Grafică tridimensională - ce este?

Grafica tridimensională este o grafică care utilizează o reprezentare tridimensională a formelor geometrice (adesea carteziană) stocată într-un calculator în scopul calculării și redării de imagini bidimensionale. Astfel de imagini pot fi salvate pentru a fi vizualizate ulterior sau afișate în timp real.

Ce este?

Grafica computerizată tridimensională se bazează pe mulți dintre aceiași algoritmi ca și grafica vectorială computerizată bidimensională în modelul wireframe și grafica rasterizată computerizată bidimensională în imaginea finală afișată. În aplicațiile de grafică pe calculator, programele 2D pot folosi metode 3D pentru a produce efecte similare (de exemplu, iluminarea), iar cele 3D pot folosi metode de redare 2D.

Grafica tridimensională este adesea numită modele 3D. Pe lângă o imagine redată, un model este conținut într-un fișier de date grafice. Cu toate acestea, există o diferență: un model 3D este o reprezentare matematică a unui obiect tridimensional. Din punct de vedere tehnic, nu este un grafic până când nu este afișat. Poate fi redată vizual ca o imagine bidimensională printr-un proces numit redare 3D sau poate fi utilizată în simulări și calcule computerizate non-grafice.

Imprimarea 3D convertește în mod similar aceste modele într-o reprezentare fizică tridimensională, cu limitări în ceea ce privește acuratețea cu care poate fi redat modelul virtual.

Istoria tehnologiei

Sistemul grafic tridimensional are o istorie destul de lungă. William Fetter este creditat cu termenul "grafică pe calculator" din 1961 pentru a descrie munca sa la Boeing. Una dintre primele lucrări în stilul animației pe calculator este Futureworld (1976), care includea animația unei fețe și a unei mâini umane. Tehnologia a apărut inițial în 1972 în scurtmetrajul experimental A Computer Animated Hand, creat de studenții Edwin Catmull și Fred Parke de la Universitatea din Utah. De atunci, grafica tridimensională a fost o tehnologie revoluționară, care a evoluat foarte mult până în zilele noastre.

Programele de grafică 3D au început să apară pe computerele personale la sfârșitul anilor 1970. Cel mai vechi exemplu cunoscut este 3D Art Graphics, o suită de efecte grafice 3D scrisă de Kazumasa Mitazawa și lansată în iunie 1978 pentru Apple II.

Cum se procedează?

Crearea de grafică tridimensională este împărțită în trei etape principale:

• Modelare 3D - este procesul de creare a unui model pe calculator care descrie forma unui obiect.
• Dispunere și animație - plasarea și deplasarea obiectelor în cadrul unei scene.
• Redare 3D - un calcul computerizat care generează o imagine pe baza aranjamentului luminii, a tipurilor de suprafețe și a altor calități.

Modelare

Modelarea descrie procesul de creare a formei unui obiect. Două cele mai frecvente Sursele de modele tridimensionale sunt următoarele:

• cele pe care un artist sau un inginer le creează pe calculator cu ajutorul unui instrument de modelare tridimensională;
• modele scanate în calculator din obiecte reale.

Ele pot fi produse și prin procedurale sau prin modelare fizică. În esență, un model tridimensional este creat din puncte numite vârfuri care definesc forma și formează poligoane. Acest lucru se face prin construirea de grafice tridimensionale.

Un poligon este o suprafață formată din cel puțin trei vârfuri (un triunghi). La rândul său, un poligon cu n puncte este un n-gon. Integritatea unui model în general și adecvarea sa pentru animație depind de structura sa. Pentru a fi funcțional, un grafic tridimensional trebuie să fie construit în mod corespunzător.

Procesul de modelare

Există trei metode comune de reprezentare a unui model. Ele diferă în felul următor:

• Poligonală - punctele din spațiul tridimensional, numite vârfuri, sunt conectate prin segmente pentru a forma o plasă poligonală. Cele mai multe modele tridimensionale moderne sunt construite ca poligoane texturate, deoarece sunt flexibile, iar calculatoarele le pot reda foarte repede. Poligoanele, însă, sunt plate și pot aproxima suprafețele curbe doar cu ajutorul poligoanelor.
• Modelarea curbelor - suprafețele sunt definite prin curbe influențate de puncte de control ponderate. O curbă urmărește (dar nu neapărat interpolează) un punct. Creșterea greutății pentru un punct va trage curba mai aproape de el. Tipurile de curbe includ B-spline raționale neuniforme (NURBS), patch-uri, spline și primitive geometrice.
• Digital - o metodă de modelare încă relativ nouă. A devenit foarte popular în ultimii ani.

În prezent, există trei tipuri de modelare digitală:

• Offset, care este cel mai des utilizat în aplicațiile. În acest moment, se aplică un model dens (adesea generat de suprafețe de subdiviziune poligonală a grilei de control) care stochează noile locații pentru pozițiile vertexurilor folosind o hartă a imaginii care stochează locațiile corectate.
• Volumetrice, bazate în mod vag pe voxeli, care au capacități de deplasare similare, dar nu suferă de întinderea limitelor atunci când nu sunt disponibile suficiente puncte pentru a realiza deformarea obiectului.
• Tezaurizarea dinamică este similară cu voxele, dar separă suprafața folosind triangulația pentru a menține o suprafață netedă și a produce detalii mai fine.

Modelarea poate fi realizată cu un program specific (de exemplu, Cinema 4D, 3ds Max, Maya, Blender, Modo, LightWave), sau cu o componentă de aplicație (Shaper, Lofter în 3ds Max), sau cu un limbaj de descriere a scenei (ca în POV-Ray). Uneori nu există o distincție strictă între aceste faze. În aceste cazuri, modelarea graficii tridimensionale este doar o parte a procesului de creare a scenei.

Materialele complexe, cum ar fi nisipul în mișcare, norii și jeturile de lichid, sunt modelate cu ajutorul sistemelor de particule și reprezintă o masă de coordonate tridimensionale cărora le sunt atribuite puncte, poligoane, texturi sau spirale.

Materiale și texturi

Materialele și texturile sunt proprietăți pe care motorul de randare le folosește pentru a crea modelul. Într-un motor de randare nepărtinitor, cum ar fi buclele Blender, ați putea da motorului instrucțiuni specifice pentru fiecare material al modelului. De exemplu, acesta este modul în care se configurează modul în care lumina este tratată atunci când atinge o suprafață.

Texturile sunt utilizate pentru a da o culoare unui material, utilizând o hartă de culoare sau albedo, sau pentru a adăuga caracteristici de suprafață, utilizând o hartă de protuberanță sau normală. Acest lucru poate fi folosit și pentru a modifica forma modelului în sine, folosind o hartă de decalaj. Deși sunt create prin construirea unor parcele tridimensionale, aceste procese au o influență puternică.

Layout și animație

Înainte de a fi redate într-o imagine, obiectele trebuie plasate într-o compoziție. Aceasta definește relațiile spațiale dintre diferitele obiecte, inclusiv dimensiunea și locația acestora. O animație este o descriere temporală a unui obiect (adică modul în care acesta se mișcă și se deformează în timp). Tehnicile obișnuite includ încadrarea, cinematica inversă și capturarea mișcării. Aceste tehnici sunt adesea utilizate în combinație și au un impact direct asupra performanței graficii 3D. Ca și în cazul animației, modelarea fizică definește și mișcarea.

Ce este randarea?

Renderizarea transformă un model într-o imagine prin simularea transferului de lumină pentru a produce imagini fotorealiste sau prin aplicarea stil artistic, ca în cazul unei reprezentări neforealiste.

În redarea realistă, cele două operațiuni principale sunt transferul (cât de multă lumină ajunge dintr-un loc în altul) și împrăștierea (interacțiunea suprafețelor cu lumina).

În mod obișnuit, acest pas se realizează folosind software pentru grafica 3D pe calculator sau o API pentru aceasta. Schimbarea scenei într-o formă adecvată pentru redare include, de asemenea, o proiecție 3-D, afișarea unei imagini 3-D în două dimensiuni. Deși programele de modelare 3D și CAD pot realiza și randare 3D (cum ar fi Autodesk 3DS Max sau Blender), există și programe exclusive de randare 3D.

Software

Programele pentru grafică 3D creează imagini generate pe calculator (CGI) folosind modelarea și redarea 3D. sau să creeze modele în scopuri analitice, științifice și industriale.

Aplicațiile de modelare 3D sunt o clasă de programe de grafică pe calculator utilizate pentru a crea modele tridimensionale. Programele individuale din această clasă se numesc servicii de simulare sau constructori de modele.

Aceste servicii permit utilizatorilor să realizeze și să modifice modelele folosind ochiuri de plasă 3D. Astfel, artiștii pot să sustragă, să adauge, să întindă și să modifice mesh-ul după cum consideră necesar. Modelele pot fi vizualizate din diferite unghiuri, de obicei simultan. Acestea pot fi rotite, iar imaginea poate fi mărită sau micșorată.

Cele mai multe programe 3D includ o serie de opțiuni conexe, cum ar fi trasoarele de raze și alte alternative de randare și instrumente de cartografiere a texturilor. Unele oferă, de asemenea, caracteristici care susțin sau permit animația modelului. Un număr dintre acestea pot fi capabile să genereze videoclipuri cu mișcare completă dintr-o serie de scene redate (adică animații).

Sisteme de proiectare asistată de calculator

Grafica 3D este rezultatul interacțiunii dintre diferite servicii. Software pentru asistență computerizată Software-ul de proiectare poate utiliza aceleași tehnici fundamentale ca și software-ul de modelare, dar scopul lor este diferit. Acestea sunt utilizate în proiectarea asistată de calculator, fabricarea asistată de calculator, analiza cu elemente finite, gestionarea ciclului de viață al produsului, imprimarea 3D și proiectarea arhitecturală automată.

Instrumente suplimentare

După ce un videoclip a fost produs, studiourile îl editează sau îl combină cu ajutorul unor programe precum Adobe Premiere Pro sau Final Cut Pro la un nivel intermediar, sau Autodesk Combustion, Digital Fusion sau Shake la un nivel superior. Software-ul de grafică în mișcare este utilizat de obicei pentru editarea în timp real cu videoclipuri generate pe calculator și sincronizează videoclipul pe măsură ce camera se mișcă.

Comunități

Există multe site-uri web concepute pentru dezvoltatorii de software, dar există și resurse individuale pentru amatori. Aceste comunități permit membrilor să caute sfaturi, să posteze tutoriale, să ofere recenzii de produse sau să publice exemple din propria activitate.

Diferențe față de alte tipuri de grafică pe calculator

Nu toată grafica pe calculator care apare în 3D se bazează pe un model wireframe. Varietatea sa bidimensională cu efecte fotorealiste tridimensionale este adesea obținută fără modelare wireframe, iar în forma sa finală este uneori imposibil de distins. Unele programe de grafică includ filtre care pot fi aplicate la grafică vectorială bidimensională sau la hărți bi-dimensionale pe straturi transparente. Artiștii vizuali pot, de asemenea, să copieze sau să redea imagini 3D și să creeze manual efecte fotorealiste fără a utiliza filtre.

Cu toate acestea, modul 3D adevărat în video și animație necesită cel mai adesea un echipament special (ochelari) pentru o mai bună vizualizare.

Pseudo-3D și 3D real

Unele jocuri video utilizează proiecții limitate ale mediilor 3D, cum ar fi grafica izometrică sau camerele virtuale cu unghiuri fixe, concepute pentru a îmbunătăți performanța motorului de joc sau în scopuri stilistice și de joc. Se crede că astfel de jocuri folosesc o grafică pseudo-3D.

Performanța graficii 3D și a jocurilor create cu ajutorul simulării diferă semnificativ.