Перспектива 2.5D (базовое произношение: двух с половиной измерений ) относится к игровому процессу или движению в видеоигре или среде виртуальной реальности , которая ограничена двумерной ( 2D) плоскостью с небольшим или нулевым доступом к третьему измерению в пространстве, которое в противном случае кажется трехмерным и часто моделируется и визуализируется в трехмерной цифровой среде.
Это похоже, но отличается от псевдотрехмерной перспективы (иногда называемой видом в три четверти, когда окружающая среда изображается с угловой перспективы сверху вниз), которая относится к двухмерным графическим проекциям и аналогичным методам, используемым для того, чтобы заставить изображения или сцены имитировать видимость трехмерности ( 3D), хотя на самом деле они таковыми не являются.
Напротив, игры, пространства или перспективы, которые моделируются и визуализируются в 3D и используются в дизайне 3D-уровней, называются настоящими 3D, а игры с 2D-рендерингом, созданные так, чтобы выглядеть как 2D, но не приближающиеся к 3D-изображению, называются настоящими 2D .
Распространенные в видеоиграх 2,5D-проекции также полезны в географической визуализации (GVIS), помогая понимать визуально-когнитивные пространственные представления или 3D-визуализацию. [1]
Термины «перспектива в три четверти» и «вид в три четверти» берут свое начало от трехчетвертного профиля в портретной живописи и распознавании лиц , который изображает лицо человека, находящееся между фронтальным видом и видом сбоку. [2]
В аксонометрической проекции и косой проекции , двух формах параллельной проекции , точка обзора слегка поворачивается, чтобы показать другие грани окружающей среды, чем те, которые видны в перспективе сверху вниз или сбоку, тем самым создавая трехмерный эффект. Объект «считается находящимся в наклонном положении, что приводит к ракурсу всех трех осей» [3] , а изображение является «представлением на одной плоскости (в качестве поверхности чертежа) трехмерного объекта, расположенного под углом к плоскости проекции». [3] Линии, перпендикулярные плоскости, становятся точками, линии, параллельные плоскости, имеют истинную длину, а линии, наклоненные к плоскости, ракурсом сокращаются.
Они являются популярными перспективами камеры среди 2D- видеоигр, чаще всего выпущенных для 16-битных или более ранних и портативных консолей , а также в более поздних стратегических и ролевых видеоиграх . Преимущество этих перспектив заключается в том, что они сочетают видимость и подвижность игры сверху вниз с узнаваемостью персонажа игры с боковой прокруткой . Таким образом, игроку может быть представлен обзор игрового мира в возможности видеть его сверху, более или менее, и с дополнительными деталями в художественном оформлении, которые стали возможными благодаря использованию угла: вместо того, чтобы показывать гуманоида в перспективе сверху вниз, как голову и плечи, видимые сверху, все тело можно нарисовать, используя наклонный угол; поворот персонажа покажет, как он выглядит с боков, спереди и сзади, в то время как перспектива сверху вниз будет отображать ту же голову и плечи независимо.
Существует три основных подразделения аксонометрической проекции: изометрическая (равная мера), диметрическая (симметричная и несимметричная) и триметрическая (один вид или только две стороны). Наиболее распространенным из этих типов чертежей в инженерном черчении является изометрическая проекция. Эта проекция наклонена так, что все три оси создают равные углы с интервалом в 120 градусов. Результатом является то, что все три оси одинаково укорочены. В видеоиграх форма диметрической проекции с соотношением пикселей 2:1 более распространена из-за проблем сглаживания и квадратных пикселей, обнаруженных на большинстве компьютерных мониторов.
В косой проекции обычно все три оси показаны без ракурса. Все линии, параллельные осям, нарисованы в масштабе, а диагонали и кривые линии искажены. Один из явных признаков косой проекции заключается в том, что лицо, направленное на камеру, сохраняет свои прямые углы по отношению к плоскости изображения. [ необходимо уточнение ]
Два примера косоугольной проекции — Ultima VII: The Black Gate и Paperboy . Примеры аксонометрической проекции включают SimCity 2000 и ролевые игры Diablo и Baldur's Gate .
В трехмерных сценах термин billboarding применяется к технике, в которой объекты иногда представляются двумерными изображениями, нанесенными на один полигон, который обычно сохраняется перпендикулярно линии взгляда. Название относится к тому факту, что объекты видны так, как будто нарисованы на рекламном щите . Эта техника широко использовалась в видеоиграх начала 1990-х годов, когда консоли не обладали аппаратной мощностью для рендеринга полностью трехмерных объектов. Это также известно как backdrop. Это может быть использовано с хорошим эффектом для значительного повышения производительности, когда геометрия достаточно удалена, чтобы ее можно было легко заменить 2D- спрайтом . В играх эта техника чаще всего применяется к таким объектам, как частицы (дым, искры, дождь) и растительность с низкой детализацией. С тех пор она стала мейнстримом и встречается во многих играх, таких как Rome: Total War , где она используется для одновременного отображения тысяч отдельных солдат на поле боя. Ранними примерами являются ранние шутеры от первого лица, такие как Marathon Trilogy , Wolfenstein 3D , Doom , Hexen и Duke Nukem 3D, а также гоночные игры, такие как Carmageddon и Super Mario Kart , и платформеры, такие как Super Mario 64 .
Skyboxes и skydomes — это методы, используемые для простого создания фона, чтобы игровой уровень выглядел больше, чем он есть на самом деле. Если уровень заключен в куб, небо, далекие горы, далекие здания и другие недостижимые объекты визуализируются на гранях куба с помощью техники, называемой cube mapping , тем самым создавая иллюзию отдаленного трехмерного окружения. Skydome использует ту же концепцию, но вместо куба использует сферу или полусферу .
Когда зритель перемещается по 3D-сцене, скайбокс или купол неба обычно остаются неподвижными по отношению к зрителю. Этот прием создает иллюзию того, что скайбокс находится очень далеко, поскольку другие объекты в сцене кажутся движущимися, в то время как скайбокс — нет. Это имитирует реальную жизнь, где удаленные объекты, такие как облака, звезды и даже горы, кажутся неподвижными, когда точка обзора смещается на относительно небольшие расстояния. Фактически, все в скайбоксе всегда будет казаться бесконечно далеким от зрителя. Это следствие скайбоксов диктует, что дизайнеры должны быть осторожны и не включать небрежно изображения отдельных объектов в текстуры скайбокса, поскольку зритель может заметить несоответствия размеров этих объектов при прохождении сцены.
В некоторых играх спрайты масштабируются больше или меньше в зависимости от расстояния до игрока, создавая иллюзию движения вдоль оси Z (вперед). Видеоигра Out Run от Sega 1986 года , работающая на аркадной системной плате Sega OutRun , является хорошим примером этой техники.
В Out Run игрок едет на Ferrari в глубину игрового окна. Пальмы слева и справа от улицы — это одно и то же растровое изображение , но они масштабированы до разных размеров, создавая иллюзию, что некоторые из них находятся ближе, чем другие. Углы движения — «влево и вправо» и «в глубину» (хотя технически это все еще возможно, эта игра не позволяла делать разворот или давать задний ход, поэтому двигалась «из глубины», так как это не имело смысла для высокоскоростного игрового процесса и напряженного ограничения по времени). Обратите внимание, что вид сопоставим с тем, который водитель имел бы в реальности при вождении автомобиля. Положение и размер любого рекламного щита генерируются с помощью (полного 3D) перспективного преобразования, как и вершины полилинии, представляющей центр улицы. Часто центр улицы хранится в виде сплайна и выбирается таким образом, что на прямых улицах каждая точка выборки соответствует одной линии сканирования на экране. Холмы и изгибы приводят к нескольким точкам на одной линии, и нужно выбрать одну. Или одна линия не имеет точки и должна быть интерполирована линейно из соседних линий. Рекламные щиты, требующие большого объема памяти, используются в Out Run для рисования кукурузных полей и водных волн, которые шире экрана даже на самом большом расстоянии просмотра, а также в Test Drive для рисования деревьев и скал.
Drakkhen была примечательна тем, что была одной из первых ролевых видеоигр , в которой было трехмерное игровое поле. Однако она не использовала обычный 3D-движок, а эмулировала его с помощью алгоритмов масштабирования персонажей. Партия игрока путешествует по суше по плоской местности, состоящей из векторов, на которых масштабируются 2D-объекты. Drakkhen имеет анимированный цикл день-ночь и возможность свободно бродить по игровому миру, что было редкостью для игры своей эпохи. Этот тип движка позже использовался в игре Eternam .
Некоторые мобильные игры, выпущенные на платформе Java ME, такие как мобильная версия Asphalt: Urban GT и Driver: LA Undercover , использовали этот метод для рендеринга пейзажей. Хотя эта техника похожа на некоторые аркадные игры Sega, такие как Thunder Blade и Cool Riders , а также 32-битную версию Road Rash , она использует полигоны вместо масштабирования спрайтов для зданий и некоторых объектов, хотя выглядит плоско затененной. Более поздние мобильные игры (в основном от Gameloft), такие как Asphalt 4: Elite Racing и мобильная версия Iron Man 2 , используют смесь масштабирования спрайтов и отображения текстур для некоторых зданий и объектов.
Параллакс относится к тому, что набор 2D- спрайтов или слоев спрайтов заставляют двигаться независимо друг от друга и/или от фона, чтобы создать ощущение дополнительной глубины. [4] : 103 Этот сигнал глубины создается относительным движением слоев. Техника выросла из техники многоплоскостной камеры, используемой в традиционной анимации с 1940-х годов. [5] Этот тип графического эффекта был впервые использован в аркадной игре Moon Patrol 1982 года . [6] Примерами служат небеса в Rise of the Triad , аркадной версии Rygar , Sonic the Hedgehog , Street Fighter II , Shadow of the Beast и Dracula X Chronicles , а также Super Mario World .
Режим 7 — эффект системы отображения, включающий вращение и масштабирование, позволяющий создавать 3D-эффект при движении в любом направлении без каких-либо реальных 3D-моделей, и использовался для имитации 3D-графики на SNES .
Ray casting — это псевдо-3D-техника от первого лица , в которой луч для каждого вертикального среза экрана посылается из позиции камеры. Эти лучи выстреливают, пока не попадут в объект или стену, и эта часть стены визуализируется в этом вертикальном срезе экрана. [8] Из-за ограниченного движения камеры и внутреннего 2D-игрового поля это часто считается 2.5D. [9]
Bump mapping , normal mapping и parallax mapping — это методы, применяемые к текстурам в приложениях 3D-рендеринга, таких как видеоигры, для имитации неровностей и морщин на поверхности объекта без использования большего количества полигонов . Для конечного пользователя это означает, что текстуры, такие как каменные стены, будут иметь большую очевидную глубину и, следовательно, большую реалистичность с меньшим влиянием на производительность моделирования.
Bump mapping достигается путем возмущения нормалей поверхности объекта и использования изображения в оттенках серого и возмущенной нормали во время расчетов освещенности. Результатом является явно неровная поверхность, а не идеально гладкая поверхность, хотя поверхность лежащего в основе объекта фактически не изменяется. Bump mapping был введен Блинном в 1978 году. [10]
В отображении нормалей единичный вектор от точки затенения до источника света отмечен единичным вектором нормали к этой поверхности, а скалярное произведение — это интенсивность света на этой поверхности. Представьте себе полигональную модель сферы — вы можете только приблизительно определить форму поверхности. Используя 3-канальное растровое изображение, текстурированное по всей модели, можно закодировать более подробную информацию о векторе нормали. Каждый канал в растровом изображении соответствует пространственному измерению ( x , y и z ). Эти пространственные измерения относятся к постоянной системе координат для карт нормалей пространства объектов или к плавно изменяющейся системе координат (основанной на производных положения относительно координат текстуры) в случае карт нормалей касательного пространства. Это добавляет гораздо больше деталей к поверхности модели, особенно в сочетании с передовыми методами освещения.
Parallax mapping (также называемый offset mapping или virtual offset mapping ) — это усовершенствование методов bump mapping и normal mapping, реализованное путем смещения координат текстуры в точке визуализированного полигона с помощью функции угла обзора в касательном пространстве (угол относительно нормали поверхности) и значения карты высот в этой точке. При более крутых углах обзора координаты текстуры смещаются сильнее, создавая иллюзию глубины из-за эффектов параллакса при изменении вида.
Термин также используется для описания эффекта анимации, обычно используемого в музыкальных клипах и, чаще всего, в титровальных последовательностях. Привлеченный к широкому вниманию фильмом « The Kid Stays in the Picture» , адаптацией мемуаров кинопродюсера Роберта Эванса , он включает в себя наложение и анимацию двухмерных изображений в трехмерном пространстве. Более ранние примеры этой техники включают музыкальные клипы Лиз Фейр «Down» (режиссер Родни Эшер ) и «A Special Tree» (режиссер музыканта Джорджио Мородера ).
В более крупном масштабе фильм 2018 года « В кольцах Сатурна» использовал более 7,5 миллионов отдельных двумерных изображений, снятых в космосе или с помощью телескопов, которые были составлены и перемещены с использованием методов многоплоскостной анимации.
Термин также относится к часто используемому эффекту в дизайне иконок и графических пользовательских интерфейсов (GUI), где небольшая иллюзия 3D создается за счет наличия виртуального источника света слева (или в некоторых случаях справа) и над монитором компьютера человека . Сам источник света всегда невидим, но его эффекты видны в более светлых цветах для верхней и левой стороны, имитирующих отражение, и более темных цветах справа и снизу таких объектов, имитирующих тень.
Расширенную версию этой техники можно найти в некоторых специализированных программах для графического дизайна, таких как ZBrush от Pixologic . Идея заключается в том, что холст программы представляет собой обычную 2D-поверхность для рисования, но структура данных, которая содержит информацию о пикселях, также может хранить информацию относительно z-index , а также настройки материалов, зеркальность и т. д. Опять же, с помощью этих данных можно моделировать освещение, тени и т. д.
Первые видеоигры, которые использовали псевдо-3D, были в основном аркадными играми , самые ранние известные примеры датируются серединой 1970-х годов, когда они начали использовать микропроцессоры . В 1975 году Taito выпустила Interceptor , [11] ранний шутер от первого лица и симулятор боевых полетов , в котором нужно было пилотировать реактивный истребитель , используя восьмипозиционный джойстик для прицеливания с помощью перекрестия и стрельбы по вражеским самолетам, которые двигались группами по два и увеличивались/уменьшались в размере в зависимости от расстояния до игрока. [12] В 1976 году Sega выпустила Moto-Cross , раннюю черно-белую гоночную видеоигру на мотоциклах , основанную на соревнованиях по мотокроссу , которая была наиболее примечательна введением ранней трехмерной перспективы от третьего лица . [13] Позже в том же году Sega-Gremlin переименовала игру в Fonz , в качестве привязки к популярному ситкому Happy Days . [14] Обе версии игры отображали постоянно меняющуюся дорогу с прокруткой вперед и мотоцикл игрока в перспективе от третьего лица, где объекты, расположенные ближе к игроку, больше тех, что находятся ближе к горизонту, и целью было направить транспортное средство по дороге, гоняясь на время, избегая при этом приближающихся мотоциклов или съезжая с дороги. [13] [14] В том же году также вышли две аркадные игры, которые расширили поджанр вождения автомобилей в трех измерениях с перспективой от первого лица : Road Race от Sega , которая отображала постоянно меняющуюся дорогу с прокруткой вперед в форме буквы S с двумя гоночными автомобилями с препятствиями, движущимися по дороге, которые игрок должен избегать столкновения во время гонки на время, [15] и Night Driver от Atari , которая представляла серию столбов у края дороги, хотя не было никакого вида на дорогу или машину игрока. Игры, использующие векторную графику, имели преимущество в создании псевдо-3D эффектов. Speed Freak 1979 года воссоздала перспективу Night Driver более подробно.
В 1979 году Nintendo дебютировала с Radar Scope , шутером , который представил жанру трехмерную перспективу от третьего лица, которую спустя годы копировали такие шутеры , как Juno First от Konami и Beamrider от Activision . [16] В 1980 году Battlezone от Atari стала прорывом для псевдо-3D-игр, воссоздав трехмерную перспективу с беспрецедентным реализмом, хотя игровой процесс по-прежнему был плоским. В том же году за ней последовал Red Baron , который использовал масштабируемые векторные изображения для создания рельсового шутера с прямой прокруткой .
Аркадный шутер Space Tactics от Sega , выпущенный в 1980 году, позволял игрокам целиться с помощью перекрестия прицела и стрелять лазерами в экран по приближающимся к ним врагам, создавая ранний эффект 3D. [17] За ним последовали другие аркадные шутеры с видом от первого лица в начале 1980-х годов, включая Space Seeker от Taito , выпущенный в 1981 году , [18] и Star Trek от Sega в 1982 году. [19] SubRoc-3D от Sega в 1982 году также имел вид от первого лица и представил использование стереоскопического 3D через специальный окуляр. [20] Astron Belt от Sega в 1983 году была первой видеоигрой на лазерных дисках , в которой использовалось полноэкранное видео для отображения графики от первого лица. [21] В то же время в игровых автоматах также выпускались рельсовые шутеры от третьего лица , включая Tac/Scan от Sega в 1982 году, [22] Ambush от Nippon в 1983 году, [23] Tube Panic от Nichibutsu в 1983 году, [24] и выпущенную Sega в 1982 году Buck Rogers: Planet of Zoom , [25] отличавшуюся быстрым псевдо-3D масштабированием и детализированными спрайтами. [26]
В 1981 году Turbo от Sega стала первой гоночной игрой, в которой использовалось масштабирование спрайтов с полноцветной графикой. [26] Pole Position от Namco — одна из первых гоночных игр, в которой использовался эффект следящей камеры, который теперь так знаком [ требуется ссылка ] . В этом конкретном примере эффект был получен с помощью прокрутки линий — практики прокрутки каждой линии независимо для деформации изображения. В этом случае деформация имитировала бы кривые и рулевое управление. Чтобы дорога казалась движущейся к игроку, использовались построчные изменения цвета, хотя многие консольные версии вместо этого выбирали анимацию палитры .
Zaxxon , шутер, представленный Sega в 1982 году, был первой игрой, в которой использовалась изометрическая аксонометрическая проекция , от которой и произошло его название. Хотя игровое поле Zaxxon семантически трехмерно, в игре есть много ограничений, которые классифицируют ее как 2.5D: фиксированная точка обзора, композиция сцены из спрайтов и движения, такие как выстрелы пуль, ограниченные прямыми линиями вдоль осей. Это также была одна из первых видеоигр, отображающих тени. [27] В следующем году Sega выпустила первый псевдо-3D изометрический платформер , Congo Bongo . [28] Еще одной ранней псевдо-3D платформерной игрой, выпущенной в том же году, была Antarctic Adventure от Konami , в которой игрок управляет пингвином в прокручивающейся вперед перспективе от третьего лица, при этом ему приходится перепрыгивать через ямы и препятствия. [29] [30] [31] Это была одна из самых ранних псевдо-3D игр, доступных на компьютере, выпущенная для MSX в 1983 году. [31] В том же году Moon Patrol от Irem был сайд-скроллинговым платформером -шутером, в котором было введено использование многослойной параллаксной прокрутки для создания псевдо-3D эффекта. [32] В 1985 году Space Harrier представила технологиюSega « Super Scaler », которая позволяла масштабировать псевдо-3D спрайты с высокой частотой кадров , [33] с возможностью масштабировать 32 000 спрайтов и заполнять ими движущийся ландшафт. [34]
Первой оригинальной игрой для домашней консоли, которая использовала псевдо-3D, а также первой, которая использовала несколько углов камеры, отраженных в телевизионных спортивных трансляциях, была Intellivision World Series Baseball (1983) Дона Даглоу и Эдди Домброуэра , изданная Mattel . Ее телевизионный спортивный стиль отображения был позже принят 3D- спортивными играми и теперь используется практически во всех основных командных спортивных играх. В 1984 году Sega портировала несколько псевдо-3D аркадных игр на консоль Sega SG-1000 , включая плавную конверсию псевдо-3D рельсового шутера от третьего лица Buck Rogers: Planet of Zoom . [33]
К 1989 году 2.5D-представления представляли собой поверхности, нарисованные с помощью глубинных меток и являющиеся частью графических библиотек, таких как GINO. [35] 2.5D также использовалось в моделировании рельефа с помощью таких программных пакетов, как ISM от Dynamic Graphics, GEOPAK от Uniras и системы Intergraph DTM. [35] Методы 2.5D-поверхностей приобрели популярность в географическом сообществе из-за своей способности визуализировать нормальное отношение толщины к площади, используемое во многих географических моделях; это отношение было очень малым и отражало тонкость объекта по отношению к его ширине, что делало его реалистичным объектом в определенной плоскости. [35] Эти представления были аксиоматическими в том смысле, что вся подповерхностная область не использовалась или вся область не могла быть реконструирована; поэтому она использовала только поверхность, а поверхность является одним из аспектов, а не полной трехмерной идентичностью. [35]
Конкретный термин «two-and-a-half-D» был использован еще в 1994 году Уорреном Спектором в интервью в североамериканском премьерном выпуске журнала PC Gamer . В то время этот термин понимался как относящийся конкретно к шутерам от первого лица, таким как Wolfenstein 3D и Doom , чтобы отличать их от «истинного» 3D-движка System Shock .
С появлением консолей и компьютерных систем , способных обрабатывать несколько тысяч полигонов (самый базовый элемент 3D-графики ) в секунду, и использованием специализированных графических процессоров 3D , псевдо-3D устарело. Но даже сегодня в производстве находятся компьютерные системы, такие как мобильные телефоны, которые часто недостаточно мощны для отображения настоящей 3D-графики, и поэтому используют псевдо-3D для этой цели. Многие игры из псевдо-3D аркадной эры 1980-х годов и эры 16-битных консолей портированы на эти системы, что дает производителям возможность получать доходы от игр, которым несколько десятилетий.
Возрождение 2.5D или визуального анализа в естественных и геологических науках увеличило роль компьютерных систем в создании пространственной информации в картографии. [1] GVIS сделала реальным поиск неизвестных, взаимодействие с пространственными данными в реальном времени и контроль над отображением карты и уделила особое внимание трехмерным представлениям. [1] Усилия в GVIS были направлены на то, чтобы расширить более высокие измерения и сделать их более видимыми; большинство усилий было сосредоточено на том, чтобы «обмануть» зрение, чтобы оно видело три измерения в 2D-плоскости. [1] Во многом похоже на 2.5D-дисплеи, где поверхность трехмерного объекта представлена, но местоположения внутри твердого тела искажены или недоступны. [1]
Причина использования псевдо-3D вместо "реальной" 3D компьютерной графики заключается в том, что система, которая должна имитировать 3D-графику, недостаточно мощна для обработки интенсивных вычислений 3D компьютерной графики, но способна использовать приемы модификации 2D-графики, такие как растровые изображения . Один из таких приемов — все больше и больше растягивать растровое изображение, тем самым увеличивая его с каждым шагом, чтобы создать эффект приближающегося к игроку объекта.
Даже простое затенение и размер изображения можно считать псевдо-3D, так как затенение делает его более реалистичным. Если бы свет в 2D-игре был 2D, он был бы виден только на контуре, а поскольку контуры часто темные, они были бы не очень четко видны. Однако любое видимое затенение будет указывать на использование псевдо-3D-освещения и на то, что изображение использует псевдо-3D-графику. Изменение размера изображения может привести к тому, что изображение будет казаться приближающимся или отдаляющимся, что можно считать имитацией третьего измерения.
Размеры являются переменными данных и могут быть сопоставлены с определенными локациями в пространстве; 2D-данным можно придать 3D-объем, добавив значение к плоскости x , y или z . «Присвоение высоты 2D-областям топографической карты», связывающее каждую 2D-локацию со значением высоты/высоты, создает 2,5D-проекцию; это не считается «истинным 3D-представлением», однако используется как 3D-визуальное представление для «упрощения визуальной обработки изображений и результирующего пространственного познания».