Лекция № 10 Основы трехмерной графики. Основы построения сцен, 3D моделирование

Основы трехмерной графики

Основы построения сцен, 3D моделирование

Трёхмерная графика — раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объёмных объектов в трёхмерном пространстве.

3D-моделирование — это процесс создания трёхмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования — разработать визуальный объёмный образ желаемого объекта. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Графическое изображение трёхмерных объектов отличается тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость(например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. Однако с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость. Пример 3D-графики

Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги:

· моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней.

· рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.

· вывод полученного изображения на устройство вывода - дисплей или принтер.

Задача трёхмерного моделирования — описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

Для создания реалистичной модели объекта используются геометрические примитивы (куб, шар, конус и пр.) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности.

Для пространственного моделирования объекта требуется:

– спроектировать и создать виртуальный каркас (“скелет”) объекта, соответствующий его реальной форме;

– спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные;

– присвоить материалы различным частям поверхности объекта (на профессиональном языке – “спроектировать текстуры на объект”);

– настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, – задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей;

– задать траектории движения объектов;

– рассчитать результирующую последовательность кадров;

– наложить поверхностные эффекты на итоговый анимационный ролик.

Реальность получаемой «картинки» в значительной степени зависит от используемых материалов и примененных в них текстурных карт – изображений, имитирующих фактуру дерева, камня, водной поверхности и т.п.

Этап: источники света и камеры

Этот этап заключается в настройке и отладке характеристик сцены. Яркость и тон основного и вспомогательного освещения, наличие рефлексных источников света, глубина и резкость теней и многие другие параметры задаются при помощи специальных служебных объектов – источников света. Съемочные камеры управляют крупностью кадра, перспективой, углом зрения и поворота. Кроме того, высота точки расположения наблюдателя регулирует так называемый «эффект присутствия» - вид с высоты «птичьего полета» или человеческого роста – сразу задает «настроение» зрителю.

Этап: визуализация

Финальный этап, заключающийся в настройке параметров, регулирующих качество получаемой «картинки», формат и тип генерируемых кадров, добавление специальных эффектов (сияние, отражение и блики в линзах камер, огонь, размытие резкости, туман, объемный свет и т.д). Процесс обсчета каждого кадра напрямую зависит от сложности сцены, используемых материалов и, безусловно, от компьютера, на которм происходит обсчет.

Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов. Больше всего применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности.

Также трехмерная компьютерная графика нашла применение и во многих других сферах, которые далеки от кинематографа. Например, с ее помощью моделируются фотореалистичные здания и интерьеры, которые в реальности не существуют. Она также помогает медикам исследовать организм человека, археологам - воссоздавать на компьютере предметы, которыми пользовались наши предки, и даже древние города, в которых они жили. Кроме того, компьютерная графика широко используется в сфере развлечений, ведь с ее помощью выполняются все современные компьютерные игры.

Благодаря тому, что за последние двадцать лет было изобретено множество технологий, упрощающих работу с компьютерной графикой, и тому, что мощности компьютеров за это время возросли во много раз, создание фильмов и спецэффектов больше не является уделом только профессионалов. Чтобы создать полутораминутную анимацию типа "Приключений Андре и пчелы Уолли", сегодня не нужно иметь большую команду профессиональных аниматоров и мощнейшие суперкомпьютеры. Подобный проект под силу выполнить даже одному человеку на домашнем ПК.