3D компьютерная графика , иногда называемая CGI , 3-D-CGI или трехмерная компьютерная графика , представляет собой графику, в которой используется трехмерное представление геометрических данных (часто декартовых ), которые хранятся в компьютере для целей выполнения вычислений и рендеринга. цифровые изображения , обычно 2D-изображения , но иногда и 3D-изображения . Полученные изображения могут быть сохранены для последующего просмотра (возможно, в виде анимации ) или отображены в реальном времени .
3-D компьютерная графика, вопреки названию, чаще всего отображается на двухмерных дисплеях. В отличие от 3-D фильма и подобных техник, результат получается двухмерным, без визуальной глубины . Чаще всего трехмерная графика отображается на трехмерных дисплеях , например, в системах виртуальной реальности .
Трехмерная графика отличается от двухмерной компьютерной графики , в которой обычно используются совершенно другие методы и форматы для создания и рендеринга.
3-D компьютерная графика опирается на многие из тех же алгоритмов , что и 2-D компьютерная векторная графика в каркасной модели и 2-D компьютерная растровая графика в окончательном визуализированном отображении. В программном обеспечении компьютерной графики 2D-приложения могут использовать 3D-методы для достижения таких эффектов, как освещение , и аналогичным образом 3D-приложения могут использовать некоторые методы 2D-рендеринга.
Объекты трехмерной компьютерной графики часто называют трехмерными моделями . В отличие от визуализированного изображения, данные модели содержатся в файле графических данных. Трехмерная модель — это математическое представление любого трехмерного объекта; Технически модель не является графикой , пока она не отображается. Модель может отображаться визуально в виде двухмерного изображения посредством процесса, называемого 3D-рендерингом , или ее можно использовать в неграфическом компьютерном моделировании и расчетах. С помощью 3D-печати модели преобразуются в фактическое трехмерное физическое представление самих себя с некоторыми ограничениями относительно того, насколько точно физическая модель может соответствовать виртуальной модели. [1]
Уильяму Феттеру приписывают введение термина компьютерная графика в 1961 году [2] [3] для описания его работы в Boeing . Ранний пример интерактивной трехмерной компьютерной графики был исследован в 1963 году с помощью программы Sketchpad в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института . [4] Одним из первых проявлений компьютерной анимации был «Мир будущего» (1976), который включал анимацию человеческого лица и руки, первоначально появившуюся в экспериментальном короткометражном фильме 1971 года « Компьютерная анимированная рука» , созданном студентами Университета Юты Эдвином Кэтмаллом. и Фред Парк . [5]
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 трёхмерной компьютерной графики, написанный Кадзумаса Митадзава и выпущенный в июне 1978 года для Apple II . [6] [7]
Рабочий процесс создания трехмерной компьютерной графики делится на три основных этапа:
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, сканированные в компьютер из объектов реального мира (полигональное моделирование, патч-моделирование и NURBS-моделирование). некоторые популярные инструменты, используемые при 3D-моделировании). Модели также могут быть созданы процедурным или посредством физического моделирования . По сути, трехмерная модель формируется из точек, называемых вершинами, которые определяют форму и образуют многоугольники . Многоугольник — это область, образованная как минимум тремя вершинами (треугольник). Многоугольник из n точек является n-угольником. [8] Общая целостность модели и ее пригодность для использования в анимации зависят от структуры полигонов.
Перед рендерингом в изображение объекты необходимо разместить в 3D-сцене . Это определяет пространственные отношения между объектами, включая местоположение и размер . Анимация относится к временному описанию объекта (т. е. тому, как он движется и деформируется с течением времени. Популярные методы включают использование 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 — это свойства, которые механизм рендеринга использует для рендеринга модели. Можно предоставить модели материалы, чтобы сообщить движку рендеринга, как обрабатывать свет, когда он падает на поверхность. Текстуры используются для придания цвета материалу с помощью карты цвета или альбедо или для придания характеристик поверхности с помощью карты рельефа или карты нормалей . Его также можно использовать для деформации самой модели с помощью карты смещения .
Рендеринг преобразует модель в изображение либо путем имитации переноса света для получения фотореалистичных изображений, либо путем применения художественного стиля, как при нефотореалистичном рендеринге . Двумя основными операциями реалистичного рендеринга являются транспортировка (сколько света попадает из одного места в другое) и рассеяние (как поверхности взаимодействуют со светом). Этот шаг обычно выполняется с использованием программного обеспечения для трехмерной компьютерной графики или API трехмерной графики . Преобразование сцены в форму, подходящую для рендеринга, также включает в себя 3-D проекцию , которая отображает трехмерное изображение в двух измерениях. Хотя программное обеспечение для трехмерного моделирования и САПР также может выполнять трехмерную визуализацию (например, Autodesk 3ds Max или Blender ), также существует эксклюзивное программное обеспечение для трехмерной визуализации (например, Octane Rendering Engine от OTOY , Redshift от Maxon).
Программное обеспечение для трехмерной компьютерной графики создает компьютерные изображения (CGI) посредством трехмерного моделирования и трехмерного рендеринга или создает трехмерные модели для аналитических, научных и промышленных целей.
Существует множество разновидностей файлов, поддерживающих трехмерную графику, например файлы Wavefront .obj и файлы .x DirectX. Каждый тип файла обычно имеет свою собственную уникальную структуру данных.
Доступ к каждому формату файла можно получить через соответствующие приложения, такие как файлы DirectX и Quake . Кроме того, доступ к файлам можно получить через сторонние автономные программы или посредством декомпиляции вручную.
Программное обеспечение для 3D-моделирования — это класс программного обеспечения для 3D-компьютерной графики, используемого для создания 3D-моделей. Отдельные программы этого класса называются приложениями моделирования или моделлерами.
Трехмерное моделирование начинается с описания трех моделей отображения: точек рисования, линий рисования и рисования треугольников и других многоугольных участков. [9]
Разработчики 3D-моделирования 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.
Разработчики 3D-моделирования 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 собственных форматах других приложений.
Большинство программ 3D-моделирования содержат ряд связанных функций, таких как трассировщики лучей и другие альтернативы рендеринга, а также средства наложения текстур . Некоторые из них также содержат функции, которые поддерживают или позволяют анимировать модели. Некоторые из них могут создавать полноценные видеоролики из серии визуализированных сцен (т. е. анимацию ).
Программное обеспечение для автоматизированного проектирования может использовать те же фундаментальные методы трехмерного моделирования, что и программное обеспечение для трехмерного моделирования, но их цель различна. Они используются в компьютерном проектировании , компьютерном производстве , анализе конечных элементов , управлении жизненным циклом продукта , 3D-печати и компьютерном архитектурном проектировании .
После создания видео студии затем монтируют или компонуют видео с помощью таких программ, как Adobe Premiere Pro или Final Cut Pro на среднем уровне или Autodesk Combustion , Digital Fusion , Shake на высоком уровне. Программное обеспечение Match moving обычно используется для сопоставления живого видео с компьютерным видео, обеспечивая их синхронизацию при движении камеры.
Использование движков компьютерной графики реального времени для создания кинематографической продукции называется машинимой . [10]
Не вся компьютерная графика, которая выглядит как 3D, основана на каркасной модели . 2D-компьютерная графика с 3D- фотореалистичными эффектами часто достигается без каркасного моделирования и иногда неотличима в окончательном виде. Некоторые программы для графической графики включают фильтры, которые можно применять к векторной 2D-графике или растровой 2D-графике на прозрачных слоях. Художники-визуалы также могут копировать или визуализировать 3D-эффекты и вручную создавать фотореалистичные эффекты без использования фильтров.
В некоторых видеоиграх используется 2,5D- графика, включающая ограниченные проекции трехмерной среды, такие как изометрическая графика или виртуальные камеры с фиксированными углами , либо как способ повышения производительности игрового движка , либо из стилистических и игровых соображений. Напротив, игры, использующие компьютерную 3D-графику без таких ограничений, называются [ кем? ] для использования истинного 3D.
Области использования
