Трехмерная графика: технологии будущего на службе настоящего

Что такое трехмерная графика

Перед тем как начать говорить о трехмерной графике следует разобраться с 3D-изображениями и понять, за счёт чего они становятся трехмерными и какие виды картинок относятся к данной категории. Все просто: если во время просмотра картинки можно описать ширину и высоту, но нельзя описать глубину, то изображение является двухмерным.

Если вы начертите квадрат с помощью четырёх линий, то получите двухмерную модель. Однако если вы слегка повернёте квадрат и дополните его гранями и вершинами, то перед вами предстанет куб, который сам по себе представляет собой объёмный элемент. Следовательно, к этому нарисованному кубу будут относиться свойства трёхмерной модели.

Трехмерная компьютерная графика во многом базируется на тех же технологиях, что и двухмерная компьютерная векторная в каркасной модели, и двухмерная компьютерная растровая в окончательном отображаемом изображении. Скажем, в приложениях компьютерной графики 2D-программы зачастую используют 3D-технологии в целях создания определенных эффектов (например, освещения). С другой стороны, 3D-программы могут применять 2D-алгоритмы рендеринга.

Трехмерной графикой нередко называют 3D-модели. Дело в том, что кроме визуализированного изображения, модель имеется в графическом файле данных. Но есть нюанс, который отличает эти два понятия друг от друга: трёхмерная модель является математическим представлением того или иного трехмерного объекта.

Узнай, какие ИТ - профессии
входят в ТОП-30 с доходом
от 210 000 ₽/мес

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Команда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.

Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности и направления в IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились с карьерной целью на ближайшее будущее!

Скачивайте и используйте уже сегодня:

Павел Симонов

Исполнительный директор Geekbrains

Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023

Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда

Подборка 50+ бесплатных нейросетей для упрощения работы и увеличения заработка

Только проверенные нейросети с доступом из России и свободным использованием

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

Список проверенных ресурсов реальных вакансий с доходом от 210 000 ₽

Получить подборку бесплатно

pdf 3,7mb

doc 1,7mb

Уже скачали 31954

С технической точки зрения ее нельзя назвать графикой до тех пор, пока она не будет отображена. В свою очередь, отображение трехмерной модели может осуществляться в виде двумерной картинки за счет 3D-рендеринга либо применяться в неграфических компьютерных симуляциях и вычислениях.

Во время 3D-печати такие модели схожим образом превращаются в трехмерные физические представления. В этом деле есть свои ограничения, которые зависят от уровня точности рендеринга для виртуальных моделей.

История создания трехмерной графики

Инструменты для работы с трехмерной графикой были созданы задолго до появления компьютеров. Ярким примером является стереоскоп, при использовании которого человек наблюдал за двумя одинаковыми картинками, которые были получены с различных мест съемки. В конечном итоге две двухмерные картинки преобразовывались в одну трёхмерную.

Первые фотокамеры, которые могли создавать стереоизображения, были изобретены в начале 20-го столетия. Такие устройства имели два объектива, располагавшихся на расстоянии 6,5 см друг от друга, что равнялось среднему расстоянию между зрачками человека. Именно с момента создания этих камер и стереоскопа и началась история 3D-кинематографа.

В 1960-х годах произошел резкий скачок в развитии трехмерной компьютерной графики. Иваном Сазерлендом была изобретена первая в истории программа, с помощью которой можно было создавать основные трёхмерные фигуры. Чуть позже Сахерленд совместно с доктором Дэвидом Эвансом организовал первую кафедру компьютерной графики, открытую в университете Юты. Впоследствии студенты этого учебного заведения очень сильно повлияли на развитие 3D-графики.

Первым человеком, разработавшим 3D-модель на компьютере (1972 год), является Эд Катмул, который по сей день занимает должность технического директора Pixar. Образцом для создания модели была кисть руки самого Катмула. В 1973 году Берри Веслер стал, автором первой 3D-анимации человеческого тела в движении. Через год после этого Фред Парк разработал модель говорящей головы. Этот изобретатель также был студентом кафедры Сазерленда.

Такие открытия внесли огромный вклад в развитие анимационных технологий и их использование в сфере кино. Картина под названием «Futureworld», выпущенная в 1975 году, представляет собой один из первых фильмов, в котором была представлена анимация лица человека. В те же годы вышли первые программы для создания трёхмерной графики. Очень быстро развивался так называемый полигональный способ создания трехмерных моделей, а также технологии освещения, текстурирования и рендеринга сцен.

С этого момента 3D-графика начала развиваться с бешеными темпами. Были выпущены специальные программы, а кинофирмы стали нанимать специалистов в данной области, руками которых создавалось великое множество всевозможных эффектов. В начале 80-х годов пользователи ПК могли установить программу «3D Art Graphics», которая давала возможность использовать набор самых разных 3D объектов и эффектов.

Благодаря прогрессу в сфере программно-аппаратного обеспечения после 80-х годов зрители смогли впервые увидеть фильмы с 3D-персонажами и спецэффектами. Отличный пример таких фильмов — «Джуманджи» 1995 года выпуска. На экране вместе с реальными актерами выступали смоделированные трехмерные животные.

Развитие 3D-графики не останавливается до сих пор. На данный момент трехмерные модели стали настолько реалистичны, что их можно с лёгкостью спутать с фотографиями.

Сферы применения трехмерной графики

Трехмерной можно сделать почти любую модель, будь то простой предмет мебели или сложную сюжетную постановку. Дизайнеры создают не только отдельные элементы, но и целостные интерьеры и ландшафты, а также разрабатывают образ и движения того или иного персонажа.

Дарим скидку от 60%
на обучение «Дизайнер» до 24 ноября

Уже через 9 месяцев сможете устроиться на работу с доходом от 150 000 рублей

Забронировать скидку

• элементы мебели или декора помещения;
• интерьеры;
• примеры экстерьеров или ландшафтного дизайна;
• украшения;
• одежда.

Объемная графика используется в самых разных областях, а не только в анимации и кинематографе:

• Искусство. 3D графика часто применяется для создания реалистичных рисунков и видеороликов.
• Компьютерные игры. На данный момент компьютерные игры базируются на алгоритмах текстурирования, которые используются в трехмерной графике в целях наилучшего детализирования объектов.
• Бизнес. Интерактивные элементы трехмерной графики часто применяются во время разработки рекламных баннеров, презентаций и видеороликов.
• Кинематограф и мультипликация. Сложно создать хороший фильм без моделирования естественных процессов и создания спецэффектов.
• Наука. Благодаря реалистичной 3D-картинке человек лучше воспринимает сложную научную терминологию.
• Строительство и дизайн. 3D-программы дают специалистам возможность создать детализированные модели проектов.
• Медицина. С помощью трёхмерной графики медицинские работники могут во всех деталях раскрывать физиологические темы. Кроме того, они могут улучшать навыки проведения сложных операций в искусственной реальности.

Читайте также!

Виды графического дизайна: наиболее востребованные направления

Подробнее

За счёт того, что 3D-модели очень реалистичны, трёхмерное моделирование используется в самых разных областях, включая те, которые не предполагают дальнейшей реализации созданных объектов (эффекты и персонажи для кинематографа, мультипликации, интерактивных рекламных роликов и т.д.).

Особенности работы с трехмерной графикой

Вполне очевидно, что искусственный трехмерный мир во многом отличается от реальной действительности. Разработка виртуальной реальности представляет собой целый комплекс работ по компьютерной визуализации мира. Этот мир должен быть похож на настоящий, поэтому специалистам нужно применять различные инструменты.

Если вы топните по полу, то это практически никак на него не повлияет, так как пол достаточно твёрд. Следовательно, ваша стопа не пройдёт сквозь пол. Все вышесказанное является очевидным и естественным для реального мира, чего нельзя сказать о виртуальном. На искусственную реальность не действуют законы природы, она создаётся с нуля. Разработчики применяют разнообразные инструменты для того, чтобы внутри создаваемого ими виртуального мира все было похоже на реальное положение вещей.

Какую часть виртуального мира пользователь видит на своём экране?

На экране всегда демонстрируется лишь маленькая часть виртуального игрового пространства. Виртуальный мир всегда определяет то, что именно вы будете видеть с определённой позиции. Как правило, любой объект компьютерной игры должен создавать ощущение, будто он настоящий, то есть выглядеть таким же тяжелым или лёгким, твёрдым или мягким как объект реального мира и т.д.

Разработчики компьютерных игр сфокусированы на том, чтобы пользователи никогда не натыкались на объекты, которые могут испортить эффект погружения. Например, если нога компьютерного персонажа «провалится» сквозь пол, то виртуальный мир сразу же потеряет свою реалистичность в глазах пользователя.

Полигоны как основные элементы трехмерной графики

Объемность картинки напрямую зависит от так называемых полигонов — важнейших элементов трёхмерной графики, которые и создают форму любого объекта внутри виртуального мира.

Полигоны формируют полигональную сетку, включающую в себя все множество рёбер и граней объекта, которые состоят из точек (вершин). Количество этих точек, граней и полигонов как таковых определяет уровень детализации будущего объекта.

При этом 3D-дизайнеры стремятся сократить число полигонов, ведь чем их больше, тем сложнее становится моделирование трехмерной графики. Файл начинает занимать довольно много места и что не менее важно — программа может начать работать медленнее. Именно по этим причинам используется ретопология — методология снижения количества полигонов.

В особенности это необходимо в тех случаях, когда используется технология скульптурирования (формирование объекта из заданной геометрической формы). Да, у такого метода множество плюсов, однако есть и явный недостаток — наличие в составе итогового объекта очень большого количества полигонов.

Чтобы придать объекту необходимый уровень объёма после произведённой ретопологии, используется текстурирование и различные манипуляции со светом. В конечном итоге снижается размер текстур, а визуальный эффект остается на том уже уровне (а иногда даже повышается), что и в случае с сеткой.

Объемная компьютерная графика не всегда основывается на каркасной модели. Двухмерная графика с добавлением трёхмерных фотореалистичных эффектов зачастую создаётся без использования каркасного моделирования и в некоторых случаях результат такой работы выглядит практически точно также.

Только до 25.11

Скачай подборку материалов, чтобы гарантированно найти работу в IT за 14 дней

Список документов:

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

20 профессий 2023 года, с доходом от 150 000 рублей

Чек-лист «Как успешно пройти собеседование»

Чтобы получить файл, укажите e-mail:

Введите e-mail, чтобы получить доступ к документам

Подтвердите, что вы не робот,
указав номер телефона:

Введите телефон, чтобы получить доступ к документам

Скачать подборку бесплатно pdf 2,5mb

Уже скачали 52300

Я подтверждаю согласие на обработку персональных данных.

Есть графические программы, которые имеют специальные фильтры, использующиеся в двухмерной векторной или двухмерной растровой графике на прозрачных слоях. Специалисты могут осуществить копирование или визуализацию трехмерных картинок и собственноручно создавать фотореалистичные эффекты без применения вышеописанных фильтров.

При этом настоящий режим 3D-графики в виде и анимации в большинстве случаев подразумевает наличие специальных очков, позволяющих зрителю наблюдать всю глубину изображения.

В определенных видах трёхмерной графики (в частности, в некоторых играх) применяются ограниченные проекции трехмерных сред (изометрическая графика, виртуальные камеры с фиксированными углами и др.). Такие проекции позволяют увеличить производительность игрового движка и решить различные игровые и стилистические задачи. Обычно такой подход называют псевдо-3D-графикой.

Не менее важные элементы трехмерной графики

Освещение и перспектива

Если вы включаете счёт внутри темного помещения, то вряд ли размышляете над тем, каков принцип работы освещения и каким именно образом свет расходится по комнате. Однако специалистам в 3D-графике необходимо задумываться над такими тонкостями, ведь все объекты виртуального пространства должны быть правильно освещены. Один из распространённых способов — трассировка лучей.

В этом случае прокладываются пути от источника света до объектов. Лучи отражаются от различных поверхностей (зеркала, стены и т.д) и падают на предметы с различной интенсивностью от различных углов. Данный метод является, мягко говоря, не самым простым, так как от одной лампочки может быть один луч, однако чаще всего помещения имеют сразу несколько источников света: потолочные светильники (люстры), торшеры, окна, свечи и др.

На освещении базируются тени и затемнение — два эффекта, которые формируют внешний вид, вес и внешнюю прочность объектов. С помощью затемнения предмет становится более реальным. Благодаря такой штриховке сгибы становятся глубже и мягче, а высокие скулы смотрятся привлекательно. Различия в интенсивности освещения придают изображению эффект трехмерности.

Тени представляют собой второй эффект, который создаёт иллюзию массы объекта. Принцип работы довольно прост — твёрдые объекты отбрасывают тени при попадании на них лучей света. Таким образом, тень, так же как и затемнения, усиливает погружение пользователя в трехмерное виртуальное пространство.

Перспектива

Перспектива представляет собой особый эффект, который проще всего описать на следующем примере: если перед вами находится прямая дорога, уходящая далеко вперёд, то будет казаться, что обе стороны этой дороги соединяются где-то на горизонте. Помимо этого, стоящие рядом с вами деревья будут казаться больше, чем деревья, расположенные вдалеке. Именно это и является перспективой. Существует несколько разновидностей такого эффекта, однако в 3D-график чаще всего применяется единая точка зрения.

Глубина резкости

Это ещё один визуальный эффект, который часто применяют в целях создания графических 3D-объектов. Возьмём все тот же пример с деревьями. Когда человек смотрит на близлежащие деревья, то деревья, находящиеся позади них, будут в расфокусе. Этот эффект применяется для двух целей: усиление иллюзии глубины и выделение на экране наиболее важных объектов или персонажей.

Дабы вы сосредоточились на главном герое фильма, в определённой сцене может быть применена так называемая малая глубина резкости, при которой лишь этот персонаж будет находиться в фокусе. В других случаях может использоваться «глубокая глубина резкости», когда в кадре присутствует множество объектов, находящихся в фокусе.

Сглаживание

Как и предыдущие эффекты, сглаживание создаёт определенную иллюзию в нашем восприятии. Цифровые графические системы являются оптимальными ресурсами для формирования четких линий. Однако в некоторых случаях диагональные линии оказывают верх. Эти линии нередко можно встретить в реальности и тогда компьютер воссоздаёт их, выстраивая что-то наподобие лесенок (имеются в виду те лесенки, которые можно увидеть при детальном рассмотрении картинки).

Популярные статьи

Высокооплачиваемые профессии сегодня и в ближайшем будущем

Дополнительный заработок в Интернете: варианты для новичков и специалистов

Востребованные удаленные профессии: зарабатывайте, не выходя из дома

Разработчик игр: чем занимается, сколько зарабатывает и где учится

Как выбрать профессию по душе: детальное руководство + ценные советы

В целях улучшения качества изображения компьютер добавляет определенные оттенки цвета в строки пикселей, которые расположены вокруг линии. С помощью «серого цвета» пикселей создаётся иллюзия, при которой зрителю кажется, что никаких лесенок нет, и изображение является гладким.

Этапы создания трехмерной графики

Итак, трёхмерная графика создаётся в три базовых шага:

• 3D-моделирование. Данный процесс состоит из создания компьютерной модели, которая будет придавать объекту нужную форму.
• Макет и анимация. На этом этапе происходит размещение и перемещение объектов в рамках определённой сцены.
• 3D-рендеринг. Последний этап, при котором производятся компьютерные вычисления. Основываясь на расположении света, разновидности поверхности и прочих свойствах компьютер создаёт изображение.

Этап 1: Моделирование

На данном этапе, как уже ранее упоминалось, создаётся форма объекта. Существует два самых популярных способа получения 3D-моделей:

• когда специалист при помощи той или иной программы создаёт модель на компьютере;
• когда компьютер сканирует реально существующие предметы.

Кроме того, модели могут создаваться процедурно, либо посредством физического моделирования.

Многоугольник является областью, которая сформирована с помощью трёх и более вершин. Многоугольник из n-точек — это n-угольник. От структуры модели зависит ее целостность и применимость для анимации.

Есть три популярных способа представления модели:

• Полигональный — точки в трехмерном пространстве, которые именуются вершинами, соединяются при помощи отрезков, тем самым формируя полигональную сетку. Практически все современные 3D-модели выстраиваются как текстурированные полигональные, ведь компьютер может отображать их с большой скоростью. При этом многоугольники представляют собой плоские объекты. По этой причине они способны лишь изобразить кривые поверхности за счёт большого количества многоугольников.
• Моделирование кривых — поверхности определяются кривыми, на которые влияют взвешенные контрольные точки. Кривая следует (однако не всегда интерполирует) точки. Увеличив вес для точки, кривая притянется ближе к ней. Разновидности кривых включают в себя неоднородный рациональный B-сплайн (NURBS), патчи, сплайны и геометрические примитивы.
• Цифровое — сравнительно новый способ моделирования. В последние годы он получил большую популярность.

На данный момент можно выделить три разновидности цифрового моделирования:

• Смещение — чаще всего применяется в приложениях. В таких случаях используется плотная модель (часто генерируемая поверхностями подразделений многоугольной управляющей сетки), сохраняющая новые месторасположения для положений вершин посредством карты изображений. В этой карте хранятся скорректированные местоположения.
• Объемный — практически не основывается на вокселях, но имеет схожие возможностями смещения. При этом такой способ не имеет недостатка в виде растяжения границ, когда не хватает точек для достижения деформации объекта.
• Динамическая тесселяция — похож на воксели, однако на разделяет поверхность посредством триангуляции в целях поддержания гладкой поверхности и получения уменьшенных деталей.

Моделирование может осуществляться разными способами: с использованием специальной программы (Cinema 4D, 3ds Max, Maya, Blender, Modo, LightWave и др.), при помощи прикладного компонента (Shaper, Lofter в 3ds Max), или посредством некоторого языка описания сцены (как в POV-Ray). В некоторых случаях эти фазы практически не отличаются между собой. В таких ситуациях моделирование трехмерной графики представляет собой лишь часть процесса создания сцены.

Моделирование сложных материалов, например, движущегося песка, облаков и брызгав воды, осуществляется при помощи систем частиц. Такие объекты являются массой 3D-координат, которым назначены точки, многоугольники, текстуры или спирали.

Этап 2: Макет и анимация

Перед тем как начать рендеринг, объекты нужно расположить в композиции. Тем самым определяются пространственные соотношения между различными объектами, в том числе их размер и местоположение. Анимация является временным описанием объекта, так как демонстрирует, как этот объект движется и деформируется во времени.

Читайте также!

Чем занимается графический дизайнер: плюсы и минусы профессии

Подробнее

Самые популярные способы подразумевают кадрирование, обратную кинематику и захват движения. Такие техники нередко комбинируются. Они напрямую влияют на уровень производительности 3D-графики. Физическое моделирование задаёт также и движение. Этим оно похоже на анимацию в трехмерной графике.

Этап 3: Рендеринг

С помощью рендеринга модель конвертируется в изображение. Делается это за счёт имитации переноса света в целях получения фотореалистичных изображений или благодаря использованию художественного стиля.

Материалы и текстуры являются свойствами, применяющимися движком рендеринга в целях создания модели. В несмещенном механизме рендеринга (например, циклы блендера) у специалиста есть возможность дать указание движку по материалам модели. Скажем, настроить, каким образом нужно осуществлять обработку света в том момент, когда он появляется на поверхности.

Текстуры нужны для придания материалу цвета при помощи карты цветов или альбедо, либо добавления поверхностных особенностей при помощи карты неровностей или нормалей. Это можно применять в целях изменения формы модели за счёт карты смещения. Да, ее можно создать лишь с помощью трехмерных графиков, однако такие процессы оказывают сильное влияние.

Можно выделить две базовые операции в реалистичном рендеринге: перенос (количество света, которое попадает из одного места в другое) и рассеивание (взаимодействие поверхностей с освещением).

Чаще всего, этот этап осуществляется посредством ПО для компьютерной трёхмерной графики или специального API-интерфейса. Изменение сцены в подходящую для рендеринга форму подразумевает использование трехмерной проекции, которая отображает 3D-изображение в двух измерениях. Программное обеспечение 3D-моделирования и САПР могут производить 3D-рендеринг (Autodesk 3DS Max или Blender и т.д.), однако существует и эксклюзивное ПО для 3D-рендеринга.

Компьютерная графика все больше удивляет людей своей реалистичностью. С помощью неё создаётся великое множество сцен и объектов, которые могут, как двигаться, так и быть статичными. Графика прошлого и графика настоящего разительно отличаются между собой, что доказывают миллионы кинозрителей и игроков. Нынешние трехмерные процессоры позволяют нам полностью погружаться в виртуальные миры и делать там невообразимые вещи.

Автор статьи:

Редакция сайта GeekBrains Шеф-редактор раздела Программирование