3D компьютерная графика -3D computer graphics

3D компьютерная графика , иногда называемая CGI , 3D-CGI или трехмерная компьютерная графика (в отличие от 2D компьютерной графики ), представляет собой графику, в которой используется трехмерное представление геометрических данных (часто декартовых ), которые хранятся в компьютере для для выполнения расчетов и рендеринга 2D-изображений . Полученные изображения могут быть сохранены для последующего просмотра (возможно, в виде анимации ) или отображены в режиме реального времени . В отличие от 3D-пленки и подобных технологий, результат получается двухмерным, без иллюзии твердости.

Трехмерная компьютерная графика опирается на многие из тех же алгоритмов , что и двухмерная компьютерная векторная графика в каркасной модели и двухмерная компьютерная растровая графика в окончательном отображении. В программном обеспечении для компьютерной графики 2D-приложения могут использовать 3D-методы для достижения таких эффектов, как освещение , и аналогичным образом 3D может использовать некоторые методы 2D-рендеринга.

Объекты в трехмерной компьютерной графике часто называют трехмерными моделями . В отличие от визуализированного изображения, данные модели содержатся в файле графических данных. 3D-модель — это математическое представление любого трехмерного объекта; модель технически не является графикой , пока она не отображается. Модель можно отобразить визуально в виде двухмерного изображения с помощью процесса, называемого 3D-рендерингом , или ее можно использовать в неграфических компьютерных симуляциях и расчетах. С помощью 3D-печати модели визуализируются в фактическое трехмерное физическое представление самих себя с некоторыми ограничениями в отношении того, насколько точно физическая модель может соответствовать виртуальной модели.

История

Уильяму Феттеру приписывают введение термина « компьютерная графика » в 1961 году для описания его работы в Boeing . Одним из первых проявлений компьютерной анимации был Futureworld (1976), который включал анимацию человеческого лица и руки, которая первоначально появилась в экспериментальном короткометражном фильме 1971 года A Computer Animated Hand , созданном студентами Университета Юты Эдвином Кэтмаллом и Фредом Парком . .

Программное обеспечение для трехмерной компьютерной графики начало появляться для домашних компьютеров в конце 1970-х годов. Самый ранний известный пример — 3D Art Graphics , набор эффектов компьютерной 3D-графики, написанный Кадзумасой Митадзавой и выпущенный в июне 1978 года для Apple II .

Обзор

Рабочий процесс производства компьютерной 3D-графики делится на три основных этапа:

  1. 3D-моделирование — процесс формирования компьютерной модели формы объекта.
  2. Макет и CGI-анимация - размещение и перемещение объектов (моделей, источников света и т. д.) в сцене.
  3. 3D-рендеринг - компьютерные расчеты, которые на основе размещения света, типов поверхности и других качеств создают (растрируют сцену) изображение.

Моделирование

Модель описывает процесс формирования формы объекта. Двумя наиболее распространенными источниками 3D-моделей являются те, которые художник или инженер создает на компьютере с помощью какого-либо инструмента 3D-моделирования , и модели, отсканированные в компьютер из объектов реального мира (некоторые популярные полигональное моделирование, патч-моделирование и NURBS-моделирование). инструменты, используемые в 3D-моделировании). Модели также могут создаваться процедурно или посредством физического моделирования . По сути, 3D-модель формируется из точек, называемых вершинами, которые определяют форму и формируют многоугольники . Многоугольник — это область, образованная как минимум тремя вершинами (треугольник). Многоугольник из n точек является n-угольником. Общая целостность модели и ее пригодность для использования в анимации зависят от структуры полигонов.

Макет и анимация

Перед рендерингом в изображение объекты должны быть размещены в сцене . Это определяет пространственные отношения между объектами, включая местоположение и размер . Анимация относится к временному описанию объекта (т. е. того, как он движется и деформируется с течением времени. Популярные методы включают создание ключевых кадров , инверсную кинематику и захват движения ). Эти методы часто используются в сочетании. Как и в случае с анимацией, физическое моделирование также определяет движение.

Материалы и текстуры

Материалы и текстуры — это свойства, которые механизм рендеринга использует для рендеринга модели. Можно дать модели материалы, чтобы указать движку рендеринга, как обрабатывать свет, когда он падает на поверхность. Текстуры используются для придания материалу цвета с помощью карты цвета или альбедо, либо для придания поверхности особенностей с помощью карты рельефа или карты нормалей . Его также можно использовать для деформации самой модели с помощью карты смещения .

Рендеринг

Визуализация преобразует модель в изображение либо путем имитации переноса света для получения фотореалистичных изображений, либо путем применения художественного стиля, как при нефотореалистичной визуализации . Две основные операции реалистичного рендеринга — это перенос (сколько света попадает из одного места в другое) и рассеивание (как поверхности взаимодействуют со светом). Этот шаг обычно выполняется с помощью программного обеспечения для компьютерной 3D-графики или API 3D-графики . Преобразование сцены в форму, подходящую для рендеринга, также включает в себя 3D-проекцию , которая отображает трехмерное изображение в двух измерениях. Хотя 3D-моделирование и программное обеспечение САПР также могут выполнять 3D-рендеринг (например, Autodesk 3ds Max или Blender ), также существует эксклюзивное программное обеспечение для 3D-рендеринга (например, Octane Rendering Engine OTOY , Maxon's Redshift).

Программного обеспечения

Программное обеспечение для компьютерной 3D-графики создает компьютерные изображения (CGI) посредством 3D-моделирования и 3D-рендеринга или создает 3D-модели для аналитических, научных и промышленных целей.

Форматы файлов

Существует множество разновидностей файлов, поддерживающих 3D-графику, например, файлы Wavefront .obj и файлы .x DirectX. Каждый тип файла обычно имеет свою уникальную структуру данных.

К каждому формату файла можно получить доступ через соответствующие приложения, такие как файлы DirectX и Quake . Кроме того, доступ к файлам можно получить через сторонние автономные программы или с помощью ручной декомпиляции.

Моделирование

Программное обеспечение для 3D-моделирования — это класс программного обеспечения для компьютерной 3D-графики, используемого для создания 3D-моделей. Отдельные программы этого класса называются моделирующими приложениями или моделлерами.

Специалисты по 3D-моделированию позволяют пользователям создавать и изменять модели с помощью 3D- сетки . Пользователи могут добавлять, вычитать, растягивать и иным образом изменять сетку по своему желанию. Модели можно рассматривать под разными углами, обычно одновременно. Модели можно вращать, а вид можно увеличивать и уменьшать.

Специалисты по 3D-моделированию могут экспортировать свои модели в файлы , которые затем можно импортировать в другие приложения, если метаданные совместимы. Многие разработчики моделей позволяют подключать импортеры и экспортеры , чтобы они могли читать и записывать данные в родных форматах других приложений.

Большинство средств 3D-моделирования содержат ряд связанных функций, таких как трассировщики лучей и другие альтернативы рендеринга и средства наложения текстур . Некоторые также содержат функции, поддерживающие или разрешающие анимацию моделей. Некоторые из них могут генерировать полномасштабное видео серии визуализированных сцен (например, анимацию ).

Компьютерное проектирование (САПР)

Программное обеспечение для автоматизированного проектирования может использовать те же основные методы 3D-моделирования, что и программное обеспечение для 3D-моделирования, но их цель отличается. Они используются в автоматизированном проектировании , автоматизированном производстве , анализе конечных элементов , управлении жизненным циклом продукта , 3D-печати и автоматизированном архитектурном проектировании .

Дополнительные инструменты

После создания видео студии затем редактируют или компонуют видео, используя такие программы, как Adobe Premiere Pro или Final Cut Pro на среднем уровне, или Autodesk Combustion , Digital Fusion , Shake на высоком уровне. Программное обеспечение для сопоставления движущихся объектов обычно используется для сопоставления живого видео с компьютерным видео, обеспечивая их синхронизацию при движении камеры.

Использование движков компьютерной графики в реальном времени для создания кинематографического производства называется машинимой .

Отличия от других видов компьютерной графики

Отличие от фотореалистичной 2D-графики

Не вся компьютерная графика, которая кажется трехмерной, основана на каркасной модели . Двухмерная компьютерная графика с трехмерными фотореалистичными эффектами часто достигается без каркасного моделирования и иногда неразличима в окончательной форме. Некоторое графическое программное обеспечение включает фильтры, которые можно применять к 2D-векторной или 2D-растровой графике на прозрачных слоях. Визуальные художники также могут копировать или визуализировать 3D-эффекты и вручную визуализировать фотореалистичные эффекты без использования фильтров.

Псевдо3D и настоящее 3D

В некоторых видеоиграх используются ограниченные проекции трехмерной среды, такие как изометрическая графика или виртуальные камеры с фиксированными углами , либо для повышения производительности игрового движка, либо для стилистических и игровых соображений. Говорят, что в таких играх используется псевдо3D- графика. Напротив, считается, что игры, использующие трехмерную компьютерную графику без таких ограничений, используют настоящее 3D .

Смотрите также

Графика и программное обеспечение

Области использования

использованная литература

внешние ссылки