Введение
Вы наверняка замечали, что после применения нового моющего средства ваша посуда блестит гораздо более тускло, чем в рекламе. А вымытые дорогим шампунем волосы не выглядят так красиво, как на экране телевизора. Причина этого проста: слишком чистая посуда – всего лишь просчитанное компьютером изображение. Такие тарелки в реальности не существуют. Многие не догадываются, что это не реальные съемки, а результат работы мастера трехмерной графики.
Прочитав мои статьи, вы будите иметь начальное представление о 3D(трехмерной) графике и ее функциях.
Общее описание
Трёхмерная графика (3D, 3 Dimensions, русск. 3 измерения) — раздел компьютерной графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для оперирования объектами в трёхмерном пространстве, а также результат работы таких программ. Больше всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке.
Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трёхмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ.
При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
Для получения трёхмерного изображения требуются следующие шаги:
Моделирование
Рендеринг
Моделирование
Модели?рование — исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.
Пример научного моделирования. Схема химических процессов и процессов переноса в атмосфере.
Виды моделирования
В силу многозначности понятия «модель» в науке и технике не существует единой классификации видов моделирования: классификацию можно проводить по характеру моделей, по характеру моделируемых объектов, по сферам приложения моделирования (в технике, физических науках, кибернетике и т. д.). Например, можно выделить следующие виды моделирования:
Информационное моделирование
Компьютерное моделирование
Математическое моделирование
Математико-картографическое моделирование
Цифровое моделирование
Логическое моделирование
Педагогическое моделирование
Психологическое моделирование
Статистическое моделирование
Структурное моделирование
Физическое моделирование
Экономико-математическое моделирование
Имитационное моделирование
Эволюционное моделирование
и т. д.
Процесс моделирования
Процесс моделирования включает три элемента:
субъект (исследователь),
объект исследования,
модель, определяющую (отражающую) отношения познающего субъекта и познаваемого объекта.
Первый этап построения модели предполагает наличие некоторых знаний об объекте-оригинале. Познавательные возможности модели обусловливаются тем, что модель отображает (воспроизводит, имитирует) какие-либо существенные черты объекта-оригинала. Вопрос о необходимой и достаточной мере сходства оригинала и модели требует конкретного анализа. Очевидно, модель утрачивает свой смысл как в случае тождества с оригиналом (тогда она перестает быть моделью), так и в случае чрезмерного во всех существенных отношениях отличия от оригинала. Таким образом, изучение одних сторон моделируемого объекта осуществляется ценой отказа от исследования других сторон. Поэтому любая модель замещает оригинал лишь в строго ограниченном смысле. Из этого следует, что для одного объекта может быть построено несколько «специализированных» моделей, концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуемого объекта или же характеризующих объект с разной степенью детализации.
На втором этапе модель выступает как самостоятельный объект исследования. Одной из форм такого исследования является проведение «модельных» экспериментов, при которых сознательно изменяются условия функционирования модели и систематизируются данные о ее «поведении». Конечным результатом этого этапа является множество (совокупность) знаний о модели.
На третьем этапе осуществляется перенос знаний с модели на оригинал — формирование множества знаний. Одновременно происходит переход с «языка» модели на «язык» оригинала. Процесс переноса знаний проводится по определенным правилам. Знания о модели должны быть скорректированы с учетом тех свойств объекта-оригинала, которые не нашли отражения или были изменены при построении модели.
Четвертый этап — практическая проверка получаемых с помощью моделей знаний и их использование для построения обобщающей теории объекта, его преобразования или управления им.
Моделирование — циклический процесс. Это означает, что за первым четырехэтапным циклом может последовать второй, третий и т.д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта или ошибками в построении модели, можно исправить в последующих циклах.
Сейчас трудно указать область человеческой деятельности, где не применялось бы моделирование. Разработаны, например, модели производства автомобилей, выращивания пшеницы, функционирования отдельных органов человека, жизнедеятельности Азовского моря, последствий атомной войны. В перспективе для каждой системы могут быть созданы свои модели, перед реализацией каждого технического или организационного проекта должно проводиться моделирование.
Рендеринг
Ре?ндеринг (англ. rendering — «визуализация») в компьютерной графике — это процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы. Здесь модель — это описание трёхмерных объектов на строго определённом языке или в виде структуры данных. Такое описание может содержать геометрические данные, положение точки наблюдателя, информацию об освещении. Изображение — это цифровое растровое изображение. Проще говоря, рендеринг — создание плоского изображения (картинки) по разработанной 3D сцене. Синонимом в данном контексте является Визуализация.
Это один из наиболее важных разделов в компьютерной графике, и на практике он тесным образом связан с остальными. Обычно, программные пакеты трехмерного моделирования и анимации включают в себя также и функцию рендеринга. Существуют отдельные программные продукты, выполняющие рендеринг.
В зависимости от цели, различают пре-рендеринг, как достаточно медленный процесс визуализации, применяющийся в основном при создании видео, и рендеринг в реальном режиме, применяемый в компьютерных играх. Последний часто использует 3D-ускорители.
Методы рендеринга (визуализации)
На текущий момент разработано множество алгоритмов визуализации. Существующее программное обеспечение может использовать несколько алгоритмов для получения конечного изображения.
Трассирование каждого луча света в сцене не практично и занимает неприемлемо длительные периоды времени. Даже трассирование малого количества лучей, достаточного, чтобы получить изображение, занимает чрезмерное количество времени, если не применяется аппроксимация (семплирование).
Вследствие этого, было разработано четыре группы методов, более эффективных, чем моделирование всех лучей света, освещающих сцену:
Растеризация (англ. rasterization) и метод сканирования строк (англ. scanline rendering). Визуализация производится проецированием объектов сцены на экран без рассмотрения эффекта перспективы относительно наблюдателя.
Метод бросания лучей (англ. ray casting). Сцена рассматривается, как наблюдаемая из определенной точки. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пикселя на двумерном экране. При этом лучи прекращают свое распространение(в отличие от метода обратного трассирования), когда достигают любого объекта сцены либо ее фона. Возможно используются какие-то очень простые техники добавления оптических эффектов или внесения эффекта перспективы.
Глобальная иллюминация (англ. global illumination, radiosity). Использует математику конечных элементов, чтобы симулировать диффузное распространение света от поверхностей и при этом достигать эффектов «мягкости» освещения.
Трассировка лучей (англ. ray tracing) похож на метод бросания лучей. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. Но при этом луч не прекращает свое распространение, а разделяется на три компоненты, луча, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пиксела на двумерном экране: отраженный, теневой и преломленный. Количество таких разделений на компоненты определяет глубину трассирования и влияет на качество и фотореалистичность изображения. Благодаря своим концептуальным особенностям метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, но при этом он очень ресурсоемкий и процесс визуализации занимает значительные периоды времени.
Передовое программное обеспечение обычно совмещает в себе несколько техник, чтобы получить достаточно качественное и фотореалистичное изображение за приемлемые затраты вычислительных ресурсов.
Программное обеспечение
Программные пакеты, позволяющие производить трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень разнообразны. Последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты: такие как Autodesk 3ds Max, Maya, Newtek Lightwave, SoftImage XSI и сравнительно новые Rhinoceros 3D, Cinema 4D или ZBrush. Кроме того, уверенно набирают популярность и открытые продукты, распространяемые свободно, например, полнофункциональный пакет Blender (позволяет и производство моделей, и последующий рендеринг) и Wings3D (только создание моделей с возможностью последующего использования их другими программами).
3ds Max
3ds Max — полнофункциональная профессиональная программная система для работы с трёхмерной графикой, разработанная компанией Autodesk Media & Entertainment. Работает в операционных системах Microsoft Windows и Windows NT (как в 32?битных, так и в 64?битных). Весной 2008 года выпущена одиннадцатая версия этого продукта под названием «3ds Max 2009».
В 3ds Max реализована возможность создания нескольких основных источников частиц. Начиная с 8 версии имеется 6 основных источников частиц (не включая Particle Flow), демонстрирующих различное поведение. Традиционными источниками частиц в 3ds Max являются Spray (Брызги), Snox (Снег), Blizzard (Метель), PArray (Массив частиц), PCloud (Облако частиц) и Super Sprays (Супербрызги).
Particle Flow — это изощрённая нелинейная событийно-управляемая система частиц, разработанная Олегом Байбородиным, одна из семи систем частиц 3ds Max. Подобно большинству систем частиц, доступных в современных пакетах трёхмерной графики Particle Flow позволяет пользователю моделировать поведение частиц на основании серий предопределённых процедур (событий) средствами удобного наглядного интерфейса.
3ds Max также включает механизм расчёта физики reactor, изначально разработанный Havok. Reactor позволяет моделировать поведение твёрдых тел, мягких тел, ткани с учётом силы тяжести и других воздействий. Так же как и в других программах имитации динамики в reactor’е используются упрощённые выпуклые оболочки объектов, которые могут быть настроены на использование всех вершин объекта, ценою времени обработки.
Maya
Maya — редактор трёхмерной графики. В настоящее время стала стандартом 3D графики в кино и телевидении. Первоначально разработана для ОС Irix (платформа SGI), затем была портирована под ОС GNU/Linux, Microsoft Windows и Mac OS. В настоящее время существует как для 32, так и для 64-битных систем.
Maya названа в честь Санскритского слова, которое означает иллюзия. Maya существует в трёх версиях:
Maya Unlimited — самый полный и самый дорогой пакет
Maya Complete — менее мощный пакет
Maya Personal Learning Edition — бесплатный пакет для некоммерческого использования. Есть функциональные ограничения, а также все отрендеренные изображения помечаются водяным знаком.
Maya была разработана Alias Systems Corporation и выпущена для операционных систем Microsoft Windows, GNU/Linux, IRIX и Mac OS X. В сентябре 2007 года, была выпущена новая версия, получившая имя Maya 2008. Для платформы IRIX последней версией была 6.5, в связи с уменьшающейся популярностью ОС в последние годы. В октябре 2005 года компания Alias влилась в Autodesk. Представители компании в различных интервью подтвердили, что не будут сливать Maya и 3ds Max в один продукт.
Важная особенность Maya — её открытость для сторонних разработчиков, которые могут преобразовать её в версию, которая более удовлетворяет требованиям больших студий, которые предпочитают писать код, специфичный для их нужд. Даже не взирая на присущую Maya мощь и гибкость, этой особенности достаточно для того, чтобы повлиять на выбор.
В Maya встроен мощный интерпретируемый кросс-платформенный язык: Maya Embedded Language (MEL), очень похожий на Tcl. Это не просто скриптовый язык, это способ настроить основную функциональность Maya (большая часть окружения Maya и сопутствующих инструментов написана на нем). В частности, пользователь может записать свои действия как скрипт на MEL, из которого можно быстро сделать удобный макрос. Так аниматоры могут добавлять функциональность к Maya даже не владея языками C или C++, оставляя при необходимости такую возможность.
Файлы проектов, включая все данные о геометрии и анимации, сохраняются как последовательности операций MEL. Эти файлы могут быть сохранены в текстовом файле (.ma — Maya ASCII), который может быть отредактирован в любом текстовом редакторе. Это обеспечивает непревзойденный уровень гибкости при работе с внешними инструментами.
Заключение
Прочитав стать у человека сформируется понятие о Трехмерной графике. Для чего используется она в нашем современном мире. Какую сложную и в тоже время интересную работу выполняют аниматоры, архитекторы и т.п. люди. Вы поймете какой из программных продуктов лучше для выполнения какого либо действия с 3D графикой. Дерзайте, пробуйте, моделируйте и может быть вас затянет, этот увлекательный мир 3D!
Список литературы
Гомер С. – «В гостях у Анимации» 2004 г.
Бендер Б. – «3D вокруг нас» 2003 г.
Зойберг К. - «Работа в 3D Studio Max» 2007 г.
Тэд Б. – «3D моделирование» 2007 г.