Компьютерные изображения ( CGI ) — это специфическая технология или применение компьютерной графики для создания или улучшения изображений в искусстве , печатных СМИ , симуляторах , видео и видеоиграх. Эти изображения являются либо статичными (т.е. неподвижными изображениями ), либо динамическими (т.е. движущимися изображениями). CGI относится как к 2D-компьютерной графике, так и (чаще) к 3D-компьютерной графике с целью создания персонажей, виртуальных миров или сцен и специальных эффектов (в фильмах , телевизионных программах, рекламных роликах и т. д.). Применение CGI для создания/улучшения анимации называется компьютерной анимацией или CGI-анимацией .
Первым художественным фильмом, в котором использовалась компьютерная графика, а также композиция игрового фильма с компьютерной графикой, был фильм « Головокружение » [1] , в котором компьютерная графика использовалась во вступительных титрах фильма. Первым художественным фильмом, в сюжетной линии которого использовалась компьютерная графика с живым действием, стал фильм « Мир Дикого Запада» 1973 года . [2] Другие ранние фильмы, в которых использовалась компьютерная графика, включают «Звездные войны: Эпизод IV» (1977), [2] «Трон» (1982), [2] «Голго 13: Профессионал» (1983), [3] «Последний звездный истребитель» (1984), [ 4] Молодой Шерлок Холмс (1985) и История игрушек (1995). Первым музыкальным видео , в котором использовалась компьютерная графика, стал отмеченный наградами фильм Dire Straits « Money for Nothing » (1985), успех которого сыграл важную роль в том, что этот процесс стал широко известен. [ нужна цитата ]
До того, как компьютерная графика стала преобладать в кино, виртуальной реальности, персональных компьютерах и играх, одним из первых практических применений компьютерной графики было авиационное и военное обучение, а именно авиасимуляторы. Визуальные системы, разработанные в авиасимуляторах, также были важным предшественником сегодняшних систем трехмерной компьютерной графики и компьютерных изображений (CGI). А именно потому, что целью моделирования полета было воспроизведение на земле поведения самолета в полете. Большая часть этого воспроизведения была связана с правдоподобным визуальным синтезом, имитирующим реальность. [5] Генератор цифровых изображений Link (DIG) компании Singer (Singer-Link) считался одной из систем CGI первого в мире поколения. [6] Это была 3D-система реального времени, работающая в режиме «день/сумерки/ночь», которая использовалась шаттлами НАСА для самолетов F-111, Black Hawk и B-52. Генератор цифровых изображений Линка имел архитектуру, обеспечивающую визуальную систему, которая реалистично соответствовала взгляду пилота. [7] Базовая архитектура DIG и последующие улучшения включали менеджер сцен, за которым следовал геометрический процессор, видеопроцессор и дисплей с конечной целью создания визуальной системы, обрабатывающей реалистичные текстуры, затенение, возможности полупрозрачности и без наложения. [8]
В сочетании с необходимостью сочетать виртуальный синтез с требованиями к обучению военного уровня, технологии компьютерной графики, применяемые в моделировании полета, часто на годы опережали то, что было бы доступно в коммерческих вычислениях или даже в высокобюджетных фильмах. Ранние системы CGI могли изображать только объекты, состоящие из плоских многоугольников. Достижения в области алгоритмов и электроники визуальных систем авиасимуляторов и компьютерной графики в 1970-х и 1980-х годах повлияли на многие технологии, которые до сих пор используются в современной компьютерной графике, добавив возможность наложения текстуры на поверхности, а также перехода изображений с одного уровня детализации на следующий в гладкая манера. [9]
Эволюция компьютерной графики привела к появлению в 1990-х годах виртуального кинематографа , где зрение смоделированной камеры не ограничено законами физики. Доступность программного обеспечения CGI и возросшая скорость компьютеров позволили отдельным художникам и небольшим компаниям создавать фильмы, игры и произведения искусства профессионального уровня на своих домашних компьютерах.
Анимированные изображения не только являются частью компьютерных изображений; естественно выглядящие ландшафты (например, фрактальные ландшафты ) также создаются с помощью компьютерных алгоритмов . Простой способ создания фрактальных поверхностей — использовать расширение метода треугольной сетки , опираясь на построение некоторого частного случая кривой де Рама , например, смещения средней точки . [10] Например, алгоритм может начать с большого треугольника, затем рекурсивно увеличить масштаб, разделив его на четыре меньших треугольника Серпинского , а затем интерполировать высоту каждой точки по ее ближайшим соседям. [10] Создание броуновской поверхности может быть достигнуто не только за счет добавления шума при создании новых узлов, но и за счет добавления дополнительного шума на нескольких уровнях сетки. [10] Таким образом, топографическая карта с различными уровнями высоты может быть создана с использованием относительно простых фрактальных алгоритмов. Некоторые типичные, простые в программировании фракталы, используемые в компьютерной графике, — это плазменный фрактал и более драматичный фрактал разлома . [11]
Было исследовано и разработано множество конкретных методов для получения узкоспециализированных компьютерных эффектов - например, использование конкретных моделей для представления химического выветривания камней для моделирования эрозии и создания «состаренного вида» для данной поверхности на основе камня. [12]
Современные архитекторы пользуются услугами фирм компьютерной графики для создания трехмерных моделей как для заказчиков, так и для строителей. Эти компьютерные модели могут быть более точными, чем традиционные чертежи. Архитектурная анимация (которая представляет собой анимированные видеоролики о зданиях, а не интерактивные изображения) также может использоваться, чтобы увидеть возможную связь здания с окружающей средой и окружающими его зданиями. Обработка архитектурных пространств без использования бумаги и карандашей в настоящее время является широко распространенной практикой в ряде компьютерных систем архитектурного проектирования. [13]
Инструменты архитектурного моделирования позволяют архитектору визуализировать пространство и выполнять «обходы» в интерактивном режиме, обеспечивая тем самым «интерактивную среду» как на уровне города, так и на уровне здания. [14] Конкретные применения в архитектуре включают не только спецификацию строительных конструкций (таких как стены и окна) и проходов, но и эффекты света и то, как солнечный свет повлияет на конкретный дизайн в разное время дня. [15] [16]
Инструменты архитектурного моделирования в настоящее время все чаще становятся доступными через Интернет. Однако качество интернет-систем по-прежнему отстает от сложных внутренних систем моделирования. [17]
В некоторых приложениях сгенерированные компьютером изображения используются для «обратного проектирования» исторических зданий. Например, компьютерная реконструкция монастыря в Георгентале в Германии была основана на руинах монастыря, но при этом дает зрителю «взгляд и ощущение» того, как здание выглядело бы в свое время. [18]
Компьютерные модели, используемые в скелетной анимации , не всегда анатомически правильны. Однако такие организации, как Институт научных вычислений и визуализации, разработали анатомически правильные компьютерные модели. Анатомические модели, созданные на компьютере, можно использовать как в учебных, так и в операционных целях. На сегодняшний день большая часть медицинских изображений , созданных художниками , продолжают использоваться студентами-медиками, например, изображения Фрэнка Х. Неттера , например изображения сердца. Однако становится доступным ряд онлайн-анатомических моделей.
Одиночный рентгеновский снимок пациента не является изображением, созданным компьютером, даже если он оцифрован. Однако в приложениях, включающих компьютерную томографию, трехмерная модель автоматически создается из множества односрезовых рентгеновских лучей, создавая «изображение, сгенерированное компьютером». Приложения, связанные с магнитно-резонансной томографией, также объединяют несколько «снимков» (в данном случае с помощью магнитных импульсов) для создания составного внутреннего изображения.
В современных медицинских приложениях модели для конкретного пациента создаются в рамках «компьютерной хирургии». Например, при тотальной замене коленного сустава для тщательного планирования операции можно использовать построение подробной модели для конкретного пациента. [19] Эти трехмерные модели обычно извлекаются из нескольких компьютерных сканирований соответствующих частей собственной анатомии пациента. Такие модели также можно использовать для планирования имплантации аортального клапана — одной из распространенных процедур лечения заболеваний сердца . Учитывая, что форма, диаметр и положение коронарных отверстий могут сильно варьироваться от пациента к пациенту, извлечение (на основе компьютерной томографии ) модели, которая очень напоминает анатомию клапана пациента, может быть очень полезным при планировании процедуры. [20]
Модели из ткани обычно делятся на три группы:
На сегодняшний день заставить одежду цифрового персонажа автоматически складываться естественным образом остается непростой задачей для многих аниматоров. [22]
Помимо использования в фильмах, рекламе и других формах публичного показа, компьютерные изображения одежды теперь регулярно используются ведущими дизайнерскими фирмами. [23]
Задача рендеринга изображений кожи человека включает в себя три уровня реализма:
Самые мелкие видимые детали, такие как мелкие морщинки и поры кожи , имеют размер около 100 мкм или 0,1 миллиметра . Кожа может быть смоделирована как 7- мерная функция двунаправленной текстуры (BTF) или набор функций распределения двунаправленного рассеяния (BSDF) по поверхностям цели.
Интерактивная визуализация — это визуализация данных, которые могут динамически меняться и позволяющая пользователю просматривать данные с разных точек зрения. Области применения могут значительно различаться: от визуализации режимов потока в гидродинамике до конкретных приложений автоматизированного проектирования . [25] Отображенные данные могут соответствовать конкретным визуальным сценам, которые изменяются по мере взаимодействия пользователя с системой — например, симуляторы, такие как авиасимуляторы , широко используют методы компьютерной графики для представления мира. [26]
На абстрактном уровне процесс интерактивной визуализации включает в себя «конвейер данных», в котором необработанные данные управляются и фильтруются в форме, которая делает их пригодными для рендеринга. Их часто называют «данными визуализации» . Данные визуализации затем сопоставляются с «представлением визуализации», которое может быть передано в систему рендеринга. Обычно это называется «рендеринговым представлением» . Это представление затем визуализируется как отображаемое изображение. [26] Когда пользователь взаимодействует с системой (например, используя джойстик для изменения своего положения в виртуальном мире), необработанные данные подаются через конвейер для создания нового визуализированного изображения, что часто делает ключевым фактором эффективность вычислений в реальном времени. в таких приложениях. [26] [27]
Хотя компьютерные изображения пейзажей могут быть статичными, компьютерная анимация применима только к динамическим изображениям, напоминающим фильм. Однако в целом термин «компьютерная анимация» относится к динамическим изображениям, которые не допускают взаимодействия с пользователем, а термин « виртуальный мир» используется для интерактивных анимированных сред.
Компьютерная анимация, по сути, является цифровым преемником искусства покадровой анимации 3D-моделей и покадровой анимации 2D-иллюстраций. Компьютерная анимация более управляема, чем другие, более физически обоснованные процессы, такие как создание миниатюр для съемок с эффектами или наем статистов для массовых сцен, а также потому, что она позволяет создавать изображения, которые были бы невозможны с использованием любой другой технологии. Это также может позволить одному художнику-графику создавать такой контент без использования актеров, дорогих декораций или реквизита.
Чтобы создать иллюзию движения, изображение отображается на экране компьютера и неоднократно заменяется новым изображением, похожим на предыдущее изображение, но немного сдвинутым во времени (обычно со скоростью 24 или 30 кадров в секунду). . Эта техника идентична тому, как иллюзия движения достигается с помощью телевидения и кино .
_2022-08-30.png/1280px-An_astronaut_riding_a_horse_(Hiroshige)_2022-08-30.png)
Модель преобразования текста в изображение — это модель машинного обучения , которая принимает входное описание на естественном языке и создает изображение, соответствующее этому описанию.
Такие модели начали разрабатываться в середине 2010-х годов, в начале весны искусственного интеллекта , в результате достижений в области глубоких нейронных сетей . В 2022 году результаты современных моделей преобразования текста в изображение, таких как DALL-E 3 от OpenAI, Imagen от Google Brain , Stable Diffusion от StabilityAI и Midjourney , начали приближаться к качеству реальных фотографий и произведений искусства, нарисованных человеком. [ нужна цитата ]
Модели преобразования текста в изображение обычно сочетают в себе языковую модель , которая преобразует входной текст в скрытое представление, и генеративную модель изображения, которая создает изображение, обусловленное этим представлением. Наиболее эффективные модели, как правило, обучались на огромных объемах изображений и текстовых данных, взятых из Интернета. [28]
Виртуальный мир — это смоделированная среда на основе агентов , позволяющая пользователям взаимодействовать с искусственно анимированными персонажами (например, программным агентом ) или с другими физическими пользователями посредством использования аватаров . Виртуальные миры предназначены для проживания и взаимодействия пользователей , и сегодня этот термин стал во многом синонимом интерактивных виртуальных трехмерных сред, где пользователи принимают форму аватаров , видимых другим графически. [29] Эти аватары обычно изображаются в виде текстовых, двухмерных или трехмерных графических изображений, хотя возможны и другие формы [30] ( например, слуховые [31] и сенсорные ощущения). Некоторые, но не все, виртуальные миры допускают работу нескольких пользователей.
Компьютерные изображения используются в залах судов, в основном, с начала 2000-х годов. Однако некоторые эксперты утверждают, что это вредно. Они используются, чтобы помочь судьям или присяжным лучше визуализировать последовательность событий, доказательств или гипотез. [32] Однако исследование 1997 года показало, что люди — плохие интуитивные физики и легко поддаются влиянию изображений, созданных компьютером. [33] Таким образом, важно, чтобы присяжные и другие лица, принимающие юридические решения, были осведомлены о том, что такие вещественные доказательства являются всего лишь представлением одной потенциальной последовательности событий.
Визуализация погоды была первым применением компьютерной графики на телевидении. В настоящее время при прогнозировании погоды стало обычным отображать полноценные видеоизображения, снятые в реальном времени с нескольких камер и других устройств обработки изображений. В сочетании с трехмерными графическими символами и сопоставлением с общей виртуальной геопространственной моделью эти анимированные визуализации представляют собой первое настоящее применение компьютерной графики на телевидении.
Компьютерная графика стала обычным явлением в спортивных телевещаниях. На спортивных и развлекательных площадках обеспечивается прозрачность и наложение контента с помощью отслеживаемых видеокамер для более удобного просмотра публикой. Примеры включают желтую линию « первого дауна », которую можно увидеть в телевизионных трансляциях игр по американскому футболу, показывающую линию, которую нападающая команда должна пересечь, чтобы получить первый даун. Компьютерная графика также используется в футболе и других спортивных мероприятиях для показа коммерческой рекламы, наложенной на вид на игровую площадку. На участках полей для регби и полей для крикета также представлены спонсорские изображения. В телепередачах по плаванию часто добавляются линии, пересекающие дорожки, чтобы указать положение текущего рекордсмена по ходу забега, чтобы позволить зрителям сравнить текущий забег с лучшим результатом. Другие примеры включают отслеживание хоккейных шайб и аннотации характеристик гоночных автомобилей [34] и траекторий мяча для снукера. [35] [36] Иногда компьютерную графику на телевидении с правильным соответствием реальному миру называют дополненной реальностью .
Компьютерные изображения часто используются в сочетании с захватом движения, чтобы лучше скрыть недостатки компьютерной графики и анимации.Практическое применение изображений, созданных компьютером, ограничено тем, насколько реалистично они могут выглядеть. Нереалистичные или плохо обработанные компьютерные изображения могут привести к эффекту Зловещей долины . [37] Этот эффект относится к способности человека распознавать вещи, которые очень похожи на людей, но немного отличаются от них. Такая способность является недостатком обычных компьютерных изображений, которые из-за сложной анатомии человеческого тела часто не могут точно воспроизвести их. Именно здесь в игру вступает захват движения. Художники могут использовать оборудование для захвата движения, чтобы заснять действие человека, а затем идеально воспроизвести его с помощью компьютерных изображений, чтобы оно выглядело нормально.
Отсутствие анатомически правильных цифровых моделей приводит к необходимости захвата движения, поскольку он используется с компьютерными изображениями. Поскольку сгенерированные компьютером изображения отражают только внешнюю часть или кожу визуализируемого объекта, они не могут уловить бесконечно малые взаимодействия между взаимосвязанными группами мышц, которые используются для мелкой моторики, например, для речи. Постоянное движение лица, когда оно издает звуки с помощью определенных губ и движений языка, а также выражения лица, сопровождающие речь, трудно воспроизвести вручную. [38] Захват движения может уловить основные движения лицевых мышц и лучше воспроизвести изображение, сопровождающее звук, как в «Таносе» Джоша Бролина.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
