Grafika komputerowa 3D -3D computer graphics
Trójwymiarowa (3D) grafika komputerowa |
---|
Podstawy |
Podstawowe zastosowania |
powiązane tematy |
Grafika komputerowa 3D , czasami nazywana CGI , 3D-CGI lub trójwymiarową grafiką komputerową (w przeciwieństwie do grafiki komputerowej 2D ), to grafika wykorzystująca trójwymiarową reprezentację danych geometrycznych (często kartezjańskich ), która jest przechowywana w komputerze w celu w celu wykonywania obliczeń i renderowania obrazów 2D . Powstałe obrazy mogą być przechowywane do późniejszego oglądania (ewentualnie jako animacja ) lub wyświetlane w czasie rzeczywistym . W przeciwieństwie do filmu 3D i podobnych technik, rezultat jest dwuwymiarowy, bez złudzenia, że jest solidny.
Grafika komputerowa 3D opiera się na wielu tych samych algorytmach, co komputerowa grafika wektorowa 2D w modelu szkieletowym i komputerowa grafika rastrowa 2D w końcowym renderowanym wyświetlaczu. W oprogramowaniu do grafiki komputerowej aplikacje 2D mogą wykorzystywać techniki 3D do uzyskiwania efektów, takich jak oświetlenie , i podobnie, 3D może wykorzystywać niektóre techniki renderowania 2D.
Obiekty w grafice komputerowej 3D są często nazywane modelami 3D . W przeciwieństwie do renderowanego obrazu dane modelu są zawarte w graficznym pliku danych. Model 3D jest matematyczną reprezentacją dowolnego trójwymiarowego obiektu; model nie jest technicznie grafiką , dopóki nie zostanie wyświetlony. Model może być wyświetlany wizualnie jako dwuwymiarowy obraz w procesie zwanym renderowaniem 3D lub może być wykorzystany w niegraficznych symulacjach komputerowych i obliczeniach. Dzięki drukowaniu 3D modele są renderowane w rzeczywistą fizyczną reprezentację 3D, z pewnymi ograniczeniami co do dokładności modelu fizycznego, który może pasować do modelu wirtualnego.
Historia
Williamowi Fetterowi przypisuje się ukucie terminu grafika komputerowa w 1961 roku, aby opisać swoją pracę w Boeingu . Jednym z pierwszych pokazów animacji komputerowej był Futureworld (1976), który zawierał animację ludzkiej twarzy i ręki, która pierwotnie pojawiła się w eksperymentalnym filmie krótkometrażowym A Computer Animated Hand z 1971 roku, stworzonym przez studentów Uniwersytetu Utah , Edwina Catmulla i Freda Parke . .
Oprogramowanie do grafiki komputerowej 3D zaczęło pojawiać się na komputerach domowych pod koniec lat siedemdziesiątych. Najwcześniejszym znanym przykładem jest 3D Art Graphics , zestaw efektów grafiki komputerowej 3D, napisany przez Kazumasę Mitazawę i wydany w czerwcu 1978 na Apple II .
Przegląd
Proces produkcji grafiki komputerowej 3D dzieli się na trzy podstawowe fazy:
- Modelowanie 3D – proces tworzenia komputerowego modelu kształtu obiektu
- Układ i animacja CGI – rozmieszczenie i ruch obiektów (modeli, świateł itp.) w obrębie sceny
- Renderowanie 3D – obliczenia komputerowe, które na podstawie rozmieszczenia światła, typów powierzchni i innych cech generują (rasteryzują scenę) obraz
Modelowanie
Model opisuje proces formowania kształtu przedmiotu. Dwa najczęstsze źródła modeli 3D to te, które artysta lub inżynier tworzy na komputerze za pomocą pewnego rodzaju narzędzia do modelowania 3D , a modele zeskanowane do komputera z rzeczywistych obiektów (modelowanie wielokątne, modelowanie poprawek i modelowanie NURBS są jednymi z popularnych narzędzia wykorzystywane w modelowaniu 3d). Modele mogą być również tworzone proceduralnie lub poprzez symulację fizyczną . Zasadniczo model 3D składa się z punktów zwanych wierzchołkami, które definiują kształt i tworzą wielokąty . Wielokąt to obszar utworzony z co najmniej trzech wierzchołków (trójkąt). Wielokąt złożony z n punktów to n-kąt. Ogólna integralność modelu i jego przydatność do wykorzystania w animacji zależą od struktury wielokątów.
Układ i animacja
Przed renderowaniem do obrazu, obiekty muszą być ułożone w scenie . Definiuje relacje przestrzenne między obiektami, w tym położenie i rozmiar . Animacja odnosi się do czasowego opisu obiektu (tj. sposobu jego poruszania się i deformacji w czasie. Popularne metody obejmują klatki kluczowe , kinematykę odwrotną i przechwytywanie ruchu ). Techniki te są często używane w połączeniu. Podobnie jak w przypadku animacji, symulacja fizyczna określa również ruch.
Materiały i tekstury
Materiały i tekstury to właściwości używane przez silnik renderowania do renderowania modelu. Można podać materiały modelowe, aby powiedzieć silnikowi renderującemu, jak traktować światło, gdy uderza ono w powierzchnię. Tekstury służą do nadania koloru materiału za pomocą mapy kolorów lub albedo albo do nadawania cech powierzchni za pomocą mapy wypukłości lub mapy normalnych . Można go również wykorzystać do odkształcenia samego modelu za pomocą mapy przemieszczeń .
Wykonanie
Renderowanie przekształca model w obraz, symulując transport światła w celu uzyskania fotorealistycznych obrazów lub stosując styl artystyczny, jak w przypadku renderowania niefotorealistycznego . Dwie podstawowe operacje w realistycznym renderowaniu to transport (ile światła dociera z jednego miejsca do drugiego) i rozpraszanie (jak powierzchnie oddziałują ze światłem). Ten krok jest zwykle wykonywany przy użyciu oprogramowania do grafiki komputerowej 3D lub interfejsu API grafiki 3D . Zmiana sceny do odpowiedniej formy do renderowania obejmuje również projekcję 3D , która wyświetla trójwymiarowy obraz w dwóch wymiarach. Chociaż modelowanie 3D i oprogramowanie CAD mogą również wykonywać renderowanie 3D (np. Autodesk 3ds Max lub Blender ), istnieje również ekskluzywne oprogramowanie do renderowania 3D (np. Octane Rendering Engine firmy OTOY , Redshift firmy Maxon)
Renderowanie 3D z ray tracingiem i ambient occlusion przy użyciu Blendera i YafaRay
Model 3d pancernika klasy Dunkerque z płaskim cieniowaniem
Podczas etapu renderowania 3D liczbę odbić, jakie mogą przyjąć „promienie światła”, a także różne inne atrybuty, można dostosować w celu uzyskania pożądanego efektu wizualnego. Wykonane z kobaltem .
Oprogramowanie
Oprogramowanie do grafiki komputerowej 3D tworzy obrazy generowane komputerowo (CGI) poprzez modelowanie 3D i renderowanie 3D lub tworzy modele 3D do celów analitycznych, naukowych i przemysłowych.
Formaty plików
Istnieje wiele odmian plików obsługujących grafikę 3D, na przykład pliki Wavefront .obj i pliki .x DirectX. Każdy typ pliku zazwyczaj ma swoją własną, unikalną strukturę danych.
Dostęp do każdego formatu pliku można uzyskać za pośrednictwem odpowiednich aplikacji, takich jak pliki DirectX i Quake . Alternatywnie do plików można uzyskać dostęp za pośrednictwem niezależnych programów innych firm lub poprzez ręczną dekompilację.
Modelowanie
Oprogramowanie do modelowania 3D to klasa oprogramowania do grafiki komputerowej 3D używanej do tworzenia modeli 3D. Poszczególne programy tej klasy nazywane są aplikacjami do modelowania lub modelerami.
Modele 3D pozwalają użytkownikom tworzyć i modyfikować modele za pomocą siatki 3D . Użytkownicy mogą dodawać, odejmować, rozciągać i w inny sposób zmieniać siatkę zgodnie z własnymi upodobaniami. Modele można oglądać pod różnymi kątami, zwykle jednocześnie. Modele można obracać, a widok powiększać i pomniejszać.
Modelarze 3D mogą eksportować swoje modele do plików , które następnie mogą być importowane do innych aplikacji, o ile metadane są kompatybilne. Wielu modelarzy umożliwia podłączenie importerów i eksporterów , dzięki czemu mogą odczytywać i zapisywać dane w natywnych formatach innych aplikacji.
Większość modelerów 3D zawiera szereg powiązanych funkcji, takich jak śledzenie promieni i inne alternatywy renderowania oraz funkcje mapowania tekstur . Niektóre zawierają również funkcje, które obsługują lub umożliwiają animację modeli. Niektóre mogą być w stanie wygenerować wideo w pełnym ruchu z serii renderowanych scen (np . animacja ).
Projektowanie wspomagane komputerowo (CAD)
Oprogramowanie do projektowania wspomaganego komputerowo może wykorzystywać te same podstawowe techniki modelowania 3D, których używa oprogramowanie do modelowania 3D, ale ich cel jest inny. Są one wykorzystywane w inżynierii wspomaganej komputerowo , produkcji wspomaganej komputerowo , analizie elementów skończonych , zarządzaniu cyklem życia produktu , drukowaniu 3D i komputerowym wspomaganiu projektowania architektonicznego .
Narzędzia uzupełniające
Po wyprodukowaniu wideo studia edytują lub komponują wideo za pomocą programów takich jak Adobe Premiere Pro lub Final Cut Pro na poziomie średnim lub Autodesk Combustion , Digital Fusion , Shake na poziomie high-end. Oprogramowanie do dopasowywania ruchu jest powszechnie używane do dopasowywania wideo na żywo do wideo generowanego przez komputer, utrzymując synchronizację obu tych elementów podczas ruchu kamery.
Wykorzystanie silników grafiki komputerowej w czasie rzeczywistym do tworzenia produkcji kinowej nazywa się machinima .
Różnice w stosunku do innych rodzajów grafiki komputerowej
Odróżnienie od fotorealistycznej grafiki 2D
Nie wszystkie grafiki komputerowe, które pojawiają się w 3D, są oparte na modelu szkieletowym . Grafika komputerowa 2D z fotorealistycznymi efektami 3D jest często osiągana bez modelowania szkieletowego i czasami jest nie do odróżnienia w ostatecznej formie. Niektóre programy graficzne zawierają filtry, które można zastosować do grafiki wektorowej 2D lub grafiki rastrowej 2D na warstwach przezroczystych. Artyści wizualni mogą również kopiować lub wizualizować efekty 3D i ręcznie renderować fotorealistyczne efekty bez użycia filtrów.
Pseudo 3D i prawdziwe 3D
Niektóre gry wideo wykorzystują ograniczone projekcje środowisk trójwymiarowych, takich jak grafika izometryczna lub wirtualne kamery ze stałymi kątami , jako sposób na poprawę wydajności silnika gry lub ze względów stylistycznych i związanych z rozgrywką. Mówi się, że takie gry wykorzystują grafikę pseudo 3D . Natomiast gry wykorzystujące grafikę komputerową 3D bez takich ograniczeń mają używać prawdziwego 3D .
Zobacz też
- Słowniczek grafiki komputerowej
- Porównanie oprogramowania do grafiki komputerowej 3D
- Procesor graficzny (GPU)
- Graficzne urządzenia wyjściowe
- Lista oprogramowania do grafiki komputerowej 3D
- Lista oprogramowania do modelowania 3D
- Lista oprogramowania do renderowania 3D
- Grafika komputerowa w czasie rzeczywistym
- Odbicie (grafika komputerowa)
- Renderowanie (grafika komputerowa)
Obszary zastosowania
- Akwizycja danych 3D i rekonstrukcja obiektów
- Kontroler ruchu 3D
- Projekcja 3D na płaszczyznach 2D
- rekonstrukcja 3D
- Rekonstrukcja 3D z wielu obrazów
- Anaglif 3D
- Cieniowanie cel
- Animacja komputerowa
- Wizja komputerowa
- Geometria cyfrowa
- Cyfrowe przetwarzanie obrazu
- Narzędzie do tworzenia gier
- Silnik gry
- Rurociągi geometryczne
- Przetwarzanie geometrii
- Grafika
- Grafika izometryczna w grach wideo i pixel art
- Edytor poziomów
- Lista stereoskopowych gier wideo
- Animacja medyczna
- Renderuj farmę
- SIGGRAF
- Stereoskopia
- Kalendarium animacji komputerowej w filmie i telewizji
- Grafika do gier wideo
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Krytyczna historia grafiki komputerowej i animacji ( kopia Wayback Machine )
- Jak działa — grafika 3D
- Seria artykułów Historia Grafiki Komputerowej (kopia Wayback Machine)
- Jak działa 3D — wyjaśnia modelowanie 3D dla oświetlonego rękopisu