Co je 3D grafika. Jiné typy počítačové grafiky. Fáze vytváření trojrozměrného obrazu

Otázka, co je motorem celého počítačového průmyslu, dlouho trápí mnoho uživatelů. Nebo je to Intel, který bez přestání vydává a vydává nové procesory. Ale kdo je pak nutí kupovat? Možná za všechno může Microsoft, který svá okna neustále zvětšuje a zkrášluje? Ne, můžete se spokojit se starými verzemi programů - zejména proto, že rozsah jejich schopností se prakticky nemění. Závěr se napovídá – za všechno mohou hry. Ano, právě hry se stále více podobají skutečnému světu, vytvářejí jeho virtuální kopii, chtějí stále výkonnější zdroje.

Celá historie počítačové grafiky na PC je toho důkazem. Pamatujte, že na začátku byli Tetris, Diggers, Arkanoids. Veškerá grafika se skládala z překreslování malých oblastí obrazovky, skřítků a fungovala dobře i na XT. Ale ty dny minuly. Simulační hvězda vystoupila.

S vydáním her jako F19, Formule 1 atd., ve kterých jsme museli překreslit celou obrazovku, předem ji připravit v paměti, jsme všichni museli získat alespoň 286 procesorů. Tím se ale pokrok nezastavil. Touha připodobnit virtuální svět ve hře ke skutečnému zesílila a Wolf 3D byl na světě.

Dalo by se říci, že jde o první 3D hru, ve které byl modelován jakýsi, ale stále realistický svět. K jeho implementaci jsme museli použít horní (více než 640 KB) paměť a uvést program do chráněného režimu. Pro plnohodnotnou hru jsem musel osadit procesor 80386. Nedostatky ale trpěl i svět Wolf 3D. Přestože stěny nebyly jen plné obdélníky, byly vyplněny texturami s nízkým rozlišením, takže povrchy vypadaly decentně jen z dálky. Samozřejmě se dalo jít cestou zvyšování rozlišení textur, vzpomeňte si třeba na DOOM. Poté jsme museli přejít zpět na novější procesor a zvětšit množství paměti. Pravda, nevadí, obraz se sice zlepšil, ale všechny stejné nedostatky mu byly vlastní. Ano, a ploché předměty a monstra - koho to zajímá. A pak se zvedla hvězda Quake. V této hře byl uplatněn revoluční přístup – z-buffer, který umožnil dát objem všem objektům. Celá hra však stále fungovala v nízkém rozlišení a nebyla příliš realistická.

Připravovalo se nové hardwarové řešení. A toto řešení se ukázalo jako obecně ležící na povrchu. Protože uživatelé chtějí hrát v trojrozměrném virtuálním světě, proces jeho tvorby (vzpomeňte si na minuty čekání strávené ve 3D Studiu, než se objeví další obrázek) musí být drasticky urychlen. A protože centrální procesor se s tímto úkolem vyrovnává velmi špatně, došlo k revolučnímu rozhodnutí - udělat specializovaný.

A pak vystoupil výrobce hracích automatů 3Dfx, který tuto pohádku uskutečnil pomocí svého Voodoo GPU. Lidstvo udělalo další krok do virtuálního světa.

A protože na PC není žádný operační systém s texturovanými okny plujícími zpět do mlhy a ani se to nepředpokládá, lze celý 3D grafický aparát aplikovat pouze na hry, což úspěšně dělá celé civilizované lidstvo.

Modelka

K zobrazení trojrozměrných objektů na obrazovce monitoru je zapotřebí série procesů (obvykle nazývaných potrubí), po nichž následuje převedení výsledku do dvourozměrného zobrazení. Zpočátku je objekt reprezentován jako sada bodů nebo souřadnic v trojrozměrném prostoru. Trojrozměrný souřadnicový systém je definován třemi osami: horizontální, vertikální a hloubkou, běžně označované jako osy x, y, resp. Objektem může být dům, osoba, auto, letadlo nebo celý 3D svět a souřadnice určují polohu vrcholů (uzlových bodů), které tvoří objekt v prostoru. Spojením vrcholů objektu čarami získáme drátěný model, kterému se říká proto, že jsou viditelné pouze hrany povrchů trojrozměrného tělesa. Drátěný model definuje oblasti, které tvoří povrch objektu, který lze vyplnit barvou, texturami a osvětlit světelnými paprsky.

Rýže. 1: Kostka drátěný model

I s tímto zjednodušeným vysvětlením 3D grafického potrubí je jasné, kolik výpočtů je potřeba k nakreslení 3D objektu na 2D obrazovce. Lze si představit, jak moc se množství požadovaných výpočtů v souřadnicovém systému zvýší, pokud se objekt pohne.

Rýže. 2: Model letadla se stínovanými plochami

Role API

Aplikační programovatelné rozhraní (API) se skládá z funkcí, které řídí 3D potrubí v softwaru, ale mohou využívat výhod implementace 3D hardwaru, pokud je k dispozici. Pokud existuje hardwarový akcelerátor, API jej využívá, pokud ne, pak API pracuje s optimálním nastavením určeným pro nejběžnější systémy. Díky použití API tak může být libovolný počet softwarových nástrojů podporován libovolným počtem hardwarových 3D akcelerátorů.

Pro obecné a zábavní aplikace existují následující API:

• Microsoft Direct3D
• Criterion Renderware
• Argonaut BRender
• Intel 3DR

U profesionálních aplikací běžících pod WindowsNT dominuje rozhraní OpenGL. Autodesk, největší výrobce inženýrských aplikací, vyvinul vlastní API s názvem Heidi.
Společnosti jako Intergraph - RenderGL a 3DFX - GLide také vyvinuly svá API.

Existence a dostupnost 3D rozhraní, která podporují více grafických subsystémů a aplikací, zvyšuje potřebu hardwarových akcelerátorů 3D grafiky v reálném čase. Zábavní aplikace jsou hlavním spotřebitelem a zákazníkem takových akcelerátorů, ale nezapomínejte ani na profesionální aplikace pro zpracování 3D grafiky běžící pod Windows NT, z nichž mnohé jsou přeneseny z vysoce výkonných pracovních stanic, jako je Silicon Graphics, na platformu PC. Internetové aplikace budou velmi těžit z neuvěřitelné svižnosti, intuitivnosti a flexibility, kterou 3D GUI poskytuje. Interakce na World Wide Web bude mnohem jednodušší a pohodlnější, pokud bude probíhat v trojrozměrném prostoru.

grafický akcelerátor

Trh s grafickými subsystémy před příchodem konceptu multimédia bylo relativně snadné vyvinout. Důležitým milníkem ve vývoji byl standard VGA (Video graphics Array), vyvinutý společností IBM v roce 1987, díky němuž mohli výrobci video adaptérů používat vyšší rozlišení (640x480) a větší barevnou hloubku na monitoru počítače. S rostoucí popularitou operačního systému Windows je naléhavá potřeba hardwarových akcelerátorů 2D grafiky, které by odlehčily centrálnímu procesoru systému, který je nucen zpracovávat další události. Rozptylování CPU pro zpracování grafiky výrazně ovlivňuje celkový výkon GUI (Graphical User Interface) - grafického uživatelského rozhraní, a protože operační systém Windows a jeho aplikace vyžadují co nejvíce zdrojů CPU, bylo zpracování grafiky prováděno s nižší priorita, tj. provedeno velmi pomalu. Výrobci do svých produktů přidali funkce pro zpracování 2D grafiky, jako jsou okna pro kreslení při otevření a minimalizaci, hardwarový kurzor, který je neustále viditelný při pohybu ukazatele, a malování oblastí na obrazovce při vysoké frekvenci obnovování obrazu. Vznikl tedy procesor zajišťující akceleraci VGA (Accelerated VGA - AVGA), známý také jako Windows nebo GUI akcelerátor, který se stal nezbytným prvkem moderních počítačů.

Zavedení multimédií přineslo nové výzvy přidáním komponent, jako je zvuk a digitální video do sady funkcí 2D grafiky. Dnes je snadné vidět, že mnoho produktů AVGA podporuje digitální zpracování videa v hardwaru. Pokud tedy váš monitor přehrává video v okně velikosti poštovní známky – je čas nainstalovat do vašeho počítače multimediální akcelerátor. Multimediální akcelerátor (multimediální akcelerátor) má obvykle vestavěné hardwarové funkce, které vám umožňují škálovat obraz videa podél os x a y a také hardwarově převádět digitální signál na analogový pro výstup na monitor ve formátu RGB. Některé multimediální akcelerátory mohou mít také vestavěné funkce dekomprese digitálního videa.

Grafici musí své požadavky založit částečně na velikosti monitoru počítače, částečně na GUI a částečně na GPU. Primární VGA standard s rozlišením 640x480 pixelů byl adekvátní pro tehdy nejběžnější 14" monitory. Dnes jsou nejpreferovanější monitory s úhlopříčkou tubusu 17" kvůli schopnosti zobrazovat obraz s rozlišením 1024x768 nebo více.

Hlavním trendem přechodu od VGA k multimediálním akcelerátorům byla možnost vměstnat na monitor počítače co nejvíce obrazových informací. Logickým vývojem tohoto trendu je využití 3D grafiky. Obrovské množství vizuálních informací lze vtěsnat do omezeného prostoru obrazovky monitoru, pokud jsou prezentovány ve 3D. Zpracování trojrozměrné grafiky v reálném čase umožňuje uživateli snadno ovládat prezentovaná data.

Herní motory

První pravidlo počítačových her je, že neexistují žádná pravidla. Vývojáři her se tradičně zajímají spíše o skvělou grafiku ve svých programech, než aby se řídili radami techniků. Zatímco vývojáři mají k dispozici mnoho 3D API, jako je Direct3D, někteří programátoři jdou cestou vytvoření vlastního 3D herního rozhraní nebo enginu. Proprietární herní enginy jsou pro vývojáře jedním ze způsobů, jak dosáhnout neuvěřitelného vizuálního realismu, ve skutečnosti až na hranici grafického programování.

Pro vývojáře není nic žádoucího, než mít přímý přístup k hardwarovým funkcím systémových komponent. Několik známých vývojářů vytvořilo vlastní herní enginy běžící s optimálním využitím grafických hardwarových akcelerátorů, které jim přinesly slávu a peníze. Například enginy Interplay pro Descent II a id Software pro Quake poskytují skutečnou 3D akci s využitím plných 3D hardwarových funkcí, pokud jsou k dispozici.

Grafika bez kompromisů

Rozhovory, které se vedou již delší dobu o perspektivách využití 3D grafiky v oblastech, jako je zábava a podnikání, rozdmýchaly zájem potenciálních uživatelů na maximum a na trhu se již objevil nový typ produktu. Tato nová technologická řešení kombinují vynikající podporu 2D grafiky pro dnešní požadavky akcelerátoru Windows, hardwarovou podporu funkcí 3D grafiky a přehrávání digitálního videa při požadované snímkové frekvenci.
V zásadě lze tyto produkty bezpečně připsat nové generaci grafických subsystémů, které poskytují grafiku bez kompromisů a zaujímají důstojné místo standardního vybavení v systémech stolních počítačů.
Mezi zástupci nové generace lze jako příklad uvést následující produkty:

• procesor Jízdenka společnosti Vizuální technologie číslo devět
• řady procesorů ViRGE společnosti Společnost S3 Inc.
• procesor RIVA128, vyvinuté společně společnostmi SGS Thomson A nVidia

Technologie 3D grafiky

Ještě nás přesvědčíme, abyste si vyzkoušeli 3D grafiku v akci (pokud jste tak ještě neučinili), a rozhodnete se zahrát si některou z 3D her určených pro použití 3D grafické karty.
Řekněme, že takovou hrou je simulátor automobilových závodů a vaše auto je již na začátku, připraveno spěchat, aby dobylo nové rekordy. Je zde předstartovní odpočítávání a vy si všimnete, že pohled z kokpitu zobrazený na obrazovce monitoru se mírně liší od toho, na co jste zvyklí.
Už jste se takových závodů účastnili, ale poprvé vás obraz zasáhne výjimečnou realističností a nutí vás věřit v realitu toho, co se děje. Horizont se spolu se vzdálenými předměty noří do ranní mlhy. Cesta vypadá nezvykle hladce, asfalt není sada špinavých šedých čtverců, ale monochromatický chodník s naneseným dopravním značením. Stromy podél cesty mají skutečně listnaté koruny, ve kterých jsou patrné jednotlivé listy. Z celé obrazovky jako celku má člověk dojem kvalitní fotografie s reálnou perspektivou a ne jako ubohý pokus o simulaci reality.

Pokusme se zjistit, jaká technická řešení umožňují 3D grafickým kartám zprostředkovat virtuální realitu s takovým realismem. Jak se vizuálním nástrojům PC podařilo dostat na úroveň profesionálních studií zabývajících se trojrozměrnou grafikou.

Část výpočetních operací spojených se zobrazením a modelováním trojrozměrného světa je nyní přenesena do 3D akcelerátoru, který je srdcem 3D grafické karty. Centrální procesor nyní prakticky není zaneprázdněn problémy se zobrazením, obraz obrazovky tvoří grafická karta. Tento proces je založen na implementaci řady efektů na hardwarové úrovni a také na použití jednoduchého matematického aparátu. Zkusme přijít na to, co přesně umí 3D grafický procesor.

Vrátíme-li se k našemu příkladu závodního simulátoru, zamysleme se nad tím, jak je dosaženo realistického zobrazení povrchů vozovek nebo budov stojících na kraji vozovky. To se provádí pomocí běžné techniky zvané mapování textur.
Toto je nejběžnější efekt pro modelování povrchu. Například fasáda budovy by vyžadovala více ploch pro modelování více cihel, oken a dveří. Textura (obraz překrývající celý povrch najednou) však poskytuje více realismu, ale vyžaduje méně výpočetních zdrojů, protože umožňuje pracovat s celou fasádou jako s jedním povrchem. Než povrchy dopadnou na obrazovku, jsou texturované a stínované. Všechny textury jsou uloženy v paměti, obvykle nainstalované na grafické kartě. Mimochodem, zde si nelze nevšimnout, že použití AGP umožňuje ukládat textury do systémové paměti a její objem je mnohem větší.

Je zřejmé, že když jsou povrchy texturované, je třeba vzít v úvahu perspektivu, například při zobrazení silnice s mediánem přesahujícím horizont. Korekce perspektivy je nezbytná, aby texturované objekty vypadaly správně. Zajišťuje, že bitmapa správně překrývá různé části objektu – jak ty, které jsou blíže k pozorovateli, tak ty, které jsou vzdálenější.
Korekce perspektivy je velmi zdlouhavá operace, takže se často setkáte s ne zcela správnou implementací.

Při nanášení textur v zásadě vidíte také švy mezi dvěma nejbližšími bitmapami. Nebo častěji v některých hrách při zobrazování silnice nebo dlouhých koridorů je při pohybu patrné blikání. K překonání těchto potíží se používá filtrování (obvykle bi- nebo tri-lineární).

Bilineární filtrování je metoda odstraňování zkreslení obrazu. Když se objekt otáčí nebo se pohybuje pomalu, mohou pixely přeskakovat z jednoho místa na druhé, což způsobuje blikání. Ke snížení tohoto efektu používá bilineární filtrování vážený průměr čtyř sousedních pixelů textury k zobrazení bodu povrchu.

Trilineární filtrování je poněkud složitější. Pro získání každého pixelu obrázku se vezme vážený průměr výsledků dvou úrovní bilineárního filtrování. Výsledný obraz bude ještě jasnější a méně bliká.

Textury, které tvoří povrch objektu, mění svůj vzhled v závislosti na změně vzdálenosti od objektu k poloze očí diváka. Například v pohyblivém obrázku, když se objekt vzdaluje od diváka, velikost bitmapy textury by se měla zmenšovat spolu s velikostí vykresleného objektu. Aby bylo možné tuto transformaci provést, GPU převede bitmapy textury dolů na vhodnou velikost, aby pokryly povrch objektu, ale obraz musí zůstat přirozený, tzn. předmět se nesmí nečekaně deformovat.

Aby se předešlo neočekávaným změnám, většina procesů správy grafiky vytváří sérii předfiltrovaných texturových bitmap se sníženým rozlišením, což je proces zvaný mip mapping . Poté grafický program automaticky určí, kterou texturu použít, na základě podrobností již zobrazeného obrázku. Pokud se tedy objekt zmenší, zmenší se také velikost jeho bitmapy textury.

Ale zpět k našemu závodnímu autu. Samotná silnice již vypadá realisticky, ale problémy jsou pozorovány na jejích okrajích! Pamatujte, jak vypadá čára nakreslená na obrazovce, která není rovnoběžná s jejím okrajem. Tady i u naší silnice jsou "roztrhané okraje". A k boji proti této nevýhodě se používá obrázek.

Jedná se o způsob zpracování (interpolace) pixelů pro získání ostřejších hran (ohraničení) obrázku (objektu). Nejčastěji používanou technikou je vytvoření hladkého přechodu z barvy čáry nebo okraje k barvě pozadí. Barva bodu ležícího na hranici objektů je určena jako průměr barev dvou hraničních bodů. V některých případech je však vedlejším efektem vyhlazování rozmazání hran.

Blížíme se ke klíčovému bodu fungování všech 3D algoritmů. Předpokládejme, že trať, po které naše závodní auto jede, je obklopena velkým množstvím různých objektů – budovami, stromy, lidmi.
Zde je hlavním problémem 3D procesoru, jak určit, které z objektů jsou v zorném poli a jak jsou osvětleny. Navíc vědět, co je momentálně vidět, nestačí. Je nutné mít informace o vzájemné poloze objektů. K vyřešení tohoto problému se používá technika zvaná z-buffering. Toto je nejspolehlivější metoda pro odstranění skrytých povrchů. Takzvaný z-buffer ukládá hodnoty hloubky všech pixelů (souřadnic z). Když se vypočítá (renderuje) nový pixel, jeho hloubka se porovná s hodnotami uloženými v z-bufferu a konkrétněji s hloubkami již vykreslených pixelů se stejnými souřadnicemi x a y. Pokud má nový pixel hodnotu hloubky větší než jakákoli hodnota v z-bufferu, nový pixel se nezapíše do vyrovnávací paměti zobrazení, pokud je menší, než je.

Z-buffering v hardwarové implementaci výrazně zvyšuje výkon. Z-buffer však zabírá velké množství paměti: například i při rozlišení 640x480 zabere 24bitový z-buffer asi 900 KB. Tato paměť musí být také nainstalována na 3D grafické kartě.

Rozlišení z-bufferu je jeho nejdůležitějším atributem. Je rozhodující pro vysoce kvalitní zobrazení scén s velkou hloubkou. Čím vyšší rozlišení, tím vyšší diskrétnost z-souřadnic a přesnější vykreslení vzdálených objektů. Pokud při vykreslování není dostatečné rozlišení, může se stát, že dva překrývající se objekty dostanou stejnou z-souřadnici, v důsledku toho zařízení nebude vědět, který objekt je blíže pozorovateli, což může způsobit zkreslení obrazu.
Aby se těmto efektům zabránilo, mají profesionální desky 32bitový z-buffer a jsou vybaveny velkým množstvím paměti.

Kromě výše uvedených základů mají 3D grafické karty obvykle možnost hrát některé další funkce. Pokud byste například vjeli se závodním autem do písku, výhledu by bránil stoupající prach. K realizaci těchto a podobných efektů se používá mlžení. Tento efekt je vytvořen kombinací prolnutých počítačových barevných pixelů s barvou mlhy, řízenou funkcí, která určuje hloubku mlhy. Pomocí stejného algoritmu jsou vzdálené objekty ponořeny do oparu, což vytváří iluzi vzdálenosti.

Skutečný svět se skládá z průhledných, průsvitných a neprůhledných objektů. Aby byla tato okolnost zohledněna, používá se alfa blending - způsob přenosu informace o průhlednosti průsvitných objektů. Efekt translucence vzniká kombinací barvy původního pixelu s pixelem, který je již ve vyrovnávací paměti.
Výsledkem je, že barva bodu je kombinací barev popředí a pozadí. Alfa má obvykle normalizovanou hodnotu mezi 0 a 1 pro každý barevný pixel. Nový pixel = (alfa) (barva pixelu A) + (1 - alfa) (barva pixelu B).

Je zřejmé, že pro vytvoření realistického obrazu toho, co se děje na obrazovce, je nutná častá aktualizace jejího obsahu. Při formování každého dalšího snímku projde 3D akcelerátor znovu celou počítací dráhu, takže musí mít značnou rychlost. Ale ve 3D grafice se používají jiné metody, aby byl pohyb plynulejší. Klíčovým je Double Buffering .
Představte si starý trik animátorů, kteří kreslí kreslenou postavičku na rohy stohu papíru, s mírně odlišnou pozicí na každém dalším listu. Procházením celým hromádkou, ohýbáním rohu, uvidíme plynulý pohyb našeho hrdiny. Téměř stejný princip fungování má Double Buffering ve 3D animaci, tzn. další pozice postavy je nakreslena již před otočením aktuální stránky. Bez použití dvojité vyrovnávací paměti nebude mít obraz požadovanou jemnost, tzn. bude přerušovaný. Dvojité ukládání do vyrovnávací paměti vyžaduje dvě oblasti vyhrazené ve framebufferu 3D grafické karty; obě oblasti musí odpovídat velikosti obrazu zobrazeného na obrazovce. Metoda používá dva buffery pro příjem obrázku: jeden pro zobrazení obrázku, druhý pro vykreslení. Zatímco se vykresluje obsah jedné vyrovnávací paměti, vykresluje se další. Když je zpracován další snímek, vyrovnávací paměti se přepnou (zamění). Hráč tak neustále vidí vynikající obraz.

Na závěr diskuse o algoritmech používaných v 3D grafických akcelerátorech se pokusme zjistit, jak vám aplikace všech efektů samostatně umožňuje získat úplný obrázek. 3D grafika je implementována pomocí vícestupňového mechanismu nazývaného renderovací potrubí.
Využití potrubního zpracování umožňuje dále urychlit provádění výpočtů díky tomu, že výpočty pro další objekt mohou být zahájeny před dokončením výpočtů předchozího.

Rendering pipeline lze rozdělit do 2 fází: zpracování geometrie a rasterizace.

V první fázi geometrického zpracování transformace souřadnic (rotace, posunutí a změna měřítka všech objektů), odříznutí neviditelných částí objektů, výpočet osvětlení, určení barvy každého vrcholu s přihlédnutím ke všem zdrojům světla a proces dělení obrazu do menších tvarů se provádějí. Pro popis povahy povrchu objektu je objekt rozdělen do různých polygonů.
Rozdělení na trojúhelníky a čtyřúhelníky se nejčastěji používá při zobrazování grafických objektů, protože jsou nejjednodušší na výpočet a manipulaci. V tomto případě jsou souřadnice objektů převedeny z reálné na celočíselnou reprezentaci, aby se urychlily výpočty.

Ve druhé fázi jsou všechny popsané efekty aplikovány na obrázek v následujícím pořadí: odstranění skrytých povrchů, překrytí textur perspektivou (pomocí z-bufferu), aplikace efektů mlhy a průsvitnosti, anti-aliasing. Poté je další bod považován za připravený k umístění do vyrovnávací paměti z dalšího snímku.

Ze všeho výše uvedeného můžete pochopit, k jakým účelům se používá paměť nainstalovaná na desce 3D akcelerátoru. Ukládá textury, z-buffer a další snímky. Při použití sběrnice PCI nelze pro tyto účely použít běžnou paměť RAM, protože výkon grafické karty bude výrazně omezen šířkou pásma sběrnice. Proto je pokrok sběrnice AGP obzvláště slibný pro vývoj 3D grafiky, která umožňuje přímo připojit 3D čip k procesoru a organizovat tak rychlou výměnu dat s RAM. Toto řešení by navíc mělo zlevnit 3D akcelerátory díky tomu, že na desce zůstane jen málo paměti pro frame buffer.

Závěr

Plošné zavádění 3D grafiky způsobilo nárůst výkonu počítačů, aniž by se výrazně zvýšila jejich cena. Uživatelé jsou ohromeni možnostmi a dychtiví je vyzkoušet na svých počítačích. Mnoho nových 3D map umožňuje uživatelům vidět 3D grafiku v reálném čase na jejich domácích počítačích. Tyto nové akcelerátory vám umožní přidat realismus do obrázků a zrychlit grafický výstup obcházením CPU, spoléhat se na jejich vlastní hardwarové možnosti.

Přestože jsou 3D možnosti v současnosti využívány pouze ve hrách, očekává se, že v budoucnu z nich budou moci těžit i podnikové aplikace. Například počítačově podporovaný návrh již potřebuje vytvářet trojrozměrné objekty. Nyní bude tvorba a design možné na osobním počítači díky příležitostem, které se otevírají. 3D grafika může také změnit způsob, jakým lidé komunikují s počítači. Využití 3D softwarových rozhraní by mělo proces komunikace s počítačem ještě více usnadnit než v současnosti.

3D grafika je proces vytváření trojrozměrného modelu pomocí speciálních počítačových programů. Tento typ počítačové grafiky pohltil mnoho vektorové, ale i rastrové počítačové grafiky. Na základě výkresů, nákresů, detailních popisů nebo jakýchkoli jiných grafických nebo textových informací vytvoří 3D návrhář trojrozměrný obraz.

Ve speciálním programu lze model prohlížet ze všech stran (shora, zespodu, z boku), zasadit do libovolné roviny a do libovolného prostředí. Trojrozměrná počítačová grafika je stejně jako vektorová grafika objektově orientovaná, což umožňuje měnit jak všechny prvky trojrozměrné scény, tak každý objekt samostatně. Tento typ počítačové grafiky má velký potenciál podporovat technické kreslení. Pomocí grafických editorů trojrozměrné počítačové grafiky můžete vytvářet vizuální obrazy částí a produktů strojního inženýrství a také vytvářet rozvržení budov a architektonických objektů studovaných v odpovídající části architektonického a stavebního kreslení. Spolu s tím lze poskytnout grafickou podporu pro takové úseky deskriptivní geometrie, jako jsou perspektivní, axonometrické a ortogonální projekce, protože principy pro konstrukci obrázků v trojrozměrné počítačové grafice jsou částečně převzaty z nich.

Trojrozměrná grafika může být libovolně složitá. Můžete vytvořit jednoduchý 3D model s nízkými detaily a zjednodušeným tvarem. Nebo se může jednat o složitější model, ve kterém dochází ke studiu nejmenších detailů, textur, jsou použity profesionální techniky (stíny, odrazy, lom světla a podobně). To samozřejmě vážně ovlivňuje náklady na hotový 3D model, ale umožňuje to rozšířit použití 3D modelu.

Kde se používá 3D grafika?

3D modely jsou velmi oblíbené při tvorbě webových stránek. Pro vytvoření speciálního efektu přidávají někteří tvůrci webových stránek do designu nejen grafické prvky, ale i trojrozměrné modely, někdy dokonce animované. Programy a technologie 3D modelování jsou široce používány ve výrobě, například při výrobě skříňového nábytku, a ve stavebnictví, například pro vytvoření fotorealistického návrhu projektu budoucích prostor. Mnoho designérů už dávno přešlo od používání pravítka a tužky k moderním trojrozměrným počítačovým programům. Postupně si nové technologie osvojují i ​​další, především výrobní a obchodní společnosti.

Pro demonstrační účely se samozřejmě používají převážně 3D modely. Jsou nepostradatelné pro prezentace, výstavy a používají se i při práci s klienty, kdy je potřeba názorně ukázat, jaký bude konečný výsledek. Kromě toho jsou potřebné metody trojrozměrného modelování tam, kde je nutné objemově zobrazit již hotové objekty nebo ty objekty, které existovaly již dávno. Trojrozměrné modelování není jen budoucnost, ale také minulost a přítomnost.

Výhody 3D modelování

V trojrozměrném modelu je velmi snadné provádět téměř jakékoli změny. Projekt můžete změnit, odstranit některé detaily a přidat nové. Vaše fantazie je prakticky neomezená a můžete si rychle vybrat možnost, která vám nejlépe vyhovuje.

3D modelování však není pohodlné pouze pro klienta. Profesionální programy přinášejí mnoho výhod i výrobci. Z trojrozměrného modelu lze snadno vybrat výkres libovolných součástí nebo celé konstrukce. Navzdory skutečnosti, že vytvoření trojrozměrného modelu je poměrně pracný proces, práce s ním v budoucnu je mnohem jednodušší a pohodlnější než s tradičními kresbami. Výsledkem je výrazné zkrácení doby návrhu a snížení nákladů.

Speciální programy umožňují integraci s jakýmkoli jiným profesionálním softwarem, jako jsou technické výpočty, programy pro obráběcí stroje nebo účetní programy. Zavedení takových řešení ve výrobě přináší významné úspory zdrojů, výrazně rozšiřuje možnosti podniku, zjednodušuje práci a zlepšuje její kvalitu.

Programy pro trojrozměrné modelování

Mayský editor je pojmenován podle sanskrtského slova, které znamená iluze. Maya byla vyvinuta společností Alias ​​​​Systems. Alias ​​se sloučil s Autodeskem v říjnu 2005. Maya se běžněji používá k vytváření animací a 3D efektů ve filmech.

3D modelování a vizualizace jsou zásadní při výrobě produktů nebo jejich balení, stejně jako při tvorbě prototypů produktů a tvorbě objemové animace.

Služby 3D modelování a vizualizace jsou tedy poskytovány, když:

• je zapotřebí posouzení fyzických a technických vlastností výrobku ještě předtím, než bude vytvořen v původní velikosti, materiálu a konfiguraci;
• je nutné vytvořit 3D model budoucího interiéru.

V takových případech se určitě budete muset uchýlit ke službám specialistů v oblasti 3D modelování a vizualizace.

3D modely- nedílná součást vysoce kvalitních prezentací a technické dokumentace a - základ pro vytvoření prototypu produktu. Zvláštností naší společnosti je schopnost provést celý cyklus práce na vytvoření realistického 3D objektu: od modelování až po prototypování. Vzhledem k tomu, že všechny práce lze provádět v komplexu, výrazně to snižuje čas a náklady na hledání dodavatelů a nastavování nových technických úkolů.

Pokud jde o výrobek, pomůžeme vám uvolnit jeho zkušební sérii a zavést další výrobu v malém nebo průmyslovém měřítku.

Definice pojmů "3D modelování" a "vizualizace"

3D grafika nebo 3D modelování- počítačová grafika, která kombinuje techniky a nástroje potřebné k vytvoření trojrozměrných objektů v technickém prostoru.

Techniky je třeba chápat jako způsoby formování trojrozměrného grafického objektu - výpočet jeho parametrů, kreslení "kostra" nebo trojrozměrné nedetailní formy; vytlačování, stavění a vyřezávání dílů atd.

A pod nástroji - profesionální programy pro 3D modelování. Za prvé - SolidWork, ProEngineering, 3DMAX, stejně jako některé další programy pro objemovou vizualizaci objektů a prostoru.

Vykreslování objemu je vytvoření dvourozměrného rastrového obrázku na základě sestrojeného 3D modelu. V jádru se jedná o nejrealističtější obraz trojrozměrného grafického objektu.

Aplikace 3D modelování:

• Reklama a marketing

Trojrozměrná grafika je pro prezentaci budoucího produktu nepostradatelná. Pro zahájení výroby je potřeba nakreslit a následně vytvořit 3D model objektu. A již na základě 3D modelu, pomocí technologií rychlého prototypování (3D tisk, frézování, odlévání silikonových forem atd.) vzniká realistický prototyp (vzorek) budoucího produktu.

Po vykreslení (3D vizualizace) lze výsledný obraz použít při vývoji obalového designu nebo při tvorbě venkovní reklamy, POS materiálů a designu výstavních stánků.

• územní plánování

Pomocí trojrozměrné grafiky je dosaženo nejrealističtějšího modelování městské architektury a krajiny – s minimálními náklady. Vizualizace stavební architektury a krajinářského designu umožňuje investorům a architektům pocítit efekt bytí v navrženém prostoru. To vám umožní objektivně posoudit přednosti projektu a odstranit nedostatky.

• Průmysl

Moderní výrobu si nelze představit bez předvýrobního modelování výrobků. S příchodem 3D technologií se výrobcům podařilo výrazně ušetřit materiály a snížit finanční náklady na inženýrský design. Pomocí 3D modelování vytvářejí grafičtí designéři 3D obrazy dílů a objektů, které pak lze použít k vytváření forem a prototypů objektů.

• Počítačové hry

3D technologie se při tvorbě počítačových her používá již více než deset let. V profesionálních programech zkušení specialisté ručně kreslí 3D krajiny, modely postav, animují vytvořené 3D objekty a postavy a také vytvářejí concept art (návrhy konceptů).

• Kino

Celý moderní filmový průmysl se zaměřuje na 3D kino. Pro takové natáčení se používají speciální kamery, které umí natáčet ve 3D. Navíc pomocí trojrozměrné grafiky pro filmový průmysl vznikají jednotlivé objekty i plnohodnotné krajiny.

• Architektura a interiérový design

Technologie 3D modelování v architektuře se již dlouho etablovala z té nejlepší stránky. Dnes je vytvoření trojrozměrného modelu budovy nepostradatelným atributem designu. Na základě 3D modelu můžete vytvořit prototyp budovy. Navíc jak prototyp, který opakuje pouze obecné obrysy budovy, tak podrobný prefabrikovaný model budoucí budovy.

Co se týče interiérového designu, pomocí technologie 3D modelování může zákazník vidět, jak bude jeho domov či kancelář po opravě vypadat.

• Animace

Pomocí 3D grafiky můžete vytvořit animovanou postavu, „rozhýbat“ ji a také navrhováním složitých animačních scén vytvořit plnohodnotné animované video.

Etapy vývoje 3D modelu

Vývoj 3D modelu probíhá v několika fázích:

1. Modelování nebo vytváření geometrie modelu

Hovoříme o vytvoření trojrozměrného geometrického modelu, bez zohlednění fyzikálních vlastností objektu. Používané metody jsou:

• vytlačování;
• modifikátory;
• polygonální modelování;
• otáčení.

2. Texturování objektu

Úroveň realismu budoucího modelu přímo závisí na výběru materiálů při vytváření textur. Profesionální programy pro práci s trojrozměrnou grafikou jsou prakticky neomezené ve svých možnostech pro vytvoření realistického obrazu.

3. Nastavení světel a vyhlídek

Jeden z nejtěžších kroků při vytváření 3D modelu. Realistické vnímání obrazu totiž přímo závisí na volbě tónu světla, úrovni jasu, ostrosti a hloubce stínů. Kromě toho je nutné vybrat pozorovací bod pro objekt. Může to být pohled z ptačí perspektivy nebo zmenšení prostoru tak, aby bylo dosaženo efektu, jako byste v něm byli – výběrem pohledu na objekt z lidské výšky.+

4. 3D vizualizace nebo rendering

Poslední fáze 3D modelování. Spočívá v upřesnění nastavení zobrazení 3D modelu. Tedy přidání grafických speciálních efektů, jako je oslnění, mlha, záře atd. V případě vykreslování videa se zjišťují přesné parametry 3D animace postav, detailů, krajiny atd. (doba barevných rozdílů, záře atd.).

Ve stejné fázi je podrobně popsáno nastavení vizualizace: je vybrán požadovaný počet snímků za sekundu a rozšíření konečného videa (například DivX, AVI, Cinepak, Indeo, MPEG-1, MPEG-4, MPEG-2, WMV atd.). Pokud je potřeba získat dvourozměrný rastrový obrázek, určí se formát a rozlišení obrázku, hlavně JPEG, TIFF nebo RAW.

5. post produkce

Zpracovávejte pořízené obrázky a videa pomocí editorů médií - Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro (nebo Final Cut Pro / Sony Vegas), GarageBand, Imovie, Adobe After Effects Pro, Adobe Illustrator, Samplitude, SoundForge, Wavelab atd.

Postprodukce má dát mediálním souborům originální vizuální efekty, jejichž účelem je nadchnout mysl potenciálního spotřebitele: zapůsobit, vzbudit zájem a být dlouho zapamatován!

3D modelování ve slévárně

Ve slévárenství se 3D modelování postupně stává nepostradatelnou technologickou součástí procesu tvorby produktu. Pokud mluvíme o odlévání do kovových forem, pak se 3D modely takových forem vytvářejí pomocí technologií 3D modelování a také 3D prototypování.

Ale neméně populární je dnes získávání formování v silikonových formách. V tomto případě vám 3D modelování a vizualizace pomůže vytvořit prototyp předmětu, na jehož základě bude vyrobena forma ze silikonu nebo jiného materiálu (dřevo, polyuretan, hliník atd.).

Metody 3D vizualizace (rendering)

1. Rastrování.

Jedna z nejjednodušších metod vykreslování. Při jeho použití se neberou v úvahu dodatečné vizuální efekty (například barva a stín objektu vzhledem k pohledu).

2. Raycasting.

Na 3D model je nahlíženo z určitého, předem určeného bodu – z lidské výšky, ptačí perspektivy atd. Z pohledu jsou vysílány paprsky, které určují šerosvit objektu při jeho prohlížení v obvyklém 2D formátu.

3. Sledování paprsků.

Tato metoda vykreslování znamená, že při dopadu na povrch se paprsek rozdělí na tři složky: odražený, stínový a lomený. Ve skutečnosti to tvoří barvu pixelu. Realismus obrazu navíc přímo závisí na počtu dělení.

4. Trasování cesty.

Jedna z nejobtížnějších metod 3D vizualizace. Při použití této metody 3D vykreslování se šíření světelných paprsků co nejvíce blíží fyzikálním zákonům šíření světla. To zajišťuje vysokou realističnost výsledného obrazu. Je třeba poznamenat, že tato metoda je náročná na zdroje.

Naše společnost Vám poskytne celou škálu služeb v oblasti 3D modelování a vizualizace. Máme veškeré technické možnosti k vytváření 3D modelů různé složitosti. Máme také bohaté zkušenosti s 3D vizualizací a modelováním, o čemž se můžete sami přesvědčit prozkoumáním našeho portfolia nebo našich dalších prací, které na webu ještě nebyly prezentovány (na vyžádání).

Značková agentura KOLORO Vám poskytne služby při výrobě zkušební série výrobků nebo její malosériové výrobě. K tomu naši specialisté vytvoří co nejrealističtější 3D model objektu, který potřebujete (obal, logo, postavičku, 3D vzorek libovolného produktu, formu atd.), na jehož základě vznikne prototyp produktu. Cena naší práce přímo závisí na složitosti objektu 3D modelování a je diskutována individuálně.

Zvládli jste úpravy dvourozměrné grafiky, například rastrové grafiky, pomocí softwarových produktů, jako je Adobe Photoshop a jemu podobné. Proč se ale zastavovat u 2D, když můžete využít naprostou tvůrčí svobodu v plném rozsahu, totiž ve 3D. K dnešnímu dni existuje mnoho programů pro modelování, animaci a vizualizaci trojrozměrných objektů. Například jako Autodesk Maya, Houdini, LightWave 3D, Rhinoceros a každý z nich je svým způsobem dobrý, nicméně začátečníkovi doporučuji použít 3Ds MAX od Autodesku. Protože právě v tomto programu se mi podařilo vytvořit, jak se mi zdá, kombinaci snadného řízení a samozřejmě úžasných výsledků. A skutečně, pro začínajícího uživatele je tento program velmi jednoduchý a nekomplikovaný na tvorbu malých 3D modelů a hlavně je nejen jednoduchý, ale i rychlý.

S pomocí 3Ds MAX je velmi snadné a rychlé vytvářet jednoduché a nekomplikované trojrozměrné objekty, jako jsou koule, krabice, válce, kužely, pyramidy a dokonce i čajová konvice. Ale to jsou řekněme primitivní objekty a dají se vytvořit i docela složité kompozice a modely. Také s těmito objekty můžete provádět jakoukoli manipulaci. Přibližujte, oddalujte, upravujte, otáčejte v libovolném směru a malujte v různých barvách a odstínech, obecně jděte do libosti. Co je stejně důležité pro webdesignéra. Protože tam můžete vytvářet různé miniatury nebo 3D scény, řekněme pro váš web nebo blog na internetu.

Pro příklad jednoduchosti použití tohoto programu vám ukážu, jak vytvořit 3D text. Tady se to dělá docela jednoduše a rychle. Můžete také sami vytvořit zajímavý a krásný 3D text použitím a používání krásných písem pro svůj webový blog.

Příklad: č. 1 - 3D 3D text, s krásným fontem

Spustíme program a vytvoříme nový projekt Soubor -> Nový ... vyberte Nové vše a klikněte na OK.

Poté v nabídce Vytvořit, kde je možné vybrat typ prvku, který chceme vytvořit, klikneme na tlačítko Tvary - vytváření dvourozměrných tvarů. A stiskněte tlačítko Text .. Také v těchto parametrech si můžete vybrat libovolný typ písma a jeho velikost (velikost).

Poté v klidu kliknete levým tlačítkem myši do středu okna Perspektiva, kde by se měl objevit váš text. Text je ale stále dvourozměrný - plochý, aby se stal objemným, je potřeba ho natáhnout. Za tímto účelem upravíme náš vybraný plochý text - přejděte do nabídky Upravit a v ní otevřete Seznam modifikátorů a vyhledejte v něm Vytažení a klikněte na něj. Dále níže v parametrech musíte nastavit hodnotu Množství: jak moc se má text roztáhnout. Po těchto jednoduchých manipulacích bychom měli získat objemný text.

Než si ale svůj projekt naplno prohlédnete, je potřeba se trochu otočit, upravit úhel pohledu na náš text. K tomu existuje takový panel pro ovládání pohledů / projekcí, změnu směru a úhlu pohledu. V něm musíte vybrat Arc Rotate, abyste mohli změnit úhel pohledu v perspektivním okně. Nyní v perspektivním okně můžete otáčet, prohlížet a prohlížet svůj objemný text jakýmkoli způsobem. Když se rozhodnete pro zobrazení, které se vám líbí, můžete přejít k zobrazení hotového výsledku.

Tento typ počítačové grafiky pohltil mnoho vektorové a rastrové počítačové grafiky. Používá se při vývoji projektů interiérového designu, architektonických objektů, v reklamě, při tvorbě výukových počítačových programů, videoklipů, vizuálních obrazů dílů a výrobků ve strojírenství atd.

3D počítačová grafika umožňuje vytvářet objemové trojrozměrné scény s modelováním světelných podmínek a nastavení úhlů pohledu.

Pro studium technik a prostředků kompozice, jako je přenos prostoru, prostředí, šerosvit, zákonitosti lineární, letecké a barevné perspektivy, jsou zde zřejmé výhody tohoto typu počítačové grafiky oproti vektorové a rastrové grafice. Ve 3D grafice se obrazy (nebo postavy) modelují a přesouvají ve virtuálním prostoru, v přírodním prostředí nebo v interiéru a jejich animace umožňuje vidět objekt z libovolného úhlu pohledu, pohybovat s ním v uměle vytvořeném prostředí a prostoru. , samozřejmě za doprovodu speciálních efektů.

Trojrozměrná počítačová grafika je stejně jako vektorová grafika objektově orientovaná, což umožňuje měnit jak všechny prvky trojrozměrné scény, tak každý objekt samostatně. Tento typ počítačové grafiky má velký potenciál podporovat technické kreslení. Pomocí grafických editorů například trojrozměrné počítačové grafiky Autodesk 3D Studio, můžete vytvářet vizuální obrazy částí a produktů strojírenství, stejně jako vytvářet rozvržení budov a architektonických objektů studovaných v odpovídající části architektonického a stavebního kreslení. Spolu s tím lze poskytnout grafickou podporu pro takové úseky deskriptivní geometrie, jako jsou perspektivní, axonometrické a ortogonální projekce, protože principy pro konstrukci obrázků v trojrozměrné počítačové grafice jsou částečně převzaty z nich.

Pro umění a řemesla poskytuje 3D počítačová grafika příležitost modelovat budoucí produkty s přenosem textury a textury materiálů, ze kterých budou tyto produkty vyrobeny. Schopnost vidět z jakéhokoli úhlu rozvržení produktu před jeho začleněním do materiálu vám umožňuje provádět změny a opravy jeho tvaru nebo proporcí, které již nemusí být možné po zahájení práce (například šperky, dekorativní odlévání kovů atd.). Ve stejném směru lze využít 3D počítačovou grafiku pro podporu sochařství, designu, umělecké grafiky atd. 3D animace a speciální efekty jsou také vytvářeny pomocí 3D grafiky. Vytváření výukových videí pro výukové programy může být hlavní aplikací těchto schopností 3D počítačové grafiky.

K prostředkům práce s trojrozměrnou grafikou zařaďte takový grafický editor jako 3D Studio Max. Jedná se o jeden z nejznámějších 3D editorů a často se používá ve filmové tvorbě. Vývoj programu 3D Studio MAX byla spuštěna v roce 1993. Verze 3D Studio MAX 1.0 vydáno v roce 1995 na platformě Windows NT.

Již tehdy se někteří odborníci opatrně vyjadřovali k názoru, že MAX může konkurovat jiným 3D grafickým balíkům. podzim 2003 diskrétní vydání 3D MAX 6. Nové nástroje pro animaci částic ve spojení s moduly umožňují vytvářet fotorealistické atmosférické efekty. Je zde zabudována podpora drop-mesh objektů, plnohodnotná síťová vizualizace, import dat z CAD-aplikace, nové možnosti simulace. Ale kromě 3D Studio Max existují například další stejně oblíbené programy pro 3D modelování Maya. Maya je podobný program 3D Studio Max, ale je určen především pro animaci a pro přenos mimiky na tvář trojrozměrného herce. Kromě toho v Maya snadněji kreslit. 3D Studio Max Je zaměřena především na kvalitní vizualizaci objektů, lze v ní dělat i primitivní kresby.

Obecně existují programy pro 3D modelování pro kreslení, nejznámější z nich AutoCAD, ArchiCAD. AutoCAD určený především pro strojírenské kreslení a ArchiCAD pro architektonické modelování.

Co vyžaduje 3D grafika od člověka?

Samozřejmostí je schopnost modelovat různé tvary a návrhy pomocí různých softwarových nástrojů a také znalost ortogonálního (pravoúhlého) a středového promítání. Poslední se jmenuje perspektivní. Velmi dobré kvality modelování je dosaženo pečlivým výběrem textur a materiálů v kombinaci se správným umístěním světel a kamer ve scéně. Základem pro konstrukci jakékoli prostorové formy je rovina a plocha objektu. Rovina ve 3D grafice je definována pomocí tří bodů spojených úsečkami.

Právě tento stav umožňuje popisovat pomocí výsledných rovin "prostorová mřížka", což je model objektu. Poté je předmětu navíc přiřazena charakteristika povrchu předmětu - materiálu. Materiál zase charakterizuje kvalitu povrchu, např. leštěný, drsný, lesklý atd. Je také popsána jeho textura (kámen, tkanina, sklo atd.). Nastavují se také optické vlastnosti, například průhlednost, odraz či lom světelných paprsků atp.
Spolu s tím můžete nastavit světelné podmínky pro trojrozměrný objekt a vybrat úhel pohledu (kameru), abyste získali nejzajímavější vizuální obraz. Nazývá se inscenace skládající se z trojrozměrného předmětu, světelných podmínek a zvoleného úhlu pohledu "trojrozměrná scéna". Ale k popisu trojrozměrného prostoru a objektu, který se v něm nachází, se používá známá souřadnicová metoda.

Existují různé metody pro modelování trojrozměrných objektů. Například metoda textového popisu modelu pomocí speciálních programovacích jazyků "Skript".