• Recovery Mode

Всі ми чули про 3D графіку (далі просто 3D, не плутати зі способом відображення – голограмами, 3D-моніторами тощо), багато хто чудово знає, що таке 3D і з чим його їдять. Але все ж таки є й ті, хто неясно собі уявляє, що криється під цією короткою абревіатурою. Стаття розрахована на тих, хто не має уявлення про комп'ютерну графіку. Також буде трохи екскурсу в історію комп'ютерної графіки (у наступних запланованих частинах).
Чому саме 3D? Як неважко здогадатися, йдеться про 3 Dimension, або про три виміри. І не обов'язково при цьому щоб і відображення було в 3D. Йдеться про спосіб побудови картинки.

Частина 1. Власне, моделювання
Традиційно малюють у 2D (по осях X та Y) - на папері, полотні, дереві тощо. При цьому відображають якусь одну із сторін предмета. Картинка сама собою плоска. Але якщо ми хочемо отримати уявлення про всі сторони предмета, необхідно намалювати кілька малюнків. Так чинять у традиційній мальованої анімації. Але, водночас, існує, (до речі, у СРСР досить добре розвинена) т.зв. лялькова анімація. Одного разу виготовлену ляльку знімають у необхідних позах та ракурсах, отримуючи серію «плоських картинок». 3D (до X і Y додається координата глибини Z) візуалізація - це ті самі «ляльки», що тільки існують у цифровому вигляді. Іншими словами, у спеціальних програмах (Blender, 3ds Max, Maya, Cinema 4D тощо) створюється об'ємне зображення, наприклад авто.

Перевага даного методув тому, що в розпорядженні, скажімо, аніматора є об'ємна модель, необхідно лише помістити її належним чином у кадр, анімувати (задати траєкторію пересування або розрахувати за допомогою симулятора) при необхідності, а відображення авто у фінальній картинці лягає на спеціальну програму, яка називається візуалізатором. (Render). Ще одна перевага в тому, що модель достатньо намалювати один раз, а потім використовувати в інших проектах (скопіювавши), змінювати, деформувати тощо. на свій розсуд. Для звичайного 2D малюнку, у випадку, таке неможливо. Третя перевага – можна створювати практично нескінченно деталізовані моделі, наприклад змоделювати навіть гвинтики на годиннику тощо. Загалом цей гвинтик може бути і невиразний, але варто нам наблизити камеру, програма-візуалізатор сама розрахує, що видно в кадрі, а що - ні.

Існує кілька способів моделювання, але найпопулярнішим є полігональне моделювання. Нерідко можна побачити в роликах про 3D або фантастичні фільми як той чи інший об'єкт представляється у вигляді т.зв. сітки. (Див. малюнок вище) Це і є приклад полігонального моделювання. Суть його в тому, що поверхні видаються у вигляді простих двосторонніх геометричних примітивів. У комп'ютерних іграх це трикутники, інших цілей зазвичай використовують чотирикутники і постаті з великою кількістю кутів. Ці примітиви, з яких складається модель, називають полігонами. Але під час створення 3D об'єкта намагаються обійтися, зазвичай, чотирикутниками. При необхідності чотирикутники (полігони) без проблем перетворюються на трикутники при експорті в ігровий двигун, а при необхідності згладжування або тесселяції модель з чотирикутників виходить, як правило, без артефактів.
Що таке тесселяція? Якщо якийсь об'єкт представляється у вигляді полігонів (особливо органічні об'єкти, наприклад людина), то зрозуміло, що менше розмір полігонів, чим більше, тим ближчою може бути модель до оригіналу. На цьому заснований метод тесселяції: спочатку виготовляють грубу болванку з невеликої кількості полігонів, потім застосовують операцію тесселяції, при цьому кожен полігон ділиться на 4 частини. Так от, якщо полігон чотирикутний (а ще краще, близький до квадрата) то алгоритми тесселяції дають якісніший і передбачуваний результат. Також операція згладжування, а це та сама тесселяція, тільки зі зміною кутів на тупіші, при близьких до квадрата полігонах, дозволяє отримати хороший результат.

Як було сказано вище, чим більше полігонів, тим більше модель може (може тому, що модель має бути ще схожа на оригінал, а це питання майстерності моделера, а не полігонів) бути схожим на оригінал. Але у великої кількості полігонів є зворотний бік: зниження продуктивності. Чим більше полігонів, тим більше точок, за якими вони будуються, тим більше даних доводиться обробляти процесору. Тому 3D графіка – це завжди компроміс між деталізацією моделі та продуктивністю. У зв'язку з цим навіть виникли терміни: hight poly і low poly відповідно високополігональна модель і низько полігональна модель. У іграх застосовуються низько полігональні моделі, оскільки у них виконується візуалізація у часі. До речі, моделі в іграх представлені трикутниками підвищення продуктивності: графічні процесори вміють на апаратному рівні швидко обробляти сотні мільйонів трикутників за секунду.

Як правило, полігональне моделювання відноситься до порожнистого моделювання, де об'єкт має тільки об'єм, але всередині порожній. Це означає, що якщо ми змоделюємо куб, а потім видалимо одну зі стінок, то побачимо всередині порожнечу. Також є програми для твердотільного моделювання, де той же куб представлений у вигляді монолітного об'єкта. У таких програмах (наприклад, Autodesk Inventor) використовуються математичні моделі відмінні від тих, що в полігональному моделюванні. Алгоритми твердотільного моделювання краще підходять для моделювання механізмів розробки техніки. Програми на кшталт Autodesk Inventor мають засоби для моделювання з урахуванням особливостей технологічного процесу, таких як фаски, свердління отворів, проставлення розмірів, допусків тощо. Отримані моделі можна відразу відправити на відповідний верстат для отримання виробу в металі або іншому матеріалі.
Також існують так звані програми 3D ліплення (ZBrush, Autodesk Mudbox), в яких моделювання зводиться (грубо кажучи) до створення поглиблень або опуклостей. Така техніка схожа на те, як скульптори ліплять із глини – прибираючи непотрібне та додаючи необхідне. За допомогою таких програм можна досягти реалістичного рельєфу поверхні, наприклад, зморшок на шкірі або складок тканини. В даний час високополігональні (а для ліплення модель повинна мати солідну кількість полігонів) реалістичні моделі людей і взагалі тваринного світу виконуються, здебільшого, із застосування програми ліплення. Поширена практика, коли заготівля моделі створюється за допомогою полігонального моделювання, а потім у програмі ліплення тесселируется і додаються дрібні деталі.

Але у нас є готова модель, скажімо, танка. Але на танк, власне, вона зовсім не схожа. У чому тут справа? На даному етапі у нас лише математична модель містить дані лише про геометричну форму. Але у реального об'єкта окрім форми є ще й колір, щільність, що відображає здатність і, можливо, запах. Останнє поки що в 3D графіку не застосовується, а ось все інше можна змоделювати. Надання моделі потрібного кольору та блиску називають текстуруванням, від слова текстура.


У випадку текстура - це двомірний малюнок який накладається на 3D модель. Текстура може бути як процедурною – згенерованою за допомогою алгоритму, так і намальована у графічному редакторі, або фотографією реального об'єкта. За допомогою текстури задається малюнок і колір моделі, але реальна поверхня має й інші параметри: здатність, що відбиває, заломленням, рельєфом, позорістю і т.п. Всі ці параметри задаються властивостями матеріалу. Тобто. матеріал з погляду 3D графіки - це така собі математична модель описує параметри поверхні. Наприклад, для води обов'язково необхідно вказати прозорість і заломлюючу здатність, що відображає.
Перед нанесенням матеріалу на 3D модель необхідно створити її розгортку, тобто. уявити всі (кілька, одну) поверхні у вигляді проекції на площину. Це необхідно для того, щоб потім двовимірна текстура правильно «лягла» на модель.
Таким чином, виготовлення 3D моделі в загальному випадку складається з наступних стадій:
1. Отримання зображень референсу (тобто того, з чого моделюватиметься) або самого референсу. Або малювання екскізу.
2. Моделювання геометрії з урахуванням референсу.
3. Створення розгортки.
4. Малювання текстур або отримання їх іншим способом у вигляді файлів.
5. Налаштування параметрів матеріалу (тектури, заломлення, відображення, прозорість).
Тепер 3D модель готова для візуалізації – отримання картинки.
Перший і четвертий пункт можуть бути опущені, якщо модель проста, але, як правило, хороших результатівбез всіх 5 кроків не досягти.
Підсумуємо.
Між звичайним малюнком, скажімо, на папері і побудовою 3D зображення є суттєві відмінності в самому процесі. Двовимірний малюнок, як правило, створюється у два етапи: ескіз та розфарбовування. У 3D графіці після виготовлення моделі її необхідно помістити в сцену до інших об'єктів (або так звану студію), додати освітлення, камеру і лише потім можна сподіватися отримати фінальну картинку. Зображення в 3D-графіці прораховується на основі фізичної моделі, як правило, це модель поширення променя світла з урахуванням відображення, заломлення, розсіювання тощо. Малюючи фарбами ми самі малюємо тіні, відблиски тощо, а у тривимірній графіці ми готуємо сцену з урахуванням освітлення, матеріалів, геометрії, властивостей камери, програма розраховує підсумкову картинку сама.

Ось, на сьогодні поки що й усе. Коментарі, а особливо питання та зауваження по суті вітаються.

P.S. У наступних частинах (якщо Хабрабству буде цікаво) ми більш детально поговоримо про тривимірне моделювання для ігор, торкнуться візуалізації, моделювання динамічних середовищ, таких як вода, руйнування об'єкта і торкнемося динамічної взаємодії між 3D об'єктами, історії 3D графіки.

Для створення комп'ютерної графіки використовують багато різних програм. Умовно їх можна поділити на такі групи:

• Програми цифрового скульптингу (Pixologic ZBrush, Autodesk Mudbox).
• Ігрові движки (Unreal Engine 4, Unity 5, CryEngine 3).
• Вузькоспеціалізовані додатки, «заточені» під конкретні завдання (анімація рідин – RealFlow, створення текстур – Mari та ін.).
• Універсальні 3D редактори (Cinema 4D, 3Ds Max, Maya, Houidini тощо).

Перші три групи розберемо у наступних статтях. Сьогодні пропонуємо огляд універсальних 3D редакторів (Full 3D Suites).

Універсальні 3D редактори,як правило, містять все необхідне для CG: інструменти моделювання, анімації та візуалізації.

На запитання: «Який із пакетів найкращий? Що вибрати?" немає правильних відповідей. Вибір інструменту залежить від багатьох факторів: особистих переваг CG-художника, поставлених цілей, фінансових можливостейі т.д.

• функціонал програми;
• зручність користування (інтуїтивний інтерфейс тощо);
• доступність, ціна.

Більшість фахівців у своїй роботі використовують відразу кілька програм: деякі речі простіше і швидше робити сторонніх додатках(Деталізація, постобробка, симуляція та ін.). Тому не обмежуйте себе рамками лише одного пакета. Тим більше що вибір інструментів сьогодні просто величезний.

Найпопулярніші 3D пакети:

3 Ds Max

3Ds Max- «піонер» серед 3D редакторів, дуже популярний інструмент, №1 у виборі багатьох початківців та просунутих фахівців. Займає провідні позиції у сфері дизайну та архітектурної візуалізації. Часто використовується в ігровій промисловості.

Можливості:

• моделювання на основі полігонів, сплайнів та NURBS,
• потужна система частинок,
• модуль волосся/шерсть,
• розширені шейдери Shader FX,
• підтримка нових та вдосконалених механізмів Iray та mental ray.
• анімація натовпу,
• імпорт з Revit та SketchUp,
• Інтеграція композитингу.

І багато іншого.

Плюси:величезний функціонал, безліч плагінів та навчальної інформації.

Мінуси:не такий простий у освоєнні, «старожилу» потрібні серйозні оновлення.

Autodesk Maya

Maya- Промисловий стандарт 3D графіки в кіно та телебаченні. Maya популярна серед великих студій та масштабних проектіву рекламі, кіно, ігровій індустрії. Пакет ідеальний для створення анімації.

Можливості:

• повний набір інструментів для NURBS- та полігонального моделювання;
• потужні засоби загальної та персонажної анімації;
• розвинена система частинок;
• технологія Maya Fur (створення хутра, волосся, трави);
• технологія Maya Fluid Effects (моделювання рідин, атмосфери);
• широкий набір засобів створення динамічних спецефектів;
• UV-текстури, нормалі та колірне кодування;
• багатопроцесорний гнучкий рендеринг.

Плюси:величезний функціонал та можливості.

Мінуси:тривале та складне навчання, високі вимоги до системи, висока ціна.

Cinema 4 D

Cinema 4 D- один із найкращих і зручних 3D пакетів на сьогоднішній день. Величезний функціонал: від моделювання, анімації, ефектів до «ліплення» та модуля BodyPaint 3D. У більш зрозумілий і зручний інтерфейс, ніж у 3Ds Max і Maya. Широко використовується в моушен-дизайні, кіноіндустрії та рекламі.

Можливості:

• полігональне та NURBS-моделювання;
• BodyPaint 3D (модуль для створення розгорток UV та текстурних карт);
• генерація та анімація об'єктів;
• персонажна анімація;
• динаміка м'яких та твердих тіл;
• модуль для створення реалістичного волосся;
• система частинок Thinking Particles;
• непоганий вбудований візуалізатор.

Плюси:легкість в освоєнні, інтуїтивний інтерфейс, відмінний функціонал, безліч навчальних матеріалів, тісний зв'язок з Adobe After Effects, Houdini і т.д.

Мінуси:неналагоджена система переходу між версіями.

Modo

Modo- Повноцінний продукт для моделювання, малювання, анімації та візуалізації. Включає також інструменти скульптингу та текстурного фарбування. Завдяки зручності користування та високої продуктивності, Modo має репутацію одного з найшвидших інструментів моделювання. Modo популярний у сфері реклами, розробки ігор, спецефектів та архітектурної візуалізації.

Можливості:

• полігональне та моделювання SDS;
• сучасні інструменти анімації;
• динаміка твердих та м'яких тіл;
• система малювання;
• матеріал Fur (хутро) для створення волосся, трави та хутра;
• інструменти ліплення;
• швидка та якісна візуалізація.

Плюси:потужний та зрозумілий інструментарій, висока продуктивність.

Мінуси:мало інформації.

Side Effects Houdini

Houdini- потужний професійний пакет для роботи з 3D графікою, в його основі процедурна нодова система. Houdini ідеально підходить для створення складної динаміки, симуляції: частинок, рідини, диму, вогню, імітації природних явищ тощо. А також це чудовий інструмент для створення вражаючих візуальних ефектів. Основна сфера застосування Houdini - кіноіндустрія.

Можливості:

• полігональне та NURBS-моделювання,
• анімація (ключова, процедурна),
• персонажна анімація,
• система частинок,
• динаміка твердих і м'яких тіл, тканин, вовни/волосся, газів та рідин,
• робота з об'ємним звуком,
• потужний рендер двигун Mantra,
• убудований інструмент композитингу.

Плюси:висококласні спецефекти та анімація.

Мінуси:мало інформації висока ціна.

Softimage

Softimage(Autodesk Softimage, раніше Softimage/XSI) - програма для 3D анімації та створення візуальних ефектів у game-індустрії, кіно та телебаченні.

У Softimage була одна з самих найкращих системанімації. Завдяки унікальній системі ICE (Interactive Creative Environment — платформі візуального програмування, що базується на нодах) пакет пропонував широку функціональність, гнучкість, високу продуктивність та якість.

Можливості:

• потужне полігональне, а також процедурне моделювання серед ICE;
• фізика та динаміка частинок та геометрії;
• нелінійна анімація;
• інструменти лицьової анімації Autodesk Face Robot;
• вбудований MentalRay.

У 2008 році компанія Autodesk викупила Softimage у Avid за 35 млн доларів. У 2015 році Autodesk оголосила про припинення продажів ліцензій на Softimage і фактично позбулася одного з найсильніших гравців на ринку. На офіційному сайті пропонується перейти на 3Ds Max чи Maya.

LightWave

Lightwave 3D- інструмент для 3D анімації та візуальних ефектів від компанії NewNek. З давніх-давен є промисловим стандартом у кіно та телебаченні.

Новий удосконалений пакет LightWave 2015 пропонує великі можливості: від динамічного моделювання, персонажної анімації, візуальних ефектів до розробки ігор та архітектурної візуалізації.

Можливості:

• інтуїтивний подвійний інтерфейс (modeler та layout);
• потужне полігональне моделювання;
• розвинена система анімації;
• система частинок;
• система спорядження персонажа Genoma 2;
• удосконалений рендеринг;
• інтерактивне динамічне успадкування (Interactive Dynamic Parenting);
• гнучка система Bullet Dynamics;

Плюси:Великий функціонал, зручний подвійний інтерфейс.

Мінуси:не такий популярний у нашій країні та країнах СНД, мало інформації.

Blender

Єдиний у списку безкоштовний 3D пакет, який практично не поступається за функціоналом платним додаткам. Blender включає засоби для 3D моделювання, анімації, а також набір опцій для створення ігор, візуальних ефектів і скульптингу. Відмінна альтернатива"монстрів" 3D анімації. Завдяки підтримці Blender Foundation, програма дуже швидко та стабільно розвивається.

Можливості:

• полігональне моделювання, сплайни, NURBS-криві та поверхні;
• режим ліплення;
• система частинок;
• динаміка твердих та м'яких тіл: рідина, вовна/волосся тощо;
• скелетна анімація;
• вбудовані механізми рендерингу та інтеграція зі сторонніми візуалізаторами;
• редактор відео;
• функції створення ігор та програм (Game Blender).

Плюси:доступність, відкритий код, кросплатформність, невеликий розмір (близько 50 мегабайт), широкий функціонал, можливість створення ігор.

Мінуси:відсутність документації у базовій поставці.

Отже, якщо коротко:

• 3Ds Max- Комп'ютерні ігри, інтер'єри, візуалізація.
• Maya- Анімація, кіноіндустрія, телебачення, кліпи.
• Cinema 4D- Спецефекти в кіно та телебаченні, моушен-дизайн, реклама.
• Modo- реклама, ігри, спецефекти у кіно.
• Houdini- Візуальне програмування, спецефекти в кіно.
• Softimage- анімація та спецефекти у кіно, телебаченні, іграх.
• LightWave- Спецефекти в кіно, телебаченні.
• Blender- Персональна анімація, створення ігор.

На закінчення хочеться відзначити: 3D редактор - лише інструмент, розкрити потенціал якого може тільки сам дизайнер, CG художник. Освоївши повною мірою один пакет, вивчити інші не складе труднощів.

Успіхів Вам у навчанні та роботі!

Ви, напевно, читаєте цю статтю на екрані монітора комп'ютера або мобільного пристрою – дисплей, який має реальні розміри, висоту та ширину. Але коли ви дивитеся, наприклад, мультфільм Історія Іграшок або граєте в гру Tomb Raider, ви бачите тривимірний світ. Однією з найдивовижніших речей тривимірного світу є те, що світ, який ви бачите, може бути світом, у якому ми живемо, світом, в якому ми житимемо завтра, або світом, який живе лише в умах творців фільму чи гри. І всі ці світи можуть з'явитися лише на одному екрані – це як мінімум цікаво.
Як комп'ютер робить так, що обманює наші очі і ми думаємо, що, дивлячись на плоский екран, бачимо глибину представленої картини? Як розробники ігор роблять так, що ми бачимо реальних персонажів, що пересуваються у реальному ландшафті? Сьогодні я розповім вам про візуальні трюки, які використовуються графічними дизайнерами, І про те, як все це розробляється і здається нам настільки простим. Насправді все не просто, і щоб дізнатися, що собою являє 3D-графіка, ступайте під кат - там вас чекає захоплююча історія, в яку, я впевнений, ви поринете з небувалим задоволенням.

Що робить зображення тривимірним?

Зображення, яке має або здається, що має висоту, ширину та глибину є тривимірним (3D). Картинка, яка має висоту та ширину, але не глибину є двовимірною (2D). Нагадайте мені, де ви зустрічаєте двовимірні зображення? - Майже скрізь. Згадайте навіть звичайний символ на дверях туалету, що означає кабінку для тієї чи іншої підлоги. Символи спроектовані таким чином, що ви можете розпізнати їх та дізнатися з першого погляду. Ось чому вони використовують лише основні форми. Більш детальна інформація про будь-який символ може розповісти вам, який одяг носить цей маленький чоловічок, який важить на дверях, або колір волосся, наприклад, символіки дверей жіночого туалету. Це одна з основних відмінностей між тим, як використовується тривимірна і двовимірна графіки: 2D-графіка проста і запам'ятовується, а 3D-графіка використовує більше деталей і вміщує в здавалося б звичайний об'єкт значно більше інформації.

Наприклад, трикутники мають три лінії і три кути - все, що потрібно, щоб розповісти з чого складається трикутник і взагалі що є. Однак подивіться на трикутник з іншого боку – піраміда – є тривимірною структурою з чотирма трикутними сторонами. Зверніть увагу, що в цьому випадку є вже шість ліній і чотири кути - з цього складається піраміда. Бачите, як звичайний об'єкт може перетворитися на тривимірний і вмістити набагато більше інформації, необхідної, щоб розповісти історію трикутника або піраміди.

Протягом сотень років митці використали деякі візуальні трюки, які можуть зробити плоске 2D-зображення справжнім вікном у реальний тривимірний світ. Ви можете побачити подібний ефект на звичайній фотографії, які ви можете сканувати та переглянути на моніторі комп'ютера: об'єкти на фотографії здаються меншими, коли вони далі; об'єкти ж, близькі до об'єктиву камери, знаходяться у фокусі, отже, відповідно, все, що за об'єктами у фокусі – розмито. Кольори, як правило, менш яскраві, якщо об'єкт не такий близький. Коли ми говоримо про 3D-графіку на комп'ютерах сьогодні – ми говоримо про зображення, що рухаються.

Що таке 3D-графіка?

Для багатьох із нас ігри на персональному комп'ютері, мобільному пристроїабо взагалі просунута ігрова система - найяскравіший приклад і найпоширеніший спосіб, завдяки якому ми можемо споглядати тривимірну графіку. Всі ці ігри, круті фільми, створені за допомогою комп'ютера, повинні пройти три основні кроки зі створення та представлення реалістичних тривимірних сцен:

1. Створення віртуального 3D-світу
2. Визначення того, яку частину світу буде показано на екрані
3. Визначення того, як піксель на екрані виглядатиме, щоб повне зображення здавалося максимально реалістичним

Створення віртуального 3D-світу
Віртуальний 3D-світ - це, ясна річ, не те саме, що і реальний світ. Створення віртуального 3D-світу - комплексна робота з комп'ютерної візуалізації світу, схожого на реальний, для створення якого використовується велика кількістьінструментів і який має на увазі дуже високу деталізацію. Візьміть, наприклад, дуже невелику частину реального світу - свою руку та робочий стіл під нею. Ваша рука має особливі якості, які визначають, як вона може рухатися і виглядати зовні. Суглоби пальців згинаються лише у бік долоні, а чи не протилежно від неї. Якщо ви вдарите по столу, то з ним ніяких дій не станеться – стіл твердий. Відповідно ваша рука не може пройти через ваш робочий стіл. Ви можете довести, що це твердження істинне, дивлячись на щось природне, а у віртуальному тривимірному світі справи зовсім по-іншому - у віртуальному світі немає природи, немає таких природних речей, як ваша рука, наприклад. Предмети у віртуальному світі повністю синтетичні – це єдині властивості, дані їм за допомогою програмного забезпечення. Програмісти використовують спеціальні інструментиі розробляють віртуальні 3D-світи з особливою ретельністю, щоб все в них завжди поводилося певним чином.

Яка частина віртуального світувідображається на екрані?
Будь-якої миті екран показує лише крихітну частину віртуального тривимірного світу, створеного для комп'ютерної гри. Те, що з'являється на екрані - певні комбінації способів, якими визначається світ, де ви приймаєте рішення куди піти і що подивитися. Незалежно від того, куди ви йдете – вперед чи назад, вгору чи вниз, ліворуч чи праворуч – віртуальний тривимірний світ навколо вас визначає те, що ви бачите, перебуваючи на певній позиції. Те, що ви бачите, має сенс від однієї сцени до іншої. Якщо ви дивитеся на об'єкт з тієї ж відстані, незалежно від напрямку, він має виглядати високо. Кожен об'єкт повинен виглядати і рухатися таким чином, щоб ви вірили в те, що він має ту ж масу, що і реальний об'єкт, що він такий же твердий або м'який, як реальний об'єкт, і так далі.

Програмісти, які пишуть комп'ютерні ігри, докладають величезних зусиль до розробки віртуальних 3D-світів і роблять їх так, щоб ви могли блукати в них, не стикаючись ні з чим, що змушувало б вас думати «Це не могло статися в цьому світі!». Останньою річчю, яку ви хочете бачити – два тверді об'єкти, які можуть пройти прямо один через одного. Це - різке нагадування про те, що все, що ви бачите, є удаванням. Третій крок включає ще як мінімум стільки ж обчислень, скільки й інші два кроки і повинні відбуватися так само в реальному часі.

Зліва комп'ютерна графіка, праворуч - актор мокапа

Висвітлення та перспектива

Коли ви входите до кімнати, ви вмикаєте світло. Ви, мабуть, не витрачаєте багато часу на роздуми, як це насправді працює і як світло походить від лампи, поширюючись по кімнаті. Але люди, які працюють із тривимірною графікою, повинні думати про це, тому що всі поверхні, що оточують каркаси та інші подібні речі мають бути освітлені. Один з методів - трасування променів - передбачає ділянки шляху, які беруть промені світла, залишаючи лампочку, відскакуючи від дзеркал, стін та інших поверхонь, що відбивають і, нарешті, приземляються на предмети з різною інтенсивністю від різних кутів. Це складно, адже від однієї лампочки може бути один промінь, але в більшості приміщень використовується кілька джерел світла - кілька світильників, світильники (люстри), стельові світильники, торшери, вікна, свічки і так далі.

Висвітлення відіграє ключову роль у двох ефектах, які надають зовнішній вигляд, вага та зовнішню міцність об'єктів: затемнення та тіні. Перший ефект, затемнення, є місцем, де з одного боку на об'єкт падає більше світла, ніж з іншого. Затемнення надає об'єкту безліч натуралізму. Це штрихування - те, що робить згини в ковдрі глибокими і м'якими, а високі вилиці здаються разючими. Ці відмінності в інтенсивності світла зміцнюють загальну ілюзію, що об'єкт має глибину, а також висота і ширина. Ілюзія маси походить від другого ефекту – тіні.

Тверді тіла відкидають тіні, коли світло падає на них. Ви можете побачити це, коли ви спостерігаєте тінь, яку сонячний годинник або дерево кидають на тротуар. Тому ми звикли бачити реальні предмети та людей, які відкидають тіні. У тривимірному зображенні тінь знову ж таки зміцнює ілюзію, створюючи ефект присутності в реальному світі, а не в екрані математично вироблених форм.

Перспектива
Перспектива - одне слово, здатне означати багато, але що фактично описує простий ефект, який бачили всі. Якщо ви стоїте на боці довгої, прямої дороги і дивіться в далечінь, здається, ніби обидві сторони дороги сходяться в одній точці на горизонті. Крім того, якщо дерева стоять поряд із дорогою, дерева далі виглядатимуть менше, ніж дерева близькі до вас. Насправді буде схоже, що дерева сходяться у певній точці горизонту, сформованій біля дороги, але це не так. Коли всі об'єкти на сцені будуть виглядати, що зрештою сходяться в одній точці на відстані - це перспектива. Є безліч варіацій цього ефекту, але більшість тривимірної графіки використовує єдину точку зору, яка щойно була описана мною.

Глибина різкості

Іншим оптичним ефектом, що успішно використовується для створення графічних тривимірних об'єктів, є глибина різкості. Використовуючи мій приклад з деревами, окрім вищеописаного, відбувається ще одна цікава річ. Якщо ви подивіться на дерева, що знаходяться близько до вас, дерева, розташовані далі, як видається, будуть не у фокусі. Кінорежисери та комп'ютерні аніматори використовують даний ефект, глибину різкості для двох цілей. Перша полягає в зміцненні ілюзії глибини в сцені, що розглядається користувачем. Друга мета – використання режисерами глибини різкості зосереджує свою увагу на предметах чи акторах, які вважаються найважливішими. Щоб звернути вашу увагу не героїню фільму, наприклад, може використовуватися "мала глибина різкості", де тільки актор знаходиться у фокусі. Сцена, яка розроблена таким чином, щоб справити на вас повне враження, навпаки, буде використовувати «глибоку глибину різкості», щоб якомога більше об'єктів було у фокусі і таким чином помітно глядачеві.

Згладжування

Ще один ефект, який покладається на обман очей - згладжування. Цифрові графічні системи дуже добре підходять до створення чітких ліній. Але буває і таке, що беруть верх діагональні лінії (вони ж досить часто з'являються в реальному світі, і тоді комп'ютер відтворює лінії, які більше нагадують драбинки (я думаю, що ви знаєте, що таке драбинка при детальному розгляді об'єкта зображення)). Таким чином, щоб обдурити своє око у вигляді гладкої кривої або лінії, комп'ютер може додати певні відтінки кольору в рядки пікселів, що оточують лінію. Цим « сірим кольором» пікселів комп'ютер якраз і обманює ваші очі, а ви, тим часом, думаєте, що зубчастих сходів більше немає. Цей процес додавання додаткових кольорових пікселів для обману очей називається згладжуванням, і він є одним із методів, що створюються вручну комп'ютерною тривимірною графікою. Іншим складним завданням для комп'ютера є створення тривимірної анімації, приклад якої буде представлений у наступному розділі.

Реальні приклади

Коли всі трюки, описані мною вище, використовуються разом для створення реальної сцени - результат відповідає працям. Останні ігрифільми, машинно-генеровані об'єкти поєднуються з фотографічними фонами - це посилює ілюзію. Ви можете побачити дивовижні результати, коли ви порівняєте фотографії та комп'ютерну сцену.

На фото вище представлений звичайний офіс, для входу до якого використовується тротуар. В одній із наступних фотографійна тротуар було покладено простий однотонний м'яч, після чого цю сцену сфотографували. Третя фотографія являє собою використання комп'ютерної графічної програми, яка і створила насправді неіснуючий на цій фотографії м'яч. Чи можете ви сказати, що є якісь суттєві відмінності між цими двома фотографіями? Думаю що ні.

Створення анімації та видимості «живої дії»

Досі ми розглядали інструменти, які змушують будь-яке цифрове зображення здаватися більш реалістичним - чи є зображення стилом чи частиною анімаційної послідовності. Якщо це анімаційна послідовність, то програмісти та дизайнери будуть використовувати ще більше різних візуальних хитрощів, щоб створити видимість «живої дії», а не зображень, створених комп'ютером.

Скільки кадрів за секунду?
Коли ви йдете на шикарний блокбастер у місцеве кіно, послідовність зображень, званих кадрами, працює в кількості 24 кадри в секунду. Так як наша сітківка зберігає зображення трохи довше, ніж 1/24 секунд, очі більшості людей будуть змішувати кадри в один безперервний образ руху і дії.

Якщо ви не розумієте, про що я щойно написав, то подивимося на це з іншого боку: це означає, що кожен кадр кінофільму – фотографія, зроблена на витримці (експозиції) 1/24 секунди. Таким чином, якщо ви подивитеся на один із численних кадрів фільму про гонки, ви побачите, що деякі гоночні автомобілі «розмиваються», тому що вони проїхали з великою швидкістю, поки біля камери відкритий затвор. Ця розмитість речей, що створюється рахунок швидкого руху - те, що ми звикли бачити, і це частина того, що робить зображення реальним для нас, коли ми дивимося на нього на екрані.

Однак, цифрові тривимірні зображення - це не фотографії як не крути, тому ніякого ефекту розмивання не відбувається, коли об'єкт переміщається у кадрі під час зйомки. Щоб зробити зображення більш реалістичними, розмивання має бути додане програмістами. Деякі дизайнери вважають, що для «подолання» цієї відсутності природного розмиття потрібно понад 30 кадрів на секунду, тому й підштовхнули ігри вийти на новий рівень- 60 кадрів за секунду. Хоча це і дозволяє кожному окремому зображенню виглядати в найдрібніших подробицях і відображати об'єкти, що рухаються в менших приростах, воно істотно збільшує кількість кадрів для даної анімаційної послідовності дій. Є й інші певні шматки зображень, де точний рендеринг на комп'ютері має бути принесений у жертву заради реалізму. Це стосується як рухливих, так і нерухомих об'єктів, але це вже зовсім інша історія.

Підійдемо до кінця

Комп'ютерна графіка продовжує дивувати весь світ, створюючи і генеруючи найрізноманітніші об'єкти і сцени, що дійсно реалістично рухаються і не рухаються. З 80 колонок і 25 ліній монохромного тексту графіка значно просунулась, і результат очевидний - мільйони людей грають у ігри та проводять найрізноманітніші симуляції із сьогоднішньою технологією. Нові 3D-процесори також дадуть себе знати - завдяки їм ми зможемо в буквальному сенсі досліджувати інші світи і відчувати те, чого ми ніколи не наважувалися спробувати в реального життя. Насамкінець повернемося наприклад з м'ячем: як створювалася ця сцена? Відповідь проста: зображення має згенерований комп'ютером м'яч. Нелегко сказати, який із двох є справжнім, чи не так? Наш світ дивовижний і ми маємо відповідати йому. Сподіваюся, вам було цікаво, і ви дізналися для себе чергову порцію цікавої інформації.

Цей вид комп'ютерної графіки увібрав дуже багато з векторної, а також з растрової комп'ютерної графіки. Застосовується вона при розробці дизайн-проектів інтер'єру, архітектурних об'єктів, у рекламі, під час створення навчальних комп'ютерних програм, відео-роликів, наочних зображень деталей та виробів у машинобудуванні та ін.

Тривимірна комп'ютерна графікадозволяє створювати об'ємні тривимірні сцени з моделюванням умов освітлення та встановленням точок зору.

Для вивчення прийомів та засобів композиції, таких як передача простору, середовища, світлотіні, законів лінійної, повітряної та колірної перспективи, тут очевидні переваги цього виду комп'ютерної графіки над векторною та растровою графікою. У тривимірній графіці зображення (або персонажі) моделюються і переміщуються у віртуальному просторі, природному середовищіабо в інтер'єрі, а їх анімація дозволяє побачити об'єкт з будь-якої точки зору, перемістити в штучно створеному середовищі та просторі, зрозуміло, при супроводі спеціальних ефектів.

Тривимірна комп'ютерна графіка, як і векторна, є об'єктно-орієнтованою, що дозволяє змінювати всі елементи тривимірної сцени, так і кожен об'єкт окремо. Цей вид комп'ютерної графіки має великі можливості для підтримки технічного креслення. За допомогою графічних редакторів тривимірної комп'ютерної графіки, наприклад Autodesk 3D Studio, можна виконувати наочні зображення деталей та виробів машинобудування, а також виконувати макетування будівель та архітектурних об'єктів, що вивчаються у відповідному розділі архітектурно-будівельного креслення. Поряд з цим може бути здійснена графічна підтримка таких розділів накреслювальної геометрії, як перспектива, аксонометричні та ортогональні проекції, т.к. принципи побудови зображень у тривимірній комп'ютерній графіці частково запозичені із них.

Для декоративно-ужиткового мистецтва тривимірна комп'ютерна графіка надає можливість макетування майбутніх виробів з передачею фактури та текстури матеріалів, з яких ці вироби будуть виконані. Можливість побачити з будь-яких точок зору макет виробу до його втілення в матеріалі дозволяє внести зміни та виправлення в його форму або пропорції, які можуть бути неможливими після початку роботи (наприклад, ювелірні вироби, декоративне лиття з металу та ін.). У тому напрямі тривимірна комп'ютерна графіка може бути використана підтримки скульптури, дизайну, художньої графіки та інших. Об'ємна тривимірна анімація і спецефекти також створюються засобами тривимірної графіки. Створення навчальних роликів для навчальних програм може стати основним застосуванням цих можливостей тривимірної комп'ютерної графіки.

До засобів роботи з тривимірною графікою відносять такий графічний редактор як 3D Studio MAX. Це один із найвідоміших тривимірних редакторів, він часто використовується при створенні фільмів. Розробка програми 3D Studio МАХбула розпочата у 1993 році. Версія 3D Studio МАХ 1.0вийшла 1995 року на платформі Windows NT.

Вже тоді деякі експерти обережно висловлювали думку, що МАХможе конкурувати коїться з іншими пакетами тривимірної графіки. Восени 2003 року discreetвипускає ЗD MAX 6. Нові інструменти анімації частинок у зв'язці з модулями дозволяють створювати фотореалістичні атмосферні ефекти. З'явилися вбудована підтримка крапельно-сітчастих об'єктів, повноцінна мережева візуалізація, імпорт даних з САD-Додатків, нові можливості для моделювання. Але крім 3D Studio MAXє й інші, не менш популярні програми тривимірного моделювання, наприклад Maya. Maya- це програма-аналог 3D Studio MAXАле вона призначена, в першу чергу, для анімації і для передачі міміки на особі тривимірного актора. Крім того, в Mayaзручніше малювати. 3D Studio MAXспрямований насамперед якісну візуалізацію предметів, ще ньому можна виконувати примітивні креслення.

Взагалі для креслення існують свої програми тривимірного моделювання, найвідоміші з них AutoCAD, ArhiCAD. AutoCADпризначений насамперед для машинобудівного креслення, а ArhiCADдля архітектурного моделювання.

Що ж потребує тривимірна графіка від людини?

Звичайно ж, вміння моделювати різні форми та конструкції за допомогою різних програмних засобів, а також знання ортогонального (прямокутного) та центрального проектування. Остання - називається перспективою. Дуже гарна якість моделювання досягається за допомогою ретельного підбору текстур та матеріалів у поєднанні з правильним розміщенням у сцені джерел освітлення та камер. Основою для побудови будь-якої просторової форми є площина та межа об'єкта. Площина в тривимірній графіці визначається за допомогою трьох точок, з'єднаних відрізками прямих ліній.

Саме ця умова дає можливість описати за допомогою одержуваних площин. «просторову сітку», Що являє собою модель об'єкта. Потім об'єкт додатково присвоюються характеристики поверхні об'єкта - матеріал. У свою чергу, матеріал характеризує якість поверхні, наприклад, полірована, шорстка, блискуча та ін. Описується та його текстура (камінь, тканина, скло та ін.). Задаються оптичні властивості, наприклад, прозорість, відображення або заломлення світлових променів і т.д.
Поряд з цим, тривимірному об'єкту можна задати умови освітлення та вибрати точку огляду (камеру) для отримання найцікавішого наочного зображення. Постановка, що складається з тривимірного об'єкта, умов освітлення та обраної точки зору, називається «тривимірною сценою». А ось для опису тривимірного простору та об'єкта, що знаходиться всередині нього, використовується добре вже знайомий Вам координатний метод.

Існують різні методимоделювання тривимірних об'єктів. Наприклад, метод текстового опису моделі за допомогою спеціальних мов програмування "Скрипт".