punktu na powierzchni. Przy takim filtrowaniu jakość wolno obracających się lub wolno poruszających się obiektów z krawędziami (takich jak sześcian) jest niska (krawędzie są rozmyte).

Więcej wysoka jakość daje trójliniowy filtrowanie, w którym do określenia koloru piksela pobiera się średnią wartość koloru ośmiu tekseli, czterech z dwóch sąsiednich struktur, iw wyniku siedmiu operacji mieszania określa się kolor piksela.

Wraz ze wzrostem wydajności GPU, a anizotropowy filtracji, która była z powodzeniem stosowana do tej pory. Podczas określania koloru punktu wykorzystuje dużą liczbę tekseli i bierze pod uwagę położenie wielokątów. Poziom filtrowania anizotropowego określa liczba tekseli przetwarzanych podczas obliczania koloru piksela: 2x (16 tekseli), 4x (32 teksele), 8x (64 teksele), 16x (128 tekseli). Takie filtrowanie zapewnia wysoką jakość wyświetlanego ruchomego obrazu.

Wszystkie te algorytmy są realizowane przez procesor graficzny karty graficznej.

Interfejs programowania aplikacji (API)

Aby przyspieszyć realizację etapów potoku 3D, akcelerator grafiki 3D musi posiadać określony zestaw funkcji, tj. sprzętowo, bez udziału centralnego procesora, do wykonania operacji niezbędnych do zbudowania obrazu 3D. Zestaw tych funkcji jest najważniejszą cechą akceleratora 3D.

Ponieważ akcelerator 3D ma własny zestaw poleceń, można go skutecznie używać tylko wtedy, gdy program użytkowy używa tych poleceń. Ale ponieważ istnieje wiele różnych modeli akceleratorów 3D, a także różne programy użytkowe generujące obrazy trójwymiarowe, pojawia się problem kompatybilności: nie da się napisać takiego programu, który równie dobrze wykorzystywałby niskopoziomowe polecenia różnych akceleratory. Oczywiście zarówno twórcy aplikacji, jak i producenci akceleratorów 3D potrzebują specjalnego pakietu narzędzi, który spełnia następujące funkcje:

wydajna konwersja żądań programu aplikacyjnego na zoptymalizowaną sekwencję poleceń niskopoziomowych akceleratora 3D, z uwzględnieniem specyfiki jego konstrukcji sprzętowej;

emulacja programowa żądanych funkcji, jeśli zastosowany akcelerator nie ma ich wsparcia sprzętowego.

Nazywa się specjalny pakiet narzędzi do wykonywania tych funkcji Interfejs aplikacji do programowania (Interfejs programu aplikacji = API).

API zajmuje pozycję pośrednią między aplikacjami wysokiego poziomu a poleceniami akceleratora niskiego poziomu, które są generowane przez jego sterownik. Korzystanie z API zwalnia twórcę aplikacji z konieczności pracy z niskopoziomowymi poleceniami akceleratora, ułatwiając proces tworzenia programów.

Obecnie istnieje kilka interfejsów API w 3D, których zakres jest dość jasno określony:

DirectX, opracowany przez firmę Microsoft, używany w aplikacjach do gier działających w systemie Windows 9X i nowszych systemach operacyjnych;

OpenGL, stosowane głównie w aplikacjach profesjonalnych (komputerowe systemy projektowania, systemy modelowania 3D, symulatory itp.) działające pod kontrolą sali operacyjnej systemy Windows NT;

Własne (natywne) interfejsy API stworzone przez producentów akceleratorów 3D wyłącznie dla ich chipsetów, aby jak najefektywniej wykorzystać ich możliwości.

DirectX jest ściśle regulowanym, zamkniętym standardem, który nie dopuszcza zmian aż do wydania swojej następnej, Nowa wersja. Z jednej strony ogranicza to możliwości twórców oprogramowania, a zwłaszcza producentów akceleratorów, ale znacznie upraszcza użytkownikowi konfigurację oprogramowania i sprzęt komputerowy dla 3D.

W przeciwieństwie do DirectX, OpenGL API opiera się na koncepcji otwartego standardu, z niewielkim podstawowym zestawem funkcji i wieloma rozszerzeniami, które implementują bardziej złożone funkcje. Producent akceleratora Chipset 3D jest zobowiązany do stworzenia systemu BIOS i sterowników realizujących podstawowe funkcje Open GL, ale nie jest zobowiązany do zapewnienia obsługi wszystkich rozszerzeń. Rodzi to szereg problemów związanych z pisaniem sterowników do swoich produktów przez producentów, które dostarczane są zarówno w pełnej, jak i okrojonej formie.

Pełna wersja sterownika zgodnego z OpenGL nosi nazwę ICD (Installable Client Driver — sterownik aplikacji klienckiej). Zapewnia maksymalną wydajność, tk. zawiera kody niskiego poziomu, które zapewniają obsługę nie tylko podstawowego zestawu funkcji, ale także jego rozszerzeń. Oczywiście, biorąc pod uwagę koncepcję OpenGL, stworzenie takiego sterownika jest procesem niezwykle złożonym i czasochłonnym. Jest to jeden z powodów, dla których profesjonalne akceleratory 3D są droższe niż akceleratory do gier.

Nie ma znaczenia, jak duży i bogaty będzie wirtualny świat 3D. Komputer może to wyświetlić tylko w jeden sposób: umieszczając piksele na ekranie 2D. W tej części artykułu dowiesz się, jak obraz na ekranie staje się realistyczny, a sceny upodabniają się do tych, które widzisz w prawdziwym świecie. Najpierw przyjrzymy się, jak realizm jest nadawany jednemu obiektowi. Następnie przejdziemy do całej sceny. Na koniec przyjrzymy się, jak komputer realizuje ruch: realistyczne obiekty poruszają się z realistyczną prędkością.

Zanim obraz stanie się realistyczny, obiekty przechodzą kilka etapów obróbki. Najważniejsze etapy to tworzenie kształtu, zawijanie tekstur, oświetlenie, tworzenie perspektywy, głębia ostrości i antyaliasing.

Tworzenie formularza

Jeśli wyjrzymy przez okno, zobaczymy, że wszystkie przedmioty mają kształt, są utworzone z prostych i zakrzywionych linii o różnych rozmiarach i położeniach. W ten sam sposób, patrząc na trójwymiarowy obraz graficzny na monitorze komputera, zaobserwujemy obraz utworzony z różnych kształtów, choć większość z nich składa się już z linii prostych. Widzimy kwadraty, prostokąty, równoległoboki, koła i romby. Ale przede wszystkim widzimy trójkąty. Aby zrobić wiarygodny obraz z zakrzywionymi liniami, jak w otaczającym nas świecie, trzeba skomponować formę z wielu małych form. Na przykład ludzkie ciało może wymagać tysięcy takich form. Razem stworzą konstrukcję zwaną rusztowaniem. Model szkieletowy jest bardzo podobny do szkicu obiektu, można łatwo zidentyfikować obiekt na podstawie modelu szkieletowego. Równie ważny jest kolejny krok po utworzeniu formy: model szkieletowy musi otrzymać powierzchnię.

Ilustracja przedstawia szkielet dłoni wykonany z niewielkiej liczby wielokątów - w sumie 862

Tekstury powierzchni

Kiedy spotykamy powierzchnię w realnym świecie, możemy uzyskać o niej informacje na dwa sposoby. Możemy patrzeć na powierzchnię pod różnymi kątami, możemy jej dotknąć i określić, czy jest miękka, czy twarda. W grafice 3D możemy patrzeć tylko na powierzchnię, jednocześnie uzyskując wszystkie dostępne informacje. Informacje te składają się z trzech elementów:

Kolor: Jaki kolor powierzchni? Czy jest jednolicie zabarwiony?
Tekstura: Czy powierzchnia jest płaska, czy ma wgniecenia, nierówności, wyprostowania lub coś podobnego?
Odbicie: Czy powierzchnia odbija światło? Czy odbicia są wyraźne, czy rozmyte?

Jednym ze sposobów nadania obiektowi „rzeczywistości” jest wybranie kombinacji tych trzech elementów w różnych częściach obrazu. Rozejrzyj się wokół siebie: klawiatura Twojego komputera ma inny kolor/teksturę/współczynnik odbicia niż biurko, które z kolei ma inny kolor/teksturę/odbicie niż Twoja dłoń. Aby kolor obrazu wyglądał jak prawdziwy, ważne jest, aby komputer mógł wybrać kolor piksela z palety milionów różnych kolorów. Różnorodność tekstur zależy zarówno od matematycznego modelu powierzchni (od skóry żaby po galaretowaty materiał), jak i od map tekstur (map tekstur), które są nakładane na powierzchnie. Konieczne jest również zaszczepienie w przedmiotach tych cech, których nie widać: miękkość i twardość, ciepło i chłód poprzez różne kombinacje koloru, faktury i refleksyjności. Jeśli popełnisz błąd w co najmniej jednym z tych parametrów, poczucie rzeczywistości natychmiast się rozproszy.

Dodanie powierzchni do modelu szkieletowego zaczyna się zmieniać
obraz od czegoś matematycznego do obrazu,
w którym bez problemu znajdziemy rękę.

Oświetlenie

Kiedy wchodzisz do ciemnego pokoju, włączasz światło. Nie myślisz o tym, jak światło wychodzące z żarówki rozchodzi się po całym pomieszczeniu. Ale opracowując grafikę 3D, musisz stale brać to pod uwagę, ponieważ wszystkie powierzchnie otaczające model szkieletowy muszą być skądś oświetlone. Jedna metoda, zwana metodą śledzenia promieni, wykreśla ścieżkę, którą wyimaginowany promień obierze po wyjściu z lampy, odbiciu od lustrzanych powierzchni i ostatecznie dotarciu do obiektu. Wiązka oświetli ją z różną intensywnością pod różnymi kątami. Metoda wydaje się dość skomplikowana nawet przy budowaniu promieni z pojedynczej lampy, ale w większości pomieszczeń jest wiele źródeł światła: kilka lamp, okien, świec itp.

Oświetlenie odgrywa kluczową rolę w dwóch efektach, które nadają obiektom poczucie wagi i solidności: cieniowaniu i cieniom. Pierwszym efektem cieniowania jest zmiana natężenia światła obiektu z jednej strony na drugą. Dzięki cieniowaniu kulka wygląda na okrągłą, wydatne kości policzkowe odstają od twarzy, a koc wydaje się obszerny i miękki. Te różnice w natężeniu światła, wraz z kształtem, wzmacniają złudzenie, że przedmiot oprócz wysokości i szerokości ma również głębię. Złudzenie ciężaru tworzy drugi efekt: cień.

Podświetlanie obrazu nie tylko dodaje głębi
obiekt poprzez cieniowanie, ale też „wiąże”
obiekt na ziemię przez cień.

Optycznie gęste ciała rzucają cień po oświetleniu. Możesz zobaczyć cień na zegarze słonecznym lub spojrzeć na cień drzewa na chodniku. W prawdziwym świecie przedmioty i ludzie rzucają cienie. Jeśli cienie są obecne w świecie 3D, to jeszcze bardziej będzie ci się wydawało, że patrzysz przez okno na świat rzeczywisty, a nie na ekran z modelami matematycznymi.

perspektywiczny

Słowo perspektywa wydaje się terminem technicznym, ale w rzeczywistości opisuje najprostszy efekt, jaki wszyscy obserwujemy. Jeśli staniesz na poboczu długiej prostej drogi i spojrzysz w dal, wyda ci się, że prawy i lewy pas jezdni zbiegają się w punkt na horyzoncie. Jeśli drzewa są sadzone wzdłuż pobocza, to im dalej są od obserwatora, tym są mniejsze. Zauważysz, że drzewa zbiegają się w tym samym punkcie na horyzoncie co droga. Jeśli wszystkie obiekty na ekranie zbiegają się w jednym punkcie, będzie to nazywane perspektywą. Są oczywiście inne opcje, ale zasadniczo w grafice trójwymiarowej stosuje się opisaną powyżej perspektywę jednego punktu.

Na powyższej ilustracji dłonie wydają się być rozdzielone, ale w większości scen niektóre obiekty znajdują się z przodu i częściowo zasłaniają widok innych obiektów. Do takich scen oprogramowanie powinien nie tylko obliczyć względny rozmiar obiektów, ale także wziąć pod uwagę informacje o tym, które obiekty zakrywają inne iw jakim stopniu. Najczęściej używanym do tego celu jest Z-bufor (Z-Buffer). Ten bufor ma swoją nazwę od nazwy osi Z lub wyimaginowanej linii, która biegnie za ekranem przez scenę aż po horyzont. (Pozostałe dwie osie to oś X, która mierzy szerokość sceny, oraz oś Y, która mierzy wysokość sceny).

Bufor Z przypisuje każdemu wielokątowi numer na podstawie tego, jak blisko przedniej krawędzi sceny znajduje się obiekt zawierający ten wielokąt. Zazwyczaj niższe numery są przypisywane wielokątom znajdującym się najbliżej ekranu, a wyższe numery są przypisywane wielokątom przylegającym do horyzontu. Na przykład 16-bitowy bufor Z przypisałby liczbę -32,768 najbliżej ekranu i 32,767 najdalej.

W prawdziwym świecie nasze oczy nie widzą przedmiotów zasłoniętych przez innych, więc nie mamy problemu z identyfikacją widocznych obiektów. Ale te problemy stale pojawiają się przed komputerem i jest zmuszony je rozwiązać bezpośrednio. Podczas tworzenia każdego obiektu jego wartość Z jest porównywana z wartością innych obiektów zajmujących ten sam obszar we współrzędnych X i Y. Obiekt o najmniejszej wartości Z zostanie w pełni narysowany, podczas gdy inne obiekty o wyższych wartościach Z zostanie wyciągnięty tylko częściowo. W ten sposób nie widzimy obiektów tła wystających przez postacie. Ponieważ bufor Z jest aktywowany przed pełnym rysowaniem obiektów, części sceny ukryte za postacią w ogóle nie zostaną narysowane. Przyspiesza to wydajność grafiki.

Głębia pola

Inny efekt optyczny, głębia ostrości, jest również z powodzeniem stosowany w grafice 3D. Użyjemy tego samego przykładu z drzewami posadzonymi na poboczu drogi. W miarę jak drzewa oddalają się od obserwatora, pojawia się kolejny ciekawy efekt. Jeśli spojrzysz na najbliższe drzewa, odległe drzewa będą nieostre. Jest to szczególnie widoczne podczas oglądania zdjęcia lub filmu z tymi samymi drzewami. Reżyserzy i animatorzy komputerowi wykorzystują ten efekt do dwóch celów. Pierwszym jest wzmocnienie iluzji głębi w obserwowanej scenie. Oczywiście komputer może narysować każdy obiekt w scenie dokładnie z ostrością, bez względu na to, jak daleko się znajduje. Ale ponieważ efekt głębi ostrości jest zawsze obecny w świecie rzeczywistym, rysowanie wszystkich obiektów z ostrością doprowadzi do naruszenia iluzji rzeczywistości sceny.

Drugim powodem wykorzystania tego efektu jest zwrócenie uwagi na właściwe tematy lub aktorów. Na przykład, aby lepiej skupić się na postaci filmowej, reżyser użyje efektu płytkiej głębi ostrości, w którym skupiony jest tylko jeden aktor. Z drugiej strony sceny, które mają zadziwić majestatem natury, wykorzystują efekt głębokiej głębi ostrości, aby wyostrzyć jak najwięcej obiektów.

Wygładzanie krawędzi

Antyaliasing to kolejna technologia zaprojektowana w celu oszukania oka. Cyfrowe systemy graficzne bardzo dobrze radzą sobie z tworzeniem linii pionowych lub poziomych. Kiedy jednak pojawiają się przekątne i krzywe (a w realnym świecie pojawiają się one bardzo często), komputer zamiast gładkich krawędzi rysuje linie z charakterystycznymi „drabinkami”. Aby przekonać oczy, że widzą gładką linię lub krzywą, komputer dodaje piksele wokół linii o różnych odcieniach koloru linii. Te „szare” piksele tworzą iluzję braku „kroków”. Ten proces dodawania pikseli w celu oszukania oka nazywany jest antyaliasingiem i jest jedną z technik odróżniających grafikę komputerową 3D od grafiki „rysowanej ręcznie”. Zadanie zachowania linii i dodania odpowiedniej ilości „wygładzających” kolorów to kolejne trudne zadanie dla komputera, aby stworzyć animację 3D na ekranie.

Grafika trójwymiarowa dziś mocno wkroczyła w nasze życie, że czasami nawet nie zwracamy uwagi na jej przejawy.

Patrząc na billboard przedstawiający wnętrze pokoju czy reklamę lodów, oglądając kadry pełnego akcji filmu, nawet nie zdajemy sobie sprawy, że za tym wszystkim stoi żmudna praca mistrza grafiki 3D.

Grafika 3D jest

Grafika 3D (grafika trójwymiarowa)- jest to szczególny rodzaj grafiki komputerowej - zestaw metod i narzędzi służących do tworzenia obrazów obiektów 3D (obiektów trójwymiarowych).

Obraz 3D nie jest trudny do odróżnienia od dwuwymiarowego, ponieważ polega na stworzeniu geometrycznego rzutu modelu sceny 3D na płaszczyznę za pomocą specjalistycznego oprogramowania. Powstały model może być obiektem z rzeczywistości, takim jak model domu, samochodu, komety lub może być całkowicie abstrakcyjny. Proces budowy takiego trójwymiarowego modelu nazywa się i ma na celu przede wszystkim stworzenie wizualnego trójwymiarowego obrazu modelowanego obiektu.

Dziś w oparciu o trójwymiarową grafikę można stworzyć bardzo precyzyjną kopię rzeczywistego obiektu, stworzyć coś nowego, ożywić najbardziej nierealne pomysły projektowe.

Technologie grafiki 3D i technologie druku 3D przeniknęły do wielu dziedzin działalności człowieka i przynoszą ogromne zyski.

Obrazy 3D bombardują nas codziennie w telewizji, filmach, podczas pracy z komputerem iw grach 3D, z billboardów, ilustrując pełnię potęgi i osiągnięć grafiki 3D.

Osiągnięcia współczesnej grafiki 3D są wykorzystywane w następujących branżach

Kinematografia i animacja- Tworzenie trójwymiarowych postaci i realistycznych efektów specjalnych . Tworzenie gier komputerowych- tworzenie postaci 3d, środowisko wirtualnej rzeczywistości, obiekty 3d do gier.
Reklama- możliwości grafiki 3d pozwalają z zyskiem zaprezentować produkt na rynku, za pomocą grafiki trójwymiarowej można stworzyć iluzję krystalicznie białej koszuli lub pysznych lodów na patyku z kawałkami czekolady itp. Jednocześnie w prawdziwym reklamowanym produkcie może występować wiele niedociągnięć, które można łatwo ukryć za pięknymi i wysokiej jakości obrazami.
Projektowanie wnętrz- Projektowanie i opracowywanie wystroju wnętrz również nie może się dziś obejść bez grafiki trójwymiarowej. Technologie 3d umożliwiają tworzenie realistycznych modeli 3d mebli (sofy, fotela, krzesła, komody itp.), dokładnie odwzorowujących geometrię przedmiotu i tworzących imitację materiału. Za pomocą trójwymiarowej grafiki można stworzyć film przedstawiający wszystkie kondygnacje projektowanego budynku, którego budowa być może nawet się nie rozpoczęła.

Etapy tworzenia obrazu trójwymiarowego

Aby uzyskać obraz 3D obiektu, należy wykonać następujące czynności

Modelowanie- budowanie matematycznego modelu 3D sceny ogólnej i jej obiektów.
Teksturowanie obejmuje nakładanie tekstur na utworzone modele, dostosowywanie materiałów i nadawanie modelom realizmu.
Konfiguracja oświetlenia.
(ruchome obiekty).
wykonanie- proces tworzenia obrazu obiektu według wcześniej stworzonego modelu.
Komponowanie lub układ- obróbka końcowa otrzymanego obrazu.

Modelowanie- tworzenie wirtualnej przestrzeni i znajdujących się w niej obiektów, obejmuje tworzenie różnych geometrii, materiałów, źródeł światła, wirtualnych kamer, dodatkowych efektów specjalnych.

Najpopularniejsze oprogramowanie do modelowania 3D to: Autodesk 3D max, Pixologic Zbrush, Blender.

Teksturowanie jest nałożeniem na powierzchnię utworzonego trójwymiarowego modelu obrazu rastrowego lub wektorowego, co pozwala na wyświetlenie właściwości i materiału obiektu.

Oświetlenie- tworzenie, ustawianie kierunku i ustawianie źródeł światła w tworzonej scenie. Graficzne edytory 3D z reguły używają następujących rodzajów źródeł światła: światło punktowe (promienie rozbieżne), światło dookólne (światło dookólne), światło kierunkowe (promienie równoległe) itp. Niektóre edytory umożliwiają tworzenie wolumetrycznego źródła blasku ( światło kuli).

Wyobraź sobie, jak obiekt wpasuje się w istniejący budynek. Przeglądanie różnych wersji projektu jest bardzo wygodne w trójwymiarowym modelu. W szczególności można zmienić materiały i pokrycie (tekstury) elementów projektu, sprawdzić oświetlenie poszczególnych obszarów (w zależności od pory dnia), rozmieścić różne elementy wnętrza itp.

W przeciwieństwie do wielu systemów CAD, które wykorzystują dodatkowe moduły lub programy innych firm do wizualizacji i animacji, MicroStation ma wbudowane narzędzia do tworzenia fotorealistycznych obrazów (BMP, JPG, TIFF, PCX itp.), a także do nagrywania klipów animacji w standardowych formatach (FLI, AVI) oraz zestaw zdjęć klatka po klatce (BMP, JPG, TIFF itp.).

Tworzenie realistycznych obrazów

Tworzenie fotorealistycznych obrazów rozpoczyna się od przypisania materiałów (tekstur) do poszczególnych elementów projektu. Każda tekstura jest nakładana na wszystkie elementy tego samego koloru leżące na tej samej warstwie. Biorąc pod uwagę, że maksymalna liczba warstw to 65 tys., a kolorów 256, można założyć, że pojedynczy materiał można tak naprawdę zastosować do dowolnego elementu projektu.

Program zapewnia możliwość edycji dowolnej tekstury i stworzenia nowej na podstawie obrazu bitmapowego (BMP, JPG, TIFF itp.). W takim przypadku do tekstury można użyć dwóch obrazów, z których jeden odpowiada za relief, a drugi za teksturę materiału. Zarówno relief, jak i tekstura mają różne parametry umieszczania poszczególnych elementów, takie jak: skala, kąt obrotu, offset, sposób wypełnienia nierównych powierzchni. Dodatkowo wypukłość posiada parametr „wysokość” (zmienny w zakresie od 0 do 20), a tekstura z kolei ma wagę (zmienną w zakresie od 0 do 1).

Oprócz wzoru materiał posiada regulowane parametry: rozpraszanie, rozpraszanie, połysk, polerowanie, przezroczystość, odbicie, refrakcja, kolor bazowy, kolor podświetlenia, zdolność materiału do pozostawiania cieni.

Podgląd mapowania tekstur można wyświetlić na standardowych bryłach 3D lub na dowolnym elemencie projektu, a także można zastosować kilka typów cieniowania elementów. Proste narzędzia do tworzenia i edycji tekstur pozwalają uzyskać niemal każdy materiał.

Równie ważnym aspektem przy tworzeniu realistycznych obrazów jest sposób wizualizacji (renderowania). MicroStation obsługuje następujące dobrze znane metody cieniowania: usuwanie ukrytych linii, cieniowanie ukrytych linii, cieniowanie trwałe, cieniowanie gładkie, cieniowanie Phonga, śledzenie promieni, radiosity, śledzenie cząstek. Podczas renderowania obraz można wygładzić (schodkować), a także stworzyć obraz stereo, który można oglądać za pomocą okularów ze specjalnymi filtrami światła.

Istnieje szereg ustawień jakości wyświetlania (odpowiadających szybkości przetwarzania obrazu) dla ray tracingu, radiosity, metod śledzenia cząstek. Do szybszego przetwarzania informacje graficzne MicroStation obsługuje metody akceleracji grafiki Technologia QuickVision. Aby przeglądać i edytować utworzone obrazy, dostępne są również wbudowane narzędzia do modyfikacji, które obsługują następujące standardowe funkcje (które oczywiście nie mogą konkurować z funkcjami specjalistycznych programów): korekcja gamma, regulacja tonów, negatyw, pranie, tryb koloru , przycinanie, zmiana rozmiaru, obracanie, tworzenie kopii lustrzanych, konwertowanie do innego formatu danych.

Podczas tworzenia realistycznych obrazów znaczną część czasu zajmuje rozmieszczenie i zarządzanie źródłami światła. Źródła światła dzielą się na oświetlenie globalne i lokalne. Global Illumination z kolei składa się ze światła otoczenia, flary, światła słonecznego, świetlików. A dla słońca wraz z jasnością i kolorem ustawia się kąt azymutu i kąt nad horyzontem. Kąty te mogą być automatycznie obliczane na podstawie określonej lokalizacji geograficznej obiektu (w dowolnym punkcie globu wskazanym na mapie świata), a także według daty i godziny oglądania obiektu. Światło nieba zależy od zachmurzenia, jakości (nieprzezroczystości) powietrza, a nawet od odbicia od ziemi.

Lokalne źródła światła mogą być pięciu typów: zdalne, punktowe, stożkowe, powierzchniowe, otwierające się na niebo. Każde źródło może mieć następujące właściwości: kolor, światłość, intensywność, rozdzielczość, cień, tłumienie w określonej odległości, kąt stożka itp.

Źródła światła mogą pomóc zidentyfikować nieoświetlone obszary obiektu, w których potrzebne jest dodatkowe oświetlenie.

Kamery służą do oglądania elementów projektu pod określonym kątem i do swobodnego przesuwania widoku w całym pliku. Za pomocą klawiszy sterujących klawiatury i myszy można ustawić dziewięć rodzajów ruchu kamery: latanie, obracanie, opadanie, przesuwanie, unikanie, obracanie, pływanie, poruszanie się na wózku, przechylanie. Do klawiatury i myszy można podłączyć cztery różne rodzaje ruchu (tryby przełącza się przytrzymując klawisze Shift, Ctrl, Shift + Ctrl).

Kamery pozwalają obejrzeć obiekt pod różnymi kątami oraz zajrzeć do środka. Zmieniając parametry kamery (ogniskowa, kąt obiektywu) można zmienić perspektywę widoku.

Aby stworzyć bardziej realistyczne obrazy, możliwe jest podłączenie obrazu tła, takiego jak zdjęcie istniejącego krajobrazu.