3D компьютерная графика , иногда называемая CGI , 3-D-CGI или трехмерная компьютерная графика , представляет собой графику , которая использует трехмерное представление геометрических данных (часто декартовых ), которые хранятся в компьютере для целей выполнения вычислений и рендеринга цифровых изображений , обычно 2D изображений , но иногда и 3D изображений . Полученные изображения могут быть сохранены для просмотра позже (возможно , как анимация ) или отображаться в реальном времени .
3-D компьютерная графика, вопреки названию, чаще всего отображается на двухмерных дисплеях. В отличие от 3-D фильмов и подобных технологий, результат получается двухмерным, без визуальной глубины . Чаще всего 3-D графика отображается на 3-D дисплеях , как в системах виртуальной реальности .
3D-графика отличается от 2D-компьютерной графики , которая обычно использует 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 для компьютерной графики 2-D приложения могут использовать 3-D методы для достижения таких эффектов, как освещение , и аналогично 3-D может использовать некоторые 2-D методы визуализации.
Объекты в 3D компьютерной графике часто называют 3D моделями . В отличие от визуализированного изображения, данные модели содержатся в графическом файле данных. 3D модель — это математическое представление любого трехмерного объекта; модель технически не является графикой , пока она не отображается. Модель может быть визуально отображена как двухмерное изображение с помощью процесса, называемого 3D визуализацией , или ее можно использовать в неграфических компьютерных симуляциях и расчетах. С помощью 3D печати модели визуализируются в фактическое 3D физическое представление самих себя, с некоторыми ограничениями относительно того, насколько точно физическая модель может соответствовать виртуальной модели. [1]
Уильяму Феттеру приписывают создание 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 программой Sketchpad в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института . [4] Одним из первых проявлений компьютерной анимации был фильм 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 Кэтмеллом и Фредом Парке . [5]
Программное обеспечение для 3D-графики начало появляться для домашних компьютеров в конце 1970-х годов. Самый ранний известный пример — 3D Art Graphics , набор 3D-графических эффектов, написанный Казумасой Митадзавой и выпущенный в июне 1978 года для Apple II . [6] [7]
Рабочий процесс производства трехмерной компьютерной графики делится на три основных этапа:
Модель описывает процесс формирования формы объекта. Два наиболее распространенных источника 3D-моделей — это модели, которые художник или инженер создает на компьютере с помощью какого-либо инструмента 3D-моделирования , и модели, сканированные на компьютере с объектов реального мира (полигональное моделирование, патч-моделирование и NURBS-моделирование — некоторые популярные инструменты, используемые в 3D-моделировании). Модели также могут быть созданы процедурно или с помощью физического моделирования . В основном, 3D-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 — это n-угольник. [8] Общая целостность модели и ее пригодность для использования в анимации зависят от структуры многоугольников.
Перед рендерингом в изображение объекты должны быть размещены в 3D-сцене . Это определяет пространственные отношения между объектами, включая местоположение и размер . Анимация относится к временному описанию объекта (т. е. как он движется и деформируется с течением времени. Популярные методы включают в себя ключевые кадры , обратную 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 движок рендеринга использует для рендеринга модели. Можно задать материалы модели, чтобы сообщить движку рендеринга, как обрабатывать свет, когда он попадает на поверхность. Текстуры используются для придания материалу цвета 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 в нефотореалистичном рендеринге . Две основные операции в реалистичном рендеринге — 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 трехмерной компьютерной графики или API трехмерной графики . Изменение сцены в подходящую для рендеринга форму также включает в себя трехмерную проекцию , которая отображает трехмерное изображение в двух измерениях. Хотя трехмерное моделирование и программное обеспечение САПР также могут выполнять трехмерный рендеринг (например, Autodesk 3ds Max или Blender ), также существует эксклюзивное программное обеспечение для трехмерного рендеринга (например, Octane Rendering Engine от OTOY , Redshift от Maxon)
Программное обеспечение для трехмерной компьютерной графики создает компьютерные изображения (CGI) посредством трехмерного моделирования и трехмерной визуализации или создает трехмерные модели для аналитических, научных и промышленных целей.
Существует множество разновидностей файлов, поддерживающих 3D-графику, например, файлы Wavefront .obj и файлы .x DirectX. Каждый тип файла обычно имеет свою собственную уникальную структуру данных.
Каждый формат файла может быть доступен через соответствующие приложения, такие как файлы DirectX и Quake . В качестве альтернативы, файлы могут быть доступны через сторонние автономные программы или через ручную декомпиляцию.
Программное обеспечение для 3-D моделирования — это класс программного обеспечения для 3-D компьютерной графики, используемого для создания 3-D моделей. Отдельные программы этого класса называются приложениями для моделирования или моделлерами.
3-D моделирование начинается с описания 3 моделей отображения: точек рисования, линий рисования и треугольников рисования и других полигональных участков. [9]
3-D-моделеры позволяют пользователям создавать и изменять модели с помощью их 3-D -сетки . Пользователи могут добавлять, вычитать, растягивать и иным образом изменять сетку по своему желанию. Модели можно просматривать с разных углов, обычно одновременно. Модели можно вращать, а вид можно увеличивать и уменьшать.
3D-моделировщики могут экспортировать свои модели в файлы , которые затем можно импортировать в другие приложения , если метаданные совместимы. Многие моделировщики позволяют подключать импортеры и экспортеры , чтобы они могли читать и записывать данные в собственных форматах других приложений.
Большинство 3D-моделеров содержат ряд связанных функций, таких как трассировщики лучей и другие альтернативы рендеринга и возможности текстурного картирования . Некоторые также содержат функции, которые поддерживают или позволяют анимацию моделей. Некоторые могут быть способны генерировать полномасштабное видео из серии визуализированных сцен (т. е. анимацию ).
Программное обеспечение для автоматизированного проектирования может использовать те же фундаментальные методы 3D-моделирования, что и программное обеспечение для 3D-моделирования, но их цель отличается. Они используются в автоматизированном проектировании , автоматизированном производстве , конечно-элементном анализе , управлении жизненным циклом продукта , 3D-печати и автоматизированном архитектурном проектировании .
После создания видео студии редактируют 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, синхронизируя их при движении камеры.
Использование движков компьютерной графики в реальном времени для создания кинематографической продукции называется машинима . [10]
Не вся компьютерная графика, которая выглядит 3D, основана на каркасной модели . 2D компьютерная графика с 3D фотореалистичными эффектами часто достигается без каркасного моделирования и иногда неразличима в окончательном виде. Некоторые графические программы включают фильтры, которые можно применять к 2D векторной графике или 2D растровой графике на прозрачных слоях. Художники также могут копировать или визуализировать 3D эффекты и вручную визуализировать фотореалистичные эффекты без использования фильтров.
Некоторые видеоигры используют 2.5D графику, включающую ограниченные проекции трехмерных сред, такие как изометрическая графика или виртуальные камеры с фиксированными углами , либо как способ улучшить производительность игрового движка , либо для стилистических и игровых проблем. Напротив, игры, использующие 3D компьютерную графику без таких ограничений, как говорят [ кем? ], используют настоящее 3D.
Области применения
[1]
