Tredimensionel grafik - en gren af computergrafik , dedikeret til metoderne til at skabe billeder eller videoer ved at modellere objekter i tre dimensioner .
3D-modellering er processen med at skabe en tredimensionel model af et objekt. Opgaven med 3D-modellering er at udvikle et visuelt tredimensionelt billede af det ønskede objekt. I dette tilfælde kan modellen enten svare til objekter fra den virkelige verden ( biler , bygninger , en orkan , en asteroide ) eller være fuldstændig abstrakt (en projektion af en firedimensionel fraktal ).
Den grafiske repræsentation af tredimensionelle objekter adskiller sig ved, at den omfatter konstruktionen af en geometrisk projektion af en tredimensionel scenemodel på et plan (for eksempel en computerskærm ) ved hjælp af specialiserede programmer . Men med skabelsen og adoptionen af 3D-skærme og 3D-printere involverer 3D-grafik ikke nødvendigvis projektion på et plan.
Tredimensionel grafik bruges aktivt til at skabe billeder på et skærmplan eller et ark med trykte produkter i videnskab og industri , for eksempel i design arbejdsautomatiseringssystemer (CAD; til at skabe solide elementer: bygninger, maskindele, mekanismer), arkitektonisk visualisering (dette inkluderer den såkaldte " virtuelle arkæologi " ) i moderne medicinske billedbehandlingssystemer .
Den bredeste anvendelse er i mange moderne computerspil , såvel som et element af biograf , tv og trykte materialer .
3D-grafik omhandler normalt et virtuelt , imaginært tredimensionelt rum, der vises på en flad, todimensionel overflade af en skærm eller et ark papir. I øjeblikket er der flere måder at vise tredimensionel information på i en tredimensionel form, selvom de fleste af dem repræsenterer tredimensionelle karakteristika ret betinget, da de arbejder med et stereobillede. Fra dette område kan man bemærke stereobriller , virtuelle hjelme, 3D-skærme, der er i stand til at demonstrere et tredimensionelt billede. Flere producenter demonstrerede 3D-skærme klar til masseproduktion . Men for at nyde et tredimensionelt billede, skal beskueren være placeret strengt i midten. Et skridt til højre, et skridt til venstre, såvel som en skødesløs drejning af hovedet, straffes ved transformationen af tredimensionalitet til et usympatisk takket billede. Løsningen på dette problem er allerede modnet i videnskabelige laboratorier. Det tyske Fraunhofer Institut viste i år en 3D-skærm, der bruger to kameraer til at spore seerens øjne og justere billedet derefter.[ hvornår? ] gik endnu længere. Nu spores positionen af ikke kun øjnene, men også fingerens position, som kan bruges til at "trykke på" de tredimensionelle knapper. Og et team af forskere ved University of Tokyo skabte et system, der giver dig mulighed for at mærke billedet. Senderen er fokuseret på det punkt, hvor den menneskelige finger er placeret, og afhængigt af dens position ændres styrken af det akustiske tryk. Således bliver det muligt ikke kun at se et tredimensionelt billede, men også at interagere med de objekter, der er afbildet på det.
3D-skærme giver dig dog stadig ikke mulighed for at skabe en fuldgyldig fysisk, håndgribelig kopi af en matematisk model, der er skabt af 3D-grafikmetoder.
Hurtige prototypeteknologier , som har været under udvikling siden 1990'erne, udfylder dette hul. Det skal bemærkes, at hurtige prototyping-teknologier bruger repræsentationen af en matematisk model af et objekt i form af et fast legeme ( voxel- model).
For at få et tredimensionelt billede på et plan kræves følgende trin:
Scenemodellering (virtuelt modelleringsrum) omfatter flere kategorier af objekter :
Opgaven med 3D-modellering er at beskrive disse objekter og placere dem i scenen ved hjælp af geometriske transformationer i overensstemmelse med kravene til det fremtidige billede.
Formål med materialer: For en rigtig kamerasensor er materialerne i objekter fra den virkelige verden forskellige i, hvordan de reflekterer , transmitterer og spreder lys; virtuelle materialer er indstillet til at matche egenskaberne af rigtige materialer - gennemsigtighed, refleksioner, lysspredning, ruhed, relief osv.
De mest populære rene modelleringspakker er:
For at skabe en tredimensionel model af en person eller skabning kan skulptur bruges som en prototype (i de fleste tilfælde) .
Teksturering involverer projicering af bitmap- eller proceduremæssige teksturer på overfladen af et 3D-objekt i henhold til et UV-koordinatkort , hvor hvert hjørne af objektet er tildelt en specifik koordinat i 2D-teksturrummet.
Det består i at skabe, dirigere og konfigurere virtuelle lyskilder. Samtidig kan lyskilder i den virtuelle verden have en negativ intensitet, idet de tager lys fra zonen med deres "negative belysning". Typisk giver 3D-grafikpakker følgende typer lys:
Der er også andre typer lyskilder, der adskiller sig i deres funktionalitet i forskellige 3D-grafik- og visualiseringsprogrammer. Nogle pakker giver mulighed for at skabe kilder til volumetrisk glød (Sphere light) eller volumetrisk belysning (Volume light) inden for et strengt specificeret volumen. Nogle giver mulighed for at bruge geometriske objekter af vilkårlig form.
En af de vigtigste kald for tredimensionel grafik er at give bevægelse ( animation ) til en tredimensionel model eller at simulere bevægelse mellem tredimensionelle objekter. Universalpakker med tredimensionel grafik har meget rige muligheder for at skabe animation. Der er også højt specialiserede programmer skabt udelukkende til animation og med et meget begrænset sæt modelleringsværktøjer:
På dette stadium bliver den matematiske (vektor) rumlige model til et fladt (raster) billede. Hvis du vil oprette en film, gengives en sekvens af sådanne billeder - rammer. Som en datastruktur er et billede på skærmen repræsenteret af en matrix af prikker, hvor hver prik er defineret af mindst tre tal: intensiteten af rød, blå og grøn. Gengivelse konverterer således en 3D-vektordatastruktur til en flad matrix af pixels . Dette trin kræver ofte meget komplekse beregninger, især hvis du vil skabe en illusion af virkeligheden. Den enkleste form for gengivelse er at tegne modellernes omrids på computerskærmen ved hjælp af projektion, som vist ovenfor. Normalt er dette ikke nok, og du skal skabe en illusion af de materialer, som genstandene er lavet af, samt beregne forvrængning af disse genstande på grund af gennemsigtige medier (for eksempel væske i et glas).
Der er flere gengivelsesteknologier, ofte kombineret. For eksempel:
Grænsen mellem strålesporingsalgoritmer er nu næsten slettet. Så i 3D Studio Max kaldes standardgengiveren Standard scanline-rendereren, men den tager ikke kun hensyn til bidraget fra diffust, reflekteret og iboende (selvbelysningsfarve) lys, men også udglattede skygger. Af denne grund refererer begrebet Raycasting oftere til omvendt strålesporing og Raytracing til direkte strålesporing.
De mest populære gengivelsessystemer er:
På grund af det store volumen af samme type beregninger kan gengivelsen opdeles i tråde (paralleliseret). Derfor er brugen af multiprocessorsystemer meget vigtig for gengivelsen. For nylig er renderingssystemer, der bruger GPU'en i stedet for CPU'en , blevet aktivt udviklet , og i dag er deres effektivitet til sådanne beregninger meget højere. Disse systemer omfatter:
Mange CPU- renderer-leverandører planlægger også at introducere GPU -understøttelse (LuxRender, YafaRay, mental images iray).
De mest avancerede resultater og ideer inden for tredimensionel grafik (og computergrafik generelt) præsenteres og diskuteres på det årlige SIGGRAPH -symposium , der traditionelt afholdes i USA .
Softwarepakker, der giver dig mulighed for at skabe tredimensionel grafik, det vil sige simulere virtual reality-objekter og skabe billeder baseret på disse modeller, er meget forskellige. I de senere år er bæredygtige ledere på dette område kommercielle produkter, såsom:
Blandt de åbne produkter, der distribueres frit , er Blender -pakken listet (giver dig mulighed for at oprette 3D-modeller, animation, forskellige simuleringer osv. med efterfølgende rendering), K-3D og Wings3D .
sketchupGoogles gratis SketchUp -program giver dig mulighed for at skabe modeller, der er kompatible med de geografiske landskaber af Google Earth -ressourcen , samt se interaktivt på brugerens computer flere tusinde arkitektoniske modeller, der er lagt ud på den gratis konstant opdaterede ressource Google Cities in Development (fremragende verdens bygninger), skabt af brugerfællesskabet .
Der er en række softwarebiblioteker til gengivelse af 3D-grafik i applikationsprogrammer - DirectX, OpenGL og så videre.
Der er en række tilgange til at præsentere 3D-grafik i spil - fuld 3D, pseudo-3D.
Der er mange motorer, der bruges til at skabe tredimensionelle spil, som ikke kun er ansvarlige for tredimensionel grafik, men også for at beregne spilverdenens fysik, brugerinteraktion med spillet og brugerinteraktion i spillet under multiplayer-tilstand og meget mere (se også artiklen 3D-skydespil ). Som regel er motoren udviklet til et bestemt spil, og derefter licenseret (bliver tilgængelig) til at skabe andre spil.
Der er design- og teknologiske pakker CAD / CAE / CAM , der involverer oprettelse af modeller af dele og strukturer, deres beregning, design af design og teknologisk dokumentation for dem og om nødvendigt den efterfølgende generation af programmer til CNC-maskiner og 3D-printere . Fælles for disse grupper af software er udtrykket "computer-aided design" ( CAD ).
Et træk ved disse pakker er nøjagtigheden af at bygge en model med evnen til at generere geometrisk nøjagtige snit, sektioner fra den, opnå beregnet information om massen af et produkt eller en struktur og forskellige fremskrivninger.
Sådanne pakker tillader ikke engang altid brugeren at betjene en 3D-model direkte, for eksempel er der en OpenSCAD- pakke , hvor modellen er dannet ved at udføre et brugergenereret script skrevet på et specialiseret sprog.
En separat retning af den tredimensionelle retning er bygningsinformationsmodellering ( BIM / TIM ). Ud over industrielle designsystemer opererer BIM-programmer med præcis konstruktion af modeller, fylder dem med forskellige slags attributive egenskaber og mulighed for at repræsentere dem i forskellige repræsentationer (snit, visninger, specifikationer).
Tredimensionelle eller stereoskopiske skærme (3D-skærme, 3D-skærme) er skærme, der gennem en stereoskopisk eller en hvilken som helst anden [1] effekt skaber en illusion af reel volumen i de viste billeder.
I øjeblikket vises langt de fleste 3D-billeder ved hjælp af den stereoskopiske effekt, som er den nemmeste at implementere, selvom brugen af stereoskopi alene ikke kan kaldes tilstrækkelig til tredimensionel perception. Det menneskelige øje, både i par og alene, adskiller lige så godt tredimensionelle objekter fra flade billeder. .
Metoder til den tekniske implementering af stereoeffekten omfatter brugen af anaglyffiltre i kombination med en speciel visning af polariserede eller lukkerbriller synkroniseret med skærmen, i kombination med et specielt tilpasset billede.
Der er også en relativt ny klasse af stereoskærme, der ikke kræver brug af yderligere enheder, men som har mange begrænsninger. Dette er især et begrænset og meget lille antal vinkler, hvor stereobilledet bevarer klarheden. Stereoskærme baseret på New Sight x3d- teknologi giver otte vinkler, Philips WOWvx ni vinkler. I oktober 2008 introducerede Philips en prototype stereoskærm med en opløsning på 3840×2160 pixels og rekordhøje 46 "sikre" betragtningsvinkler. Kort efter annoncerede Philips imidlertid en suspension af udvikling og forskning i stereoskærme [2] .
Et andet problem med stereoskærme er den lille størrelse af zonen "komfortabel visning" (intervallet af afstande fra seeren til skærmen, hvor billedet forbliver skarpt). I gennemsnit er det begrænset til en rækkevidde på 3 til 10 meter.
Stereoskærme i sig selv er ikke direkte relateret til 3D-grafik. Forvirringen opstår på grund af brugen af begrebet 3D i vestlige medier i forhold til både grafik og enheder, der udnytter stereoeffekten , og forkert oversættelse ved udgivelse af lånt materiale i russiske udgaver.
Der er også WOWvx-teknologi, som giver dig mulighed for at få en 3D-effekt uden brug af specielle briller. Der anvendes linseformet linseteknologi, som giver et stort antal seere bred bevægelsesfrihed uden at miste opfattelsen af 3D-effekten. Et lag af gennemsigtige linser er fastgjort foran LCD-skærmen. Dette lag sender et forskelligt billede til hvert øje. Hjernen, der behandler en kombination af disse billeder, skaber effekten af et tredimensionelt billede. Gennemsigtigheden af linselaget giver fuld lysstyrke, skarp kontrast og højkvalitets farvegengivelse af billedet.
Der er en teknologi til at vise 3D-video på LED-skærme .
Fra juni 2010 er der flere eksperimentelle teknologier, der kan opnå tredimensionel billeddannelse uden stereoskopi. Disse teknologier bruger et hurtigt sweep af en laserstråle, der spredes på røgpartikler ( aerosolskærm ) eller reflekteres fra en hurtigt roterende plade.
Der er også enheder, hvor LED'er er monteret på en hurtigt roterende plade .
Sådanne enheder minder om de første forsøg på at lave en mekanisk tv-scanning . Tilsyneladende skal vi i fremtiden forvente udseendet af en fuldt elektronisk enhed, der giver dig mulighed for at simulere lysstrømmen fra et tredimensionelt objekt i forskellige retninger, så en person kan gå rundt på skærmen og endda se på billedet med en øje uden at forstyrre billedvolumen.
Brugen af udtrykkene "tredimensionel" eller "3D" til at henvise til stereoskopiske film skyldes, at seeren, når han ser sådanne film, skaber en illusion af et tredimensionelt billede, en følelse af tilstedeværelsen af en tredje dimension - dybde og en ny dimension af rummet allerede i 4D. Derudover er der en sammenhæng med den stigende brug af 3D computergrafik i skabelsen af sådanne film (tidlige stereofilm blev optaget som konventionelle film, men ved hjælp af stereokameraer med to linser).
I dag er det at se film i 3D blevet et meget populært fænomen.
De vigtigste teknologier, der i øjeblikket bruges til at vise stereofilm [3] :
En slags udvidelse af 3D-grafik er "augmented reality". Ved at bruge teknologien til billedgenkendelse (markører) fuldender augmented reality-programmet konstruktionen af et virtuelt 3D-objekt i et ægte fysisk miljø. Brugeren kan interagere med markøren: Drej den i forskellige retninger, belys den anderledes, dække nogle af dens dele og observer de ændringer, der sker med 3D-objektet på computerskærmen.
Drivkraften til den brede udbredelse af teknologi var oprettelsen i 2008 af et åbent bibliotek FLARToolKit til Adobe Flash-teknologi .
| 3D- grafik og animationssoftware | |
|---|---|
| åben kildekode |
|
| Proprietær software |
|