Grafika trójwymiarowa
listopad 5th, 2008Ten produkt dotyczy dziedziny grafiki komputerowej. Zobacz również: inne znaczenia tego skrótu.
Grafika 3D (grafika trójwymiarowa) – imię jednej z dziedzin grafiki komputerowej, zajmującej się głównie wizualizacją obiektów trójwymiarowych. Określenie pochodzi od angielskiego sformułowania Three-Dimensional Graphics.
Spis treści
//
Geometria
Geometria obiektów trójwymiarowych być może być reprezentowana na parę sposobów:
- Siatka wielokątów – cel jest budowany z płaskich wielokątów (zwykle trójkątów albo czworokątów), które mają wspólne wierzchołki i krawędzie. W ów metoda wolno sporządzać proste bryły, bądź – o ile reklamówka jest wystarczająco gęsta – porządnie zbliżać skomplikowane obiekty.
- Voxele (woksele) – cel jest budowany z elementarnych sześcianów (trójwymiarowych pikseli). Tego rodzaju delegacja jest rozpowszechniona wyjątkowo w diagnostyce medycznej, dokąd uzyskuje się sekwencja przekrojów (obrazów bitmapowych) ciała pacjenta i na ich podstawie tworzy trójwymiarowe modele.
- Opis matematyczny – obiekty są określone równaniami. Mogą to być np. kule, płaszczyzny, i wyjątkowo użyteczne i uniwersalnie stosowane powierzchnie parametryczne (płaty powierzchni), np. powierzchnie Béziera, Hermite’a to znaczy NURBS. Istnieją programy, które swoje działalność opierają głównie o tylko taki modus modelowania, przelecieć do nich wolno np. POV-Ray.
Dane trójwymiarowe mogą stać się pobrane ze świata rzeczywistego, np. za pomocą wspomnianych tomografów komputerowych, skanerów trójwymiarowych, ze zdjęć satelitarnych (topografia terenów) a ponadto ze zdjęć stereoskopowych. W animacji komputerowej wykorzystywana jest również sprawność motion capture, która polega na nagrywaniu ruchu człowieka – czujniki położenia umieszczane są w kluczowych punktach ciała: na rękach, nogach, głowie, karku itp. Wyznaczenie nagranych w ów strategia ruchów na sztuczne postacie nadaje ich ruchom niewinność, trudną do uzyskania klasycznymi metodami animacji.
Obiekty trójwymiarowe mogą również stać się stworzone przez człowieka w procesie modelowania.
Duże waga mają także techniki komputerowe, które automatycznie modelują skomplikowane efekty (takie jakim sposobem dym, pożoga, białe, mnóstwo) i obiekty (chmury, góry, drzewa).
Wizualizacja
Ponieważ w tej chwili wszystkie urządzenia komputerowe wyświetlają dwuwymiarowe obrazy, skutkiem tego z grafiką trójwymiarową związana jest bez owijania w bawełnę geometria wykreślna. Głównie w zastosowaniach inżynierskich (CAD) sceny trójwymiarowe przedstawione są w rzucie prostokątnym, jakkolwiek w pozostałych w rzucie perspektywicznym.
Efekty poglądowy rzutu perspektywicznego (skrót perspektywiczny) jest ogromnie zbliżony duchem do efektów obserwowanych w fotografii zaś w systemie wzrokowym człowieka. Przez analogię do aparatu fotograficznego (ewentualnie kamery), w grafice trójwymiarowej istnieje termin wirtualnej kamery, która tworzy “zwolnienie” sceny istniejącej w pamięci komputera. Kamerę wirtualną charakteryzują następujące parametry: punkt, tendencja w jakim jest skierowana zaś ogniskowa – mają one swoje wyraz w matematycznym modelu kamery.
Obrazy trójwymiarowe są tworzone głównie w technice rastrowej, wektorowo przedstawia się co maksimum obrysy, szkice itp.
Głównym problemem w obu przypadkach jest wyznaczanie powierzchni widocznych, a tym samym dobór tych obiektów (albo ich części), które są widoczne w danym rzucie. Robi się to np. za pomocą bufora Z, sortowania względem głębokości, śledzenia promieni.
Ponadto najczęściej obserwujemy delikatny kawałek sceny, a także pyskówka prawdopodobnie montować się z wielkiej liczby obiektów (sięgającej co więcej setek milionów), w związku z tym równie grunt jest epitet, które obiekty mogą być widoczne, ażeby produkować dopiero co te dane, które istotnie są potrzebne. Zobacz: wykorzenianie niewidocznych powierzchni.
Realizm
Odbicie i załamanie światła, miękkie cienie
Rozpraszanie światła wobec powierzchnią obiektu (ang. subsurface scattering)
Realizm obrazów generowanych przez mózg elektronowy jest w większości zastosowań niezwykle ważny. żeby go dochrapać się modeluje się oświetlenie: definiuje światła, powierzchniom obiektów trójwymiarowych nadaje odcień i fakturę, określa cienie rzucane przez obiekty, odbicia zwierciadlane, załamanie i rozpraszanie światła itd., itp.
Metody, które pozwalają na ogromnie dokładne reprezentacja scen trójwymiarowych są również niezmiernie kosztowne obliczeniowo (np. raytracing, radiosity). Z kolei szybkie, przybliżone metody cieniowania obiektów, tworzenia cieni, sparować zwierciadlanych są z powodzeniem wykorzystywane w grach komputerowych. Ogromnie popularną techniką uzyskiwania realizmu w scenie jest obliczanie oświetlenia na każdy punkt z osobna. Jest to działanie kosztowna obliczeniowo, niemniej jednak podziękowanie wspomaganiu sprzętowemu (Pixel Shader) możliwa do uzyskania animacji w czasie rzeczywistym .
W przypadku animacji grunt jest również by postępowanie obiektów, był możliwie w największym stopniu uśredniony do zachowania przedmiotów w świecie rzeczywistym.
Sprzęt
Współczesne karty graficzne potrafią demaskować obiekty trójwymiarowe zbudowane z wielokątów, wykonując dużą część obliczeń związanych z generowaniem grafiki 3D:
- przekształcenia geometryczne (takie w jaki sposób piruet, skalowanie, projekcja perspektywiczne)
- cieniowanie wielokątów
- proste modele oświetlenia
- teksturowanie wielokątów
- mapy nierówności (tj. Bump Mapping, Normal Mapping)
Współczesne GPU pozwalają podziękowanie shaderom oprogramować faktycznie dowolne efekty, zarówno na poziomie wierzchołków jakże i pojedynczych pikseli.
Oprogramowanie
Do tworzenia grafiki 3D zostało stworzonych bez liku programów na różne platformy sprzętowe i systemy operacyjne. średnio programy te dzieli się na modelery (generowanie i analizowanie scen trójwymiarowych) tudzież renderery (tworzenie trójwymiarowego obrazu ewentualnie animacji, wspólnie z nakładaniem tekstur, efektami świetlnymi, itp.).
Niektóre w wyższym stopniu znane programy tego rodzaju to:
- Bryce
- 3D Pracownia Max
- Amapi 3D
- Anim8or
- ArchiCAD
- Blender
- Cinema 4D
- Houdini
- LightWave
- Maya
- Poser
- POV-Ray
- Rhinoceros
- SOFTIMAGE|XSI
- Solid Edge
- Terragen
- Truespace
- Zmodeler 3d
Istnieją również specjalizowane biblioteki programistyczne służące do tworzenia interakcyjnej grafiki 3D. W największym stopniu znane to OpenGL i DirectX.
Szczegółowe pojęcia
- modelowanie
- polygon
- SubPatches
- siatka
- mapa UV
- subdivision surfaces
- box modeling
- wierzchołek (vertex)
- teksturowanie
- mapowanie
- tekstura proceduralna
- image map
- materiał
- shader
- titling
- rigging
- bone
- łańcuch kinematyczny
- kinematyka odwrotna (IK)
- weight map
- animowanie
- klatka kluczowa
- ścieżka
- motion control
- frame rate
- oświetlenie
- światło wolumetryczne
- global illumination
- caustics
- shadow map
- flara
- cieniowanie płaskie
- cieniowanie Gourauda
- cieniowanie Phonga
- HDR (High Dynamic Range)
- rendering
- renderer
- scanline
- radiosity
- ray tracing
- fotorealizm
