Háromdimenziós grafika - a számítógépes grafika egyik ága , amely a képek vagy videók létrehozásának módszereit szolgálja az objektumok háromdimenziós modellezésével .
A 3D modellezés egy objektum háromdimenziós modelljének létrehozásának folyamata. A 3D modellezés feladata a kívánt objektum vizuális háromdimenziós képének kialakítása. Ebben az esetben a modell vagy megfelelhet a való világból származó objektumoknak ( autók , épületek , hurrikán , aszteroida ), vagy teljesen absztrakt (egy négydimenziós fraktál vetülete ).
A háromdimenziós objektumok grafikus ábrázolása abban különbözik, hogy magában foglalja egy háromdimenziós jelenetmodell síkra ( például számítógép képernyőjére ) történő geometriai vetítését speciális programok segítségével. A 3D- s kijelzők és 3D-nyomtatók létrehozásával és elfogadásával azonban a 3D- s grafika nem feltétlenül jár síkra vetítéssel.
A háromdimenziós grafikát aktívan használják képek készítésére képernyősíkon vagy nyomtatott termékek lapján a tudományban és az iparban , például tervezési munkaautomatizálási rendszerekben (CAD; szilárd elemek: épületek, gépalkatrészek, mechanizmusok), építészeti rendszerekben . vizualizáció (ide tartozik az úgynevezett „ virtuális régészet ”) a modern orvosi képalkotó rendszerekben .
A legszélesebb körben alkalmazható számos modern számítógépes játékban , valamint a moziban , a televízióban és a nyomtatott anyagokban .
A 3D grafika általában egy virtuális , képzeletbeli háromdimenziós térrel foglalkozik, amely egy kijelző vagy papírlap sík, kétdimenziós felületén jelenik meg. Jelenleg többféle módon lehet háromdimenziós információt megjeleníteni háromdimenziós formában, bár ezek többsége inkább feltételesen reprezentálja a háromdimenziós jellemzőket, mivel sztereó képpel működnek. Erről a területről sztereó szemüvegek , virtuális sisakok, háromdimenziós kép megjelenítésére alkalmas 3D kijelzők figyelhetők meg . Számos gyártó mutatott be tömeggyártásra kész 3D-s kijelzőket . De a háromdimenziós kép élvezetéhez a nézőnek szigorúan a középpontban kell lennie. Egy lépést jobbra, egy lépést balra, valamint egy óvatlan fejfordítást a háromdimenziósság unszimpatikus szaggatott képpé alakítása büntet. A probléma megoldása már kiforrott a tudományos laboratóriumokban. A német Fraunhofer Intézet idén bemutatott egy 3D-s kijelzőt, amely két kamerával követi a néző szemének helyzetét, és ennek megfelelően állítja be a képet.[ mikor? ] még tovább ment. Most már nemcsak a szemek helyzetét követik nyomon, hanem az ujj helyzetét is, amivel a háromdimenziós gombokat lehet „megnyomni”. A Tokiói Egyetem kutatóiból álló csapat pedig olyan rendszert hozott létre, amely lehetővé teszi, hogy érezze a képet. Az emitter arra a pontra fókuszál, ahol az emberi ujj található, és helyzetétől függően megváltoztatja az akusztikus nyomás erősségét. Így nemcsak egy háromdimenziós kép megtekintésére nyílik lehetőség, hanem a rajta ábrázolt tárgyakkal való interakcióra is.
A 3D-s kijelzők azonban továbbra sem teszik lehetővé a 3D-s grafikus módszerekkel létrehozott matematikai modell teljes értékű fizikai, kézzelfogható másolatának létrehozását.
Az 1990-es évek óta fejlődő gyors prototípus -készítési technológiák pótolják ezt a hiányt. Meg kell jegyezni, hogy a gyors prototípuskészítési technológiák egy objektum matematikai modelljének szilárd test ( voxel modell) formájában történő ábrázolását használják.
Ahhoz, hogy egy síkon háromdimenziós képet kapjunk, a következő lépések szükségesek:
A jelenetmodellezés (virtuális modellezési tér) az objektumok több kategóriáját foglalja magában:
A 3D modellezés feladata ezen objektumok leírása és a jelenetben való elhelyezése geometriai transzformációk segítségével a leendő kép követelményeinek megfelelően.
Az anyagok célja: Valódi kameraérzékelő esetében a valós tárgyak anyagai különböznek a fény visszaverésének , áteresztésének és szórásának módjában; A virtuális anyagok úgy vannak beállítva, hogy megfeleljenek a valódi anyagok tulajdonságainak - átlátszóság, tükröződés, fényszórás, érdesség, dombormű stb.
A legnépszerűbb tisztán modellező csomagok a következők:
Egy személy vagy lény háromdimenziós modelljének létrehozásához a szobrászat prototípusként használható (a legtöbb esetben) .
A textúrázás során bittérképes vagy eljárási textúrákat vetítenek ki egy 3D-s objektum felületére egy UV-koordináta -térkép alapján, ahol az objektum minden csúcsához egy adott koordináta van hozzárendelve a 2D-s textúratérben.
Ez virtuális fényforrások létrehozásából, irányításából és konfigurálásából áll. Ugyanakkor a virtuális világban a fényforrások negatív intenzitásúak lehetnek, a fényt a „negatív megvilágításuk” zónájából veszik el. A 3D grafikus csomagok általában a következő típusú lámpákat biztosítják:
Vannak más típusú fényforrások is, amelyek működésükben különböznek a különböző 3D grafikai és vizualizációs programokban. Egyes csomagok lehetővé teszik térfogati fény (Sphere light) vagy volumetrikus világítás (Volume light) források létrehozását egy szigorúan meghatározott térfogaton belül. Egyesek lehetővé teszik tetszőleges alakú geometriai objektumok használatát.
A háromdimenziós grafika egyik fő hivatása, hogy mozgást ( animációt ) adjon egy háromdimenziós modellnek, vagy szimuláljon mozgást háromdimenziós objektumok között. A háromdimenziós grafika univerzális csomagjai nagyon gazdag lehetőségeket kínálnak az animáció létrehozására. Vannak olyan speciális programok is, amelyeket kizárólag animációhoz hoztak létre, és nagyon korlátozott modellezőeszközökkel:
Ebben a szakaszban a matematikai (vektoros) térmodell lapos (raszteres) képpé alakul. Ha filmet szeretne létrehozni, akkor a rendszer ilyen képek - képkockák sorozatát jeleníti meg. Adatstruktúraként a képernyőn lévő képet egy pontmátrix képviseli, ahol minden pontot legalább három szám definiál: a piros, a kék és a zöld intenzitása. Így a renderelés a 3D vektoros adatstruktúrát képpontok lapos mátrixává alakítja . Ez a lépés gyakran nagyon összetett számításokat igényel, különösen, ha a valóság illúzióját akarja kelteni. A renderelés legegyszerűbb fajtája a modellek körvonalainak megrajzolása a számítógép képernyőjén, vetítéssel, ahogy fentebb látható. Általában ez nem elég, és illúziót kell létrehoznia azokról az anyagokról, amelyekből a tárgyak készülnek, valamint ki kell számítani ezeknek a tárgyaknak az átlátszó közegek (például folyadék egy pohárban) miatti torzulását.
Számos renderelési technológia létezik, gyakran kombinálva. Például:
A sugárkövetési algoritmusok közötti vonal mára már majdnem eltünt. Tehát a 3D Studio Max -ban a szabványos renderer neve Default scanline renderer, de nem csak a szórt, visszavert és belső (önvilágító szín) fény hozzájárulását veszi figyelembe, hanem a simított árnyékokat is. Emiatt a Raycasting fogalma gyakrabban utal fordított sugárkövetésre, a Raytracing pedig közvetlen sugárkövetésre.
A legnépszerűbb renderelő rendszerek a következők:
Az azonos típusú számítások nagy mennyisége miatt a renderelés szálakra osztható (párhuzamos). Ezért a megjelenítéshez nagyon fontos a többprocesszoros rendszerek használata. A közelmúltban a CPU helyett a GPU -t használó renderelő rendszereket aktívan fejlesztették , és manapság az ilyen számítások hatékonysága sokkal magasabb. Ezek a rendszerek a következőket tartalmazzák:
Sok CPU renderer gyártó GPU támogatás bevezetését is tervezi (LuxRender, YafaRay, mental images iray).
A háromdimenziós grafika (és általában a számítógépes grafika) legfejlettebb vívmányait és ötleteit a hagyományosan az USA -ban megrendezett éves SIGGRAPH szimpóziumon mutatják be és vitatják meg .
Nagyon változatosak azok a szoftvercsomagok, amelyek lehetővé teszik háromdimenziós grafikák készítését, azaz virtuális valóság objektumok szimulálását és képek készítését ezeken a modelleken. Az elmúlt években a fenntartható vezetők ezen a területen a kereskedelmi termékek, mint például:
A szabadon terjesztett nyílt termékek között szerepel a Blender csomag (lehetővé teszi 3D modellek, animációk, különféle szimulációk stb. készítését utólagos rendereléssel), K-3D és Wings3D .
sketchupA Google ingyenes SketchUp programja lehetővé teszi, hogy olyan modelleket hozzon létre, amelyek kompatibilisek a Google Föld erőforrás földrajzi tájaival , valamint interaktívan megtekintheti a felhasználó számítógépén több ezer építészeti modellt, amelyek a Google Cities in Development ingyenes, folyamatosan frissített forrásban vannak közzétéve (kiemelkedő a világ épületei), a felhasználói közösség hozta létre .
Számos szoftverkönyvtár létezik a 3D grafikák alkalmazási programokban történő megjelenítésére – DirectX, OpenGL stb.
Számos megközelítés létezik a 3D-s grafika játékokban való bemutatására - teljes 3D, pszeudo-3D.
Számos motort használnak háromdimenziós játékok létrehozására, amelyek nemcsak a háromdimenziós grafikáért felelősek, hanem a játékvilág fizikájának kiszámításáért, a játékkal való felhasználói interakcióért és a többjátékos módban a játékban való felhasználói interakcióért és még sok másért is. (lásd még a 3D-s lövöldözős cikket ). A motort általában egy adott játékhoz fejlesztik, majd licencet kapnak (elérhetővé válik) más játékok létrehozására.
Vannak CAD / CAE / CAM tervezési és technológiai csomagok , amelyek magukban foglalják az alkatrészek és szerkezetek modelljeinek elkészítését, kiszámítását, a tervezési és technológiai dokumentáció megtervezését, valamint szükség esetén a CNC gépek és 3D nyomtatók programjainak későbbi generálását. . Ezekre a szoftvercsoportokra jellemző a "számítógéppel támogatott tervezés" ( CAD ) kifejezés.
E csomagok jellemzője a modell felépítésének pontossága, amely képes geometriailag pontos metszeteket, metszeteket generálni belőle, kiszámított információkat szerezni egy termék vagy szerkezet tömegéről, és különféle vetületeket.
Az ilyen csomagok még csak nem is mindig teszik lehetővé a felhasználó számára a 3D modell közvetlen kezelését, például létezik olyan OpenSCAD csomag , amelyben a modell egy speciális nyelven írt, felhasználó által generált szkript végrehajtásával jön létre.
A háromdimenziós irány külön iránya az épületinformációs modellezés ( BIM / TIM ). Az ipari tervezőrendszerek mellett a BIM programok is a modellek precíz felépítésével működnek, különféle attribútumtulajdonságokkal töltik fel azokat, és lehetőséget biztosítanak ezek különféle ábrázolásban (metszetek, nézetek, specifikációk) való megjelenítésére.
A háromdimenziós vagy sztereoszkópikus kijelzők (3D kijelzők, 3D képernyők) olyan kijelzők, amelyek sztereoszkópikus vagy bármilyen más [1] effektus révén a valódi térfogat illúzióját keltik a megjelenített képeken.
Jelenleg a 3D-s képek túlnyomó többsége a legkönnyebben megvalósítható sztereoszkópikus effektussal jelenik meg, bár önmagában a sztereoszkópia használata nem nevezhető elegendőnek a háromdimenziós érzékeléshez. Az emberi szem párban és egyedül is egyformán jól megkülönbözteti a háromdimenziós tárgyakat a lapos képektől. .
A sztereó effektus technikai megvalósításának módszerei közé tartozik az anaglif szűrők használata a kijelzővel szinkronizált polarizált vagy redőnyüveg speciális kijelzőjével kombinálva, speciálisan adaptált képpel kombinálva.
A sztereó kijelzőknek is van egy viszonylag új osztálya, amelyhez nincs szükség további eszközök használatára, de számos korláttal rendelkezik. Ez egy véges és nagyon kis számú szög, amelyben a sztereó kép tiszta marad. A New Sight x3d technológián alapuló sztereó kijelzők nyolc, a Philips WOWvx kilenc látószöget biztosítanak. 2008 októberében a Philips bemutatta a sztereó kijelző prototípusát, 3840×2160 pixeles felbontással és rekord 46 „biztonságos” betekintési szöggel. Nem sokkal ezután azonban a Philips bejelentette, hogy felfüggeszti a sztereó kijelzők fejlesztését és kutatását [2] .
A sztereó kijelzők másik problémája a „kényelmes megtekintési” zóna kis mérete (a néző és a kijelző közötti távolság, amelyben a kép éles marad). Átlagosan 3-10 méteres hatótávolságra korlátozódik.
Maguk a sztereó kijelzők nem kapcsolódnak közvetlenül a 3D grafikához. A zűrzavar abból adódik, hogy a nyugati médiában a 3D kifejezést használják mind a grafikák, mind a sztereó hatást kihasználó eszközök vonatkozásában , valamint a kölcsönzött anyagok orosz kiadásokban való közzétételekor a helytelen fordítás.
Van még WOWvx technológia, amely lehetővé teszi a 3D hatás elérését speciális szemüveg használata nélkül. Lenticular lencse technológiát alkalmaznak, amely nagyszámú néző számára biztosít széles mozgásszabadságot anélkül, hogy elveszítené a 3D hatás érzékelését. A folyadékkristályos kijelző elé egy réteg átlátszó lencse van rögzítve. Ez a réteg minden szemnek más képet küld. Az agy e képek kombinációját feldolgozva háromdimenziós kép hatását hozza létre. A lencseréteg átlátszósága teljes fényerőt, éles kontrasztot és kiváló minőségű színvisszaadást biztosít a képnek.
Létezik egy technológia a 3D-s videók LED-képernyőkön való megjelenítésére .
2010 júniusa óta számos kísérleti technológia létezik, amelyek sztereoszkópia nélkül is képesek háromdimenziós képalkotást elérni. Ezek a technológiák egy gyors lézersugarat használnak , amely szétszóródik a füstrészecskéken ( aeroszolszűrő ), vagy visszaverődik egy gyorsan forgó lemezről.
Vannak olyan eszközök is, amelyekben a LED -eket gyorsan forgó lemezre szerelik .
Az ilyen eszközök a mechanikus televíziós pásztázás létrehozására irányuló első kísérletekre emlékeztetnek . Nyilvánvalóan a jövőben számítanunk kell egy teljesen elektronikus eszköz megjelenésére, amely lehetővé teszi egy háromdimenziós objektum fényáramának különböző irányokba történő szimulálását, így az ember körbejárhatja a kijelzőt, és akár a képet is nézheti. szemmel a kép hangerejének megzavarása nélkül.
A „háromdimenziós” vagy „3D” kifejezések használata a sztereoszkópikus filmekre annak a ténynek köszönhető, hogy az ilyen filmek megtekintésekor a nézőben egy háromdimenziós kép illúziója, egy harmadik jelenlétének érzése jön létre. dimenzió - mélység és a tér új dimenziója már 4D-ben. Ezen túlmenően összefüggés mutatható ki a 3D-s számítógépes grafika elterjedt használatával az ilyen filmek készítésekor (a korai sztereó filmeket a hagyományos filmekhez hasonlóan forgatták, de kétlencsés sztereó kamerákkal).
Manapság a 3D-s filmnézés nagyon népszerű jelenséggé vált.
A sztereó filmek megjelenítésére jelenleg használt főbb technológiák [3] :
A 3D grafika egyfajta kiterjesztése a „kiterjesztett valóság”. A képfelismerés (markerek) technológiáját alkalmazva a kiterjesztett valóság program egy virtuális 3D-s objektum felépítését fejezi be valós fizikai környezetben. A felhasználó interakcióba léphet a jelölővel: elfordíthatja különböző irányokba, másképp világíthatja meg, letakarhatja egyes részeit, és megfigyelheti a 3D objektummal bekövetkező változásokat a számítógép képernyőjén.
A technológia széles körű elterjedésének lendületét az Adobe Flash technológiához készült FLARToolKit nyílt könyvtár 2008 -as létrehozása jelentette .
| 3D grafikus és animációs szoftver | |
|---|---|
| nyílt forráskód |
|
| Saját szoftver |
|