Trojrozměrná grafika - odvětví počítačové grafiky , věnované metodám vytváření obrázků nebo videí modelováním objektů ve třech rozměrech .
3D modelování je proces vytváření trojrozměrného modelu objektu. Úkolem 3D modelování je vyvinout vizuální trojrozměrný obraz požadovaného objektu. V tomto případě může model odpovídat buď objektům z reálného světa ( auta , budovy , hurikán , asteroid ), nebo může být zcela abstraktní (projekce čtyřrozměrného fraktálu ).
Grafické znázornění trojrozměrných objektů se liší tím, že zahrnuje konstrukci geometrické projekce trojrozměrného modelu scény na rovinu (například obrazovku počítače ) pomocí specializovaných programů. S vytvořením a přijetím 3D displejů a 3D tiskáren však 3D grafika nemusí nutně zahrnovat projekci do roviny.
Trojrozměrná grafika se aktivně používá k vytváření obrázků na obrazovce nebo listu tištěných produktů ve vědě a průmyslu , například v systémech automatizace projekčních prací (CAD; k vytváření pevných prvků: budovy, části strojů, mechanismy), architektonické vizualizace (sem patří tzv. „ virtuální archeologie “) v moderních lékařských zobrazovacích systémech .
Nejširší uplatnění nachází v mnoha moderních počítačových hrách , stejně jako prvek kina , televize a tištěných materiálů .
3D grafika se obvykle zabývá virtuálním , imaginárním trojrozměrným prostorem, který je zobrazen na plochém, dvourozměrném povrchu displeje nebo listu papíru. V současné době existuje několik způsobů, jak zobrazit trojrozměrné informace v trojrozměrné podobě, i když většina z nich představuje trojrozměrné charakteristiky spíše podmíněně, protože pracují se stereo obrazem. Z této oblasti lze zaznamenat stereo brýle , virtuální helmy, 3D displeje schopné demonstrovat trojrozměrný obraz. Několik výrobců předvedlo 3D displeje připravené pro sériovou výrobu . Ale abyste si mohli užít trojrozměrný obraz, musí být divák umístěn přesně ve středu. Krok doprava, krok doleva i neopatrné otočení hlavy jsou trestány proměnou trojrozměrnosti v nesympatický zubatý obraz. Řešení tohoto problému již dozrálo ve vědeckých laboratořích. Německý Fraunhoferův institut letos předvedl 3D displej, který pomocí dvou kamer sleduje polohu očí diváka a podle toho upravuje obraz.[ kdy? ] šel ještě dál. Nyní je sledována nejen poloha očí, ale také poloha prstu, kterým lze „stisknout“ trojrozměrná tlačítka. A tým výzkumníků z Tokijské univerzity vytvořil systém, který vám umožní cítit obraz. Zářič je zaměřen na bod, kde se nachází lidský prst, a v závislosti na jeho poloze mění sílu akustického tlaku. Je tak možné nejen vidět trojrozměrný obrázek, ale také interagovat s předměty na něm zobrazenými.
3D zobrazení však stále neumožňují vytvořit plnohodnotnou fyzickou, hmatatelnou kopii matematického modelu vytvořeného metodami 3D grafiky.
Technologie rychlého prototypování , které se vyvíjejí od 90. let, tuto mezeru vyplňují. Je třeba poznamenat, že technologie rychlého prototypování využívají reprezentaci matematického modelu objektu ve formě pevného tělesa ( model voxel ).
Chcete-li získat trojrozměrný obraz v rovině, jsou nutné následující kroky:
Modelování scény (virtuální modelovací prostor) zahrnuje několik kategorií objektů:
Úkolem 3D modelování je popsat tyto objekty a umístit je do scény pomocí geometrických transformací v souladu s požadavky na budoucí obraz.
Účel materiálů: Pro skutečný kamerový senzor se materiály objektů reálného světa liší v tom, jak odrážejí , propouštějí a rozptylují světlo; virtuální materiály jsou nastaveny tak, aby odpovídaly vlastnostem skutečných materiálů – průhlednost, odrazy, rozptyl světla, drsnost, reliéf atd.
Nejoblíbenější čistě modelovací balíčky jsou:
K vytvoření trojrozměrného modelu osoby nebo tvora lze jako prototyp (ve většině případů) použít sochu .
Texturování zahrnuje promítání bitmapových nebo procedurálních textur na povrch 3D objektu podle mapy souřadnic UV , kde je každému vrcholu objektu přiřazena specifická souřadnice v prostoru 2D textury.
Spočívá ve vytváření, směrování a konfiguraci virtuálních světelných zdrojů. Přitom ve virtuálním světě mohou mít světelné zdroje negativní intenzitu, odebírající světlo ze zóny svého „negativního osvětlení“. Balíčky 3D grafiky obvykle poskytují následující typy světel:
Existují i další typy světelných zdrojů, které se liší svou funkčností v různých 3D grafických a vizualizačních programech. Některé balíčky poskytují možnost vytvářet zdroje objemové záře (Sphere light) nebo objemového osvětlení (Volume light) v přesně specifikovaném objemu. Některé poskytují možnost používat geometrické objekty libovolného tvaru.
Jedním z hlavních úkolů trojrozměrné grafiky je poskytnout pohyb ( animaci ) trojrozměrnému modelu nebo simulovat pohyb mezi trojrozměrnými objekty. Univerzální balíčky trojrozměrné grafiky mají velmi bohaté možnosti pro tvorbu animací. Existují také vysoce specializované programy vytvořené čistě pro animaci a s velmi omezenou sadou modelovacích nástrojů:
V této fázi se matematický (vektorový) prostorový model změní na plochý (rastrový) obrázek. Pokud chcete vytvořit film, vykreslí se sekvence takových obrázků - snímků. Jako datová struktura je obraz na obrazovce reprezentován maticí bodů, kde každý bod je definován alespoň třemi čísly: intenzitou červené, modré a zelené. Vykreslování tedy převádí 3D vektorovou datovou strukturu na plochou matici pixelů . Tento krok často vyžaduje velmi složité výpočty, zvláště pokud chcete vytvořit iluzi reality. Nejjednodušší způsob vykreslování je kreslit obrysy modelů na obrazovce počítače pomocí projekce, jak je uvedeno výše. Obvykle to nestačí a je třeba vytvořit iluzi materiálů, ze kterých jsou objekty vyrobeny, a také vypočítat zkreslení těchto objektů v důsledku průhledných médií (například kapaliny ve sklenici).
Existuje několik technologií vykreslování, které se často kombinují. Například:
Hranice mezi algoritmy sledování paprsku je nyní téměř vymazána. V 3D Studio Max se tedy standardní vykreslovací modul nazývá Výchozí vykreslovací modul scanline, ale zohledňuje nejen příspěvek rozptýleného, odraženého a vnitřního (samosvětelná barva) světla, ale také vyhlazených stínů. Z tohoto důvodu se pojem Raycasting častěji vztahuje k reverznímu sledování paprsku a Raytracing k přímému sledování paprsku.
Nejoblíbenější renderovací systémy jsou:
Vzhledem k velkému objemu výpočtů stejného typu lze rendering rozdělit na vlákna (paralelní). Proto je pro renderování velmi důležité použití víceprocesorových systémů . Nedávno byly aktivně vyvíjeny vykreslovací systémy, které používají GPU místo CPU , a dnes je jejich účinnost pro takové výpočty mnohem vyšší. Tyto systémy zahrnují:
Mnoho výrobců CPU rendererů také plánuje zavedení podpory GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).
Nejpokročilejší úspěchy a nápady trojrozměrné grafiky (a počítačové grafiky obecně) jsou prezentovány a diskutovány na výročním sympoziu SIGGRAPH , které se tradičně koná v USA .
Softwarové balíčky , které umožňují vytvářet trojrozměrnou grafiku, tedy simulovat objekty virtuální reality a vytvářet obrazy na základě těchto modelů, jsou velmi rozmanité. V posledních letech jsou udržitelnými lídry v této oblasti komerční produkty, jako jsou:
Mezi volně distribuovanými otevřenými produkty je uveden balíček Blender (umožňuje vytvářet 3D modely, animace, různé simulace atd. s následným renderováním), K-3D a Wings3D .
sketchupBezplatný program SketchUp od společnosti Google vám umožňuje vytvářet modely, které jsou kompatibilní s geografickou krajinou zdroje Google Earth , a také interaktivně zobrazit na počítači uživatele několik tisíc architektonických modelů, které jsou zveřejněny na bezplatném neustále aktualizovaném zdroji Google Cities in Development (vynikající budovy světa), vytvořené komunitou uživatelů .
Pro vykreslování 3D grafiky v aplikačních programech existuje řada softwarových knihoven – DirectX, OpenGL a tak dále.
Existuje řada přístupů k prezentaci 3D grafiky ve hrách – plné 3D, pseudo-3D.
K vytváření trojrozměrných her se používá mnoho enginů , které jsou odpovědné nejen za trojrozměrnou grafiku, ale také za výpočet fyziky herního světa, interakci uživatele s hrou a interakci uživatele ve hře během režimu pro více hráčů a mnoho dalšího. (viz také článek 3D střílečka ). Zpravidla je engine vyvinut pro konkrétní hru a poté licencován (stane se dostupný) pro vytváření dalších her.
Existují konstrukční a technologické balíčky CAD / CAE / CAM , zahrnující tvorbu modelů dílů a konstrukcí, jejich výpočet, návrh konstrukční a technologické dokumentace k nim a případně následné generování programů pro CNC stroje a 3D tiskárny . . Společný pro tyto skupiny softwaru je termín „computer-aided design“ ( CAD ).
Charakteristickým rysem těchto balíčků je přesnost sestavení modelu se schopností generovat geometricky přesné řezy, řezy z něj, získávat vypočítané informace o hmotnosti výrobku nebo konstrukce a různé projekce.
Takové balíčky dokonce vždy neumožňují uživateli přímo ovládat 3D model, například existuje balíček OpenSCAD , ve kterém je model tvořen spuštěním uživatelem vytvořeného skriptu napsaného ve specializovaném jazyce.
Samostatným směrem trojrozměrného směru je informační modelování budov ( BIM / TIM ). Stejně jako systémy průmyslového designu pracují i BIM programy s přesnou konstrukcí modelů, naplňují je různými druhy atributivních vlastností a možností je reprezentovat v různých reprezentacích (řezy, pohledy, specifikace).
Trojrozměrné neboli stereoskopické displeje (3D displeje, 3D obrazovky) jsou displeje, které prostřednictvím stereoskopického nebo jakéhokoli jiného [1] efektu vytvářejí iluzi skutečného objemu v zobrazovaných obrazech.
V současné době je naprostá většina 3D snímků zobrazena pomocí stereoskopického efektu, který je nejsnáze implementovatelný, i když samotné použití stereoskopie nelze označit za dostatečné pro trojrozměrné vnímání. Lidské oko, ve dvojici i samostatně, stejně dobře rozlišuje trojrozměrné předměty od plochých obrazů. .
Metody pro technickou realizaci stereoefektu zahrnují použití anaglyfových filtrů v kombinaci se speciálním zobrazením polarizačních nebo závěrkových brýlí synchronizovaných s displejem, v kombinaci se speciálně upraveným obrazem.
Existuje také relativně nová třída stereo displejů, které nevyžadují použití dalších zařízení, ale mají spoustu omezení. Zejména se jedná o konečný a velmi malý počet úhlů, ve kterých si stereo obraz zachovává čistotu. Stereo displeje založené na technologii New Sight x3d poskytují osm úhlů, Philips WOWvx devět úhlů. V říjnu 2008 představil Philips prototyp stereo displeje s rozlišením 3840×2160 pixelů a rekordních 46 „bezpečných“ pozorovacích úhlů. Krátce nato však Philips oznámil pozastavení vývoje a výzkumu stereo displejů [2] .
Dalším problémem stereo displejů je malá velikost zóny „pohodlného sledování“ (rozsah vzdáleností od diváka k displeji, ve kterém zůstává obraz ostrý). V průměru je omezena na dosah 3 až 10 metrů.
Stereo displeje samy o sobě s 3D grafikou přímo nesouvisí. Zmatek vzniká kvůli používání termínu 3D v západních médiích ve vztahu k grafice i zařízením využívajícím stereo efekt a nesprávnému překladu při publikování vypůjčených materiálů v ruských vydáních.
Nechybí ani technologie WOWvx, která umožňuje získat 3D efekt bez použití speciálních brýlí. Je použita technologie lentikulární čočky, která umožňuje velkému počtu diváků širokou volnost pohybu bez ztráty vnímání 3D efektu. Před displejem z tekutých krystalů je upevněna vrstva průhledných čoček. Tato vrstva posílá do každého oka jiný obrázek. Mozek, který zpracovává kombinaci těchto obrázků, vytváří efekt trojrozměrného obrazu. Průhlednost vrstvy čočky poskytuje plný jas, ostrý kontrast a vysoce kvalitní reprodukci barev obrazu.
K dispozici je technologie pro zobrazování 3D videa na LED obrazovkách .
Od června 2010 existuje několik experimentálních technologií, které mohou dosáhnout trojrozměrného zobrazování bez stereoskopie. Tyto technologie využívají rychlého rozmítání laserového paprsku, který se rozptyluje na částicích kouře ( aerosolová clona ) nebo se odráží od rychle se otáčející desky.
Existují také zařízení, ve kterých jsou LED diody namontovány na rychle se otáčející desce .
Taková zařízení připomínají první pokusy o vytvoření mechanického televizního skenování . Zřejmě bychom se v budoucnu měli dočkat vzhledu plně elektronického zařízení, které umožňuje simulovat světelný tok z trojrozměrného objektu v různých směrech, takže člověk může chodit po displeji a dokonce se dívat na obraz jedním oko bez narušení hlasitosti obrazu.
Použití výrazů „trojrozměrný“ nebo „3D“ pro označení stereoskopických filmů je způsobeno skutečností, že při sledování takových filmů divák vytváří iluzi trojrozměrného obrazu, pocit přítomnosti třetího rozměr - hloubka a nový rozměr prostoru již ve 4D. Kromě toho existuje souvislost s rostoucím používáním 3D počítačové grafiky při vytváření takových filmů (rané stereo filmy byly natáčeny jako konvenční filmy, ale pomocí dvoučočkových stereokamer).
Sledování filmů ve 3D se dnes stalo velmi oblíbeným fenoménem.
Hlavní technologie, které se v současnosti používají pro zobrazování stereo filmů [3] :
Jakousi nadstavbou 3D grafiky je „rozšířená realita“. Pomocí technologie rozpoznávání obrazu (markery) dokončuje program rozšířené reality konstrukci virtuálního 3D objektu v reálném fyzickém prostředí. Uživatel může se značkou pracovat: otáčet ji různými směry, různě ji osvětlovat, zakrývat některé její části a pozorovat změny, ke kterým dochází u 3D objektu na obrazovce monitoru počítače.
Impulsem k širokému rozšíření technologie bylo v roce 2008 vytvoření otevřené knihovny FLARToolKit pro technologii Adobe Flash .
| 3D grafika a animační software | |
|---|---|
| open source |
|
| Proprietární software |
|