Реалистично 3D изображение. 3D графики. Осветлението не е само светлина, но и сенки

За разлика от 2D анимацията, където много може да се рисува на ръка, в 3D обектите са твърде гладки, формата им е твърде правилна и се движат по твърде „геометрични“ траектории. Вярно е, че тези проблеми са преодолими. Пакетите за анимация подобряват инструментите за визуализация, актуализират инструментите за създаване на специални ефекти и разширяват библиотеките с материали. За да се създадат "неравни" обекти, като коса или дим, се използва технология за формиране на обект от много частици. Въвеждат се обратна кинематика и други анимационни техники и се появяват нови методи за комбиниране на видеозапис и анимационни ефекти, което прави сцените и движенията по-реалистични. В допълнение, технологията на отворените системи ви позволява да работите с няколко пакета наведнъж. Можете да създадете модел в един пакет, да го рисувате в друг, да го анимирате в трети и да го допълните с видео в четвърти. И накрая, функционалността на много професионални пакети днес може да бъде разширена с допълнителни приложения, написани специално за основния пакет.

3D студио и 3D Студио МАКС

Един от най-известните пакети за 3D анимация на IBM е 3D Studio от Autodesk. Програмата работи под DOS и осигурява целия процес на създаване на 3D филм: моделиране на обекти и формиране на сцени, анимация и визуализация и работа с видео. Освен това има широк набор от приложни програми (IPAS процеси), написани специално за 3D Studio. Нова програма от същата компания, наречена 3D Studio MAX за Windows NT, беше създадена през последните няколко години и твърди, че е конкурент на мощни пакети за SGI работни станции. Интерфейсът на новата програма е еднакъв за всички модули и има висока степен на интерактивност. 3D Studio MAX прилага разширени възможности за контрол на анимацията, съхранява историята на живота на всеки обект и ви позволява да създавате различни светлинни ефекти, поддържа 3D ускорители и има отворена архитектура, тоест позволява на трети страни да включват допълнителни приложения в системата .



TrueSpace, Prisms, Three-D, RenderMan, Crystal Topas

Електрическо изображение, меко изображение

За създаване на триизмерна анимация на компютри IBM и Macintosh е удобно да използвате пакета Electric Image Animation System, който включва голям набор от инструменти за анимация, специални ефекти, инструменти за работа със звук и генератор на шрифтове с персонализирани параметри. Въпреки че тази програма няма инструменти за моделиране, тя има способността да импортира над тридесет различни моделни формати. Пакетът също така поддържа работа с йерархични обекти и инструменти за обратна кинематика. От своя страна програмата Softimage 3D на Microsoft работи на платформите SGI и Windows NT. Той поддържа базирано на полигони и сплайни моделиране, специални ефекти, манипулиране на частици и технология за трансфер на движение от живи актьори към компютърни герои.

Представете си как обектът ще се впише в съществуващата сграда. Много е удобно да видите различни опции за проект с помощта на триизмерен модел. По-специално можете да промените материалите и покритието (текстурите) на елементите на проекта, да проверите осветеността на отделните зони (в зависимост от времето на деня), да поставите различни интериорни елементи и т.н.

За разлика от редица CAD системи, които използват допълнителни модули или програми на трети страни за визуализация и анимация, MicroStation има вградени инструменти за създаване на фотореалистични изображения (BMP, JPG, TIFF, PCX и др.), както и за запис на анимационни видеоклипове в стандартни формати (FLI, AVI ) и набор от изображения кадър по кадър (BMP, JPG, TIFF и др.).

Създаване на реалистични изображения

Създаването на фотореалистични изображения започва с присвояване на материали (текстури) на различни елементи от проекта. Всяка текстура се прилага към всички елементи от един и същи цвят на един и същи слой. Като се има предвид, че максималният брой слоеве е 65 хиляди, а цветовете са 256, можем да предположим, че е възможно да се приложи индивидуален материал към всеки елемент от проекта.

Програмата предоставя възможност за редактиране на всяка текстура и създаване на нова въз основа на растерно изображение (BMP, JPG, TIFF и др.). В този случай за текстурата можете да използвате две изображения, едното от които отговаря за релефа, а другото за текстурата на материала. Както релефът, така и текстурата имат различни параметри за разположение върху елемент, като: мащаб, ъгъл на завъртане, отместване, метод за запълване на неравни повърхности. В допълнение, релефът има параметър "височина" (променя се в диапазона от 0 до 20), а текстурата от своя страна има тегло (променя се в диапазона от 0 до 1).

В допълнение към шаблона, материалът има следните персонализирани параметри: разпръскване, дифузия, блясък, полиране, прозрачност, отражение, пречупване, основен цвят, цвят на осветяването и способността на материала да оставя сенки.

Картографирането на текстури може да бъде визуализирано върху стандартни 3D твърди тела или върху всеки елемент на проекта и можете да използвате няколко вида засенчване на елементи. Простите инструменти за създаване и редактиране на текстури ви позволяват да създавате почти всеки материал.

Също толкова важен аспект за създаване на реалистични изображения е методът на визуализация (рендиране). MicroStation поддържа следните добре познати методи за засенчване: премахване на скрита линия, засенчване на скрита линия, постоянно засенчване, гладко засенчване, засенчване на Phong, проследяване на лъчи, радиосити, проследяване на частици.

По време на визуализацията изображението може да бъде изгладено (премахване на псевдонима), както и да се създаде стерео изображение, което може да се гледа с помощта на очила със специални светлинни филтри.

Има редица настройки за качество на дисплея (съответстващи на скоростта на обработка на изображението) за методите за проследяване на лъчи, радио град и проследяване на частици. За да се ускори обработката на графична информация, MicroStation поддържа методи за графично ускорение QuickVision технология. За да преглеждате и редактирате създадени изображения, има и вградени инструменти за модификация, които поддържат следните стандартни функции (които, разбира се, не могат да се конкурират с функциите на специализирани програми): гама корекция, настройка на нюанса, негатив, размазване, цветен режим, изрязване, преоразмеряване, завъртане, отразяване, преобразуване в друг формат на данни.

Местните източници на светлина могат да бъдат пет вида: дистанционни, спот, конус, повърхност, небесен отвор. Всеки източник може да има следните свойства: цвят, интензитет на светлината, интензитет, разделителна способност, сянка, затихване на определено разстояние, ъгъл на конуса и др.

Източниците на светлина могат да помогнат за идентифициране на неосветени зони на обект, където трябва да се инсталира допълнително осветление.

Камерите се използват за преглед на елементите на проекта от определен ъгъл и за произволно преместване на изгледа в целия файл. С помощта на клавишите за управление на клавиатурата и мишката можете да зададете девет вида движение на камерата: летене, завъртане, спускане, плъзгане, ходене, въртене, плуване, движение на количка, накланяне.

Към клавиатурата и мишката могат да бъдат свързани четири различни типа движение (режимите се превключват чрез задържане на клавишите Shift, Ctrl, Shift + Ctrl).

Камерите позволяват да се разгледа обект от различни ъгли и да се погледне вътре.

Чрез промяна на параметрите на камерата (фокусно разстояние, ъгъл на обектива) можете да промените перспективата на изгледа.

За да създадете по-реалистични изображения, е възможно да свържете фоново изображение, като например снимка на съществуващ пейзаж.

Изграждане на триизмерно изображение С нарастването на изчислителната мощ и наличието на елементи на паметта, с появата на висококачествени графични терминали и изходни устройства, бяха разработени голяма група от алгоритми и софтуерни решения, които позволяват формирането на изображение на екрана, което представлява определена триизмерна сцена. Първите такива решения бяха предназначени за архитектурни и машинни инженерни проблеми.При формирането на триизмерно изображение (статично или динамично) неговото изграждане се разглежда в рамките на определено координатно пространство, което се нарича

етап . Сцената включва работа в триизмерен, триизмерен свят - поради което посоката се нарича триизмерна (3-Dimensional, 3D) графика.На сцената се поставят отделни обекти, съставени от геометрични обемни тела и участъци от сложни повърхнини (най-често т.нар.

B-сплайнове ). За формиране на изображение и извършване на допълнителни операции повърхностите се разделят на триъгълници - минимални плоски фигури - и впоследствие се обработват точно като набор от триъгълници.На следващия етап " свят” координатите на възлите на мрежата се преизчисляват с помощта на матрични трансформации в координати Положение на гледната точкаобикновено се нарича позиция на камерата.

Работно пространство на системата за подготовка
Blender 3D графика (пример от сайта
http://www.blender.org)

След образуване рамка(„телена мрежа“). боядисване- придаване на повърхностите на предметите на определени свойства. Свойствата на повърхността се определят основно от нейните светлинни характеристики: осветеност, отражение, абсорбция и способност за разсейване. Този набор от характеристики ви позволява да определите материала, чиято повърхност се моделира (метал, пластмаса, стъкло и др.). Прозрачните и полупрозрачните материали имат редица други характеристики.

Обикновено по време на тази процедура вие също ще отрязване на невидими повърхности. Има много методи за извършване на такова рязане, но най-популярният метод стана
Z-буфер, когато се създава масив от числа, указващи „дълбочина“ - разстоянието от точка на екрана до първата непрозрачна точка. Следващите повърхностни точки ще бъдат обработени само когато тяхната дълбочина е по-малка и тогава Z координатата ще намалее. Силата на този метод зависи пряко от максималното възможно разстояние на точка от сцената от екрана, т.е. върху броя битове на точка в буфера.

Изчисляване на реалистично изображение. Извършването на тези операции ви позволява да създадете т.нар твърди моделиобекти, но това изображение няма да е реалистично. За формиране на реалистичен образ, източници на светлинаи се изпълнява изчисляване на осветеносттавсяка точка от видимите повърхности.

За да се даде реализъм на обектите, повърхността на обектите е „затегната“ текстура - изображение(или процедурата, която го формира), определяне на нюансите на външния вид. Процедурата се нарича „картографиране на текстури“. По време на нанасянето на текстурата се прилагат техники за разтягане и изглаждане - филтриране. Например, анизотропното филтриране, споменато в описанието на видеокартите, не зависи от посоката на трансформация на текстурата.

След определяне на всички параметри е необходимо да се извърши процедурата за формиране на изображение, т.е. изчисляване на цвета на точките на екрана. Процедурата за изчисление се извиква изобразяване.При извършване на такова изчисление е необходимо да се определи светлината, падаща върху всяка точка от модела, като се вземе предвид факта, че тя може да бъде отразена, че повърхността може да блокира други области от този източник и т.н.

Има два основни метода, използвани за изчисляване на осветеността. Първият е методът обратно проследяване на лъчи. С този метод изчислява се траекторията на онези лъчи, които в крайна сметка удрят пикселите на екрана- на заден ход. Изчислението се извършва отделно за всеки от цветните канали, тъй като светлината от различни спектри се държи различно на различни повърхности.

Втори метод - метод на излъчване -включва изчисляване на интегралната осветеност на всички зони, попадащи в кадъра и обмена на светлина между тях.

Полученото изображение взема предвид зададените характеристики на камерата, т.е. Зрители.

Така в резултат на голям брой изчисления става възможно създаването на изображения, които трудно се различават от снимките. За да намалят броя на изчисленията, те се опитват да намалят броя на обектите и, където е възможно, да заменят изчислението с фотография; например при формиране на фона на изображение.

Солиден модел и крайния резултат от изчислението на модела
(пример от сайта http://www.blender.org)

Анимация и виртуална реалност

Следващата стъпка в развитието на 3D реалистични графични технологии беше възможността за анимация - движение и кадър по кадър промени в сцената. Първоначално само суперкомпютрите можеха да се справят с такъв обем изчисления и те бяха използвани за създаването на първите триизмерни анимационни видеоклипове.

По-късно беше разработен хардуер, специално проектиран за изчисления и изображения - 3D ускорители. Това направи възможно извършването на такова формиране в опростена форма в реално време, което се използва в съвременните компютърни игри. Всъщност вече дори обикновените видео карти включват такива инструменти и са вид мини компютри за тясно предназначение.

При създаване на игри, заснемане на филми, разработване на симулатори, в задачи за моделиране и проектиране на различни обекти, задачата за формиране на реалистичен образ има още един важен аспект - моделиране не само на движението и промените на обектите, но моделиране на тяхното поведение, съответстващо на физическите принципи на околния свят.

Това направление, като се има предвид използването на всички видове хардуер за предаване на влиянията на външния свят и увеличаване на ефекта на присъствие, се нарича виртуална реалност.

За реализиране на такъв реализъм са създадени специални методи за изчисляване на параметри и трансформиране на обекти - промени в прозрачността на водата поради нейното движение, изчисляване на поведението и появата на пожар, експлозии, сблъсъци на обекти и др. Такива изчисления са доста сложни и са предложени редица методи за тяхното прилагане в съвременните програми.

Един от тях е обработката и използването шейдъри - процедури, които променят осветеността(или точна позиция)в ключови точки по някакъв алгоритъм. Тази обработка ви позволява да създавате ефекти на „светещ облак“, „експлозия“, да увеличавате реализма на сложни обекти и др.

Появиха се и се стандартизират интерфейси за работа с „физическия“ компонент на формирането на изображението - което позволява да се увеличи скоростта и точността на такива изчисления и следователно реализма на създадения модел на света.

Триизмерната графика е една от най-зрелищните и комерсиално успешни области в развитието на информационните технологии, често се нарича един от основните стимули за развитието на хардуера. Инструментите за триизмерна графика се използват активно в архитектурата, машиностроенето, научната работа, филмирането, компютърните игри и преподаването.

Примери за софтуерни продукти

Maya, 3DStudio, Blender

Темата е много привлекателна за ученици от всякаква възраст и възниква на всички етапи от изучаването на курс по компютърни науки. Привлекателността за студентите се обяснява с големия творчески компонент в практическата работа, визуалния резултат, както и широката приложна насоченост на темата. Знания и умения в тази област са необходими в почти всички сектори на човешката дейност.

В основното училище се разглеждат два вида графики: растерна и векторна. Обсъждат се въпросите за разграничаване на един вид от друг, като резултат - положителните страни и недостатъците. Областите на приложение на тези видове графики ще ви позволят да въведете имената на конкретни софтуерни продукти, които ви позволяват да обработвате този или онзи тип графики. Следователно материалите по темите: растерна графика, цветни модели, векторна графика ще бъдат по-търсени в началните училища. В гимназията тази тема се допълва от разглеждане на характеристиките на научната графика и възможностите на триизмерната графика. Следователно следните теми ще бъдат от значение: фотореалистични изображения, моделиране на физическия свят, компресиране и съхранение на графични и поточни данни.

По-голямата част от времето се отделя на практическа работа по подготовка и обработка на графични изображения с помощта на растерни и векторни графични редактори. В основното училище това обикновено е Adobe Photoshop, CorelDraw и/или MacromediaFlach. Разликата между изучаването на определени софтуерни пакети в основно и средно училище се проявява в по-голяма степен не в съдържанието, а във формите на работа. В основното училище това е практическа (лабораторна) работа, в резултат на която учениците овладяват софтуерния продукт. В гимназията основната форма на работа става индивидуална работилница или проект, където основен компонент е съдържанието на поставената задача, а софтуерните продукти, използвани за нейното решаване, остават само инструмент.

Билетите за основно и средно училище съдържат въпроси, свързани както с теоретичните основи на компютърната графика, така и с практическите умения за обработка на графични изображения. Такива части от темата като изчисляване на информационния обем на графичните изображения и характеристиките на графичното кодиране присъстват в материалите за контролно измерване на единния държавен изпит.

3D моделирането и визуализацията са необходими при производството на продукти или техните опаковки, както и при създаване на прототипи на продукти и създаване на 3D анимация.

По този начин услугите за 3D моделиране и визуализация се предоставят, когато:

  • необходима е оценка на физическите и технически характеристики на продукта още преди да бъде създаден в оригиналния си размер, материал и конфигурация;
  • необходимо е да се създаде 3D модел на бъдещия интериор.

В такива случаи определено ще трябва да прибегнете до услугите на специалисти в областта на 3D моделирането и визуализацията.

3D модели- неразделна част от висококачествени презентации и техническа документация, както и основа за създаване на прототип на продукт. Особеността на нашата компания е възможността за извършване на пълен цикъл на работа за създаване на реалистичен 3D обект: от моделиране до прототипиране. Тъй като цялата работа може да се извършва комплексно, това значително намалява времето и разходите за търсене на изпълнители и определяне на нови технически спецификации.

Ако говорим за продукт, ние ще ви помогнем да пуснете пробна серия и да настроите по-нататъшно производство, в малък или промишлен мащаб.

Дефиниране на понятията „3D моделиране” и „визуализация”

3D графикиили 3D моделиране- компютърна графика, съчетаваща техниките и инструментите, необходими за създаване на триизмерни обекти в техническото пространство.

Техниките трябва да се разбират като методи за формиране на триизмерен графичен обект - изчисляване на неговите параметри, изчертаване на "скелет" или триизмерна неподробна форма; екструдиране, удължаване и рязане на части и др.

А под инструментите са професионални програми за 3D моделиране. На първо място - SolidWork, ProEngineering, 3DMAX, както и някои други програми за обемна визуализация на обекти и пространство.

Обемно изобразяванее създаване на двумерно растерно изображение на базата на конструирания 3D модел. В основата си това е най-реалистичното изображение на триизмерен графичен обект.

Приложения на 3D моделиране:

  • Реклама и маркетинг

Триизмерната графика е незаменима за представянето на бъдещ продукт. За да започнете производството, трябва да начертаете и след това да създадете 3D модел на обекта. И на базата на 3D модела, използвайки технологии за бързо прототипиране (3D принтиране, фрезоване, леене на силиконова форма и др.), се създава реалистичен прототип (мостра) на бъдещия продукт.

След изобразяване (3D визуализация), полученото изображение може да се използва при разработване на дизайн на опаковка или при създаване на външна реклама, POS материали и дизайн на изложбен щанд.

  • Градоустройство

С помощта на триизмерна графика се постига максимално реалистично моделиране на градска архитектура и пейзажи – с минимални разходи. Визуализацията на архитектурата на сградата и ландшафтния дизайн позволява на инвеститори и архитекти да усетят ефекта на присъствие в проектираното пространство. Това ви позволява обективно да оцените достойнствата на проекта и да премахнете недостатъците.

  • Индустрия

Съвременното производство не може да си представим без предварителното моделиране на продуктите. С навлизането на 3D технологиите производителите имат възможност значително да спестят материали и да намалят финансовите разходи за инженерно проектиране. Използвайки 3D моделиране, графичните дизайнери създават триизмерни изображения на части и обекти, които по-късно могат да бъдат използвани за създаване на форми и прототипи на обекта.

  • Компютърни игри

3D технологията се използва при създаването на компютърни игри повече от десет години. В професионалните програми опитни специалисти ръчно рисуват триизмерни пейзажи, модели на герои, анимират създадени 3D обекти и герои, а също така създават концептуално изкуство (концептуални дизайни).

  • Кино

Цялата съвременна филмова индустрия е фокусирана върху киното в 3D формат. За такова заснемане се използват специални камери, които могат да снимат в 3D формат. Освен това с помощта на 3D графики се създават отделни обекти и пълноценни пейзажи за филмовата индустрия.

  • Архитектура и интериорен дизайн

Технологията на 3D моделиране в архитектурата отдавна се е доказала като най-добра. Днес създаването на триизмерен модел на сграда е незаменим дизайнерски атрибут. Въз основа на 3D модела можете да създадете прототип на сграда. Освен това, както прототип, повтарящ само общите очертания на сградата, така и подробен сглобяем модел на бъдещата структура.+

Що се отнася до интериорния дизайн, използвайки технологията за 3D моделиране, клиентът може да види как ще изглежда домът или офисът му след ремонт.

  • Анимация

Използвайки 3D графики, можете да създадете анимиран герой, да го „накарате“ да се движи и също така, като проектирате сложни анимационни сцени, да създадете пълноценно анимирано видео.

Етапи на разработване на 3D модел

Разработването на 3D модел се извършва на няколко етапа:

1. Моделиране или създаване на геометрия на модела

Говорим за създаване на триизмерен геометричен модел, без да се вземат предвид физическите свойства на обекта. Използват се следните техники:

  • екструдиране;
  • модификатори;
  • полигонално моделиране;
  • въртене.

2. Текстуриране на обект

Нивото на реализъм на бъдещия модел директно зависи от избора на материали при създаването на текстури. Професионалните програми за работа с 3D графики имат практически неограничени възможности за създаване на реалистични изображения.

3. Създаване на светлина и точка за наблюдение

Един от най-трудните етапи при създаването на 3D модел. В крайна сметка реалистичното възприятие на изображението зависи пряко от избора на светлинен тон, ниво на яркост, острота и дълбочина на сенките. Освен това е необходимо да изберете точка за наблюдение на обекта. Това може да бъде изглед от птичи поглед или мащабиране на пространството, за да се постигне ефектът на присъствие в него - чрез избор на изглед на обекта от височина на човешки ръст.+

4. 3D визуализация или рендиране

Последният етап от 3D моделирането. Състои се от детайлизиране на настройките на дисплея на 3D модела. Тоест добавяне на графични специални ефекти като отблясъци, мъгла, блясък и т.н. При видео рендиране се определят точните параметри на 3D анимация на персонажи, детайли, пейзажи и др. (време на промяна на цвета, блясък и др.).

На същия етап се детайлизират настройките за визуализация: избира се необходимия брой кадри в секунда и разширението на крайното видео (например DivX, AVI, Cinepak, Indeo, MPEG-1, MPEG-4, MPEG-2 , WMV и др.). Ако е необходимо да се получи двуизмерно растерно изображение, се определят форматът и разделителната способност на изображението, основно JPEG, TIFF или RAW.

5. Постпродукция

Обработка на заснети изображения и видеоклипове с помощта на медийни редактори - Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro (или Final Cut Pro/ Sony Vegas), GarageBand, Imovie, Adobe After Effects Pro, Adobe Illustrator, Samplitude, SoundForge, Wavelab и др.

Постпродукцията включва даване на мултимедийни файлове на оригинални визуални ефекти, чиято цел е да развълнуват умовете на потенциалния потребител: да впечатлят, да събудят интерес и да бъдат запомнени за дълго време!

3D моделиране в леярната

В леярското производство 3D моделирането постепенно се превръща в незаменим технологичен компонент от процеса на създаване на продукта. Ако говорим за отливане в метални форми, тогава 3D модели на такива форми се създават с помощта на технологии за 3D моделиране, както и 3D прототипиране.

Но леенето в силиконови форми днес набира не по-малка популярност. В този случай 3D моделирането и визуализацията ще ви помогне да създадете прототип на обект, на базата на който ще бъде направен калъп от силикон или друг материал (дърво, полиуретан, алуминий и др.).

Методи за 3D визуализация (рендиране)

1. Растеризация.

Един от най-простите методи за изобразяване. При използването му не се вземат предвид допълнителните визуални ефекти (например цветът и сянката на обект спрямо точката на наблюдение).

2. Raycasting.

3D моделът се гледа от определена, предварително зададена точка – от височина на човешки ръст, птичи поглед и др. От точката на наблюдение се изпращат лъчи, които определят светлината и сянката на обекта, когато се гледа в обичайния 2D формат.

3. Проследяване на лъчи.

Този метод на изобразяване означава, че когато удари повърхност, лъчът се разделя на три компонента: отразен, сянка и пречупен. Това всъщност формира цвета на пиксела. В допълнение, реализмът на изображението зависи пряко от броя на разделенията.

4. Проследяване на пътя.

Един от най-сложните методи за 3D визуализация. При използването на този метод за 3D изобразяване, разпространението на светлинните лъчи е възможно най-близко до физическите закони на разпространение на светлината. Именно това гарантира високия реализъм на крайното изображение. Струва си да се отбележи, че този метод е ресурсоемък.

Нашата компания ще ви предостави пълен набор от услуги в областта на 3D моделирането и визуализацията. Разполагаме с всички технически възможности за създаване на 3D модели с различна сложност. Ние също имаме богат опит в 3D визуализацията и моделирането, което можете да проверите лично, като проучите нашето портфолио или други наши работи, които все още не са представени на сайта (при поискване).

Маркова агенция KOLOROще Ви предоставим услуги за производство на пробна серия от продукти или тяхното производство в малък мащаб. За да направите това, нашите специалисти ще създадат най-реалистичния 3D модел на обекта, от който се нуждаете (опаковка, лого, символ, 3D мостра на всеки продукт, леярска форма и т.н.), въз основа на който ще бъде прототип на продукта създадено. Цената на нашата работа зависи пряко от сложността на обекта за 3D моделиране и се обсъжда индивидуално.

Конструирането на реалистични изображения включва както физически, така и психологически процеси. Светлината, тоест електромагнитната енергия, след взаимодействие с околната среда, навлиза в окото, където в резултат на физични и химични реакции се генерират електрически импулси, които се възприемат от мозъка. Възприятието е придобито свойство. Човешкото око е много сложна система. Има почти сферична форма с диаметър около 20 mm. От експериментите е известно, че чувствителността на окото към яркостта на светлината се променя по логаритмичен закон. Границите на чувствителност към яркост са изключително широки от порядъка на 10 10 , но окото не е в състояние да възприеме едновременно целия този диапазон. Окото реагира на много по-малък диапазон от стойности по отношение на яркостта, разпределени около нивото на адаптация към осветеността.

Скоростта на адаптиране към яркостта не е еднаква за различните части на ретината, но въпреки това е много висока. Окото се приспособява към „средната“ яркост на гледаната сцена; следователно зона с постоянна яркост (интензивност) на тъмен фон изглежда по-ярка или по-светла, отколкото на светъл фон. Това явление се нарича едновременен контраст.

Друго свойство на окото, което е от значение за компютърната графика, е, че краищата на област с постоянен интензитет изглеждат по-ярки, което кара областите с постоянен интензитет да се възприемат като имащи променлива интензивност. Това явление се нарича лентов ефект на Мах, на името на австрийския физик Ърнест Мах, който го открива. Ефектът на лентата на Мах се наблюдава, когато наклонът на кривата на интензитета се промени рязко. Ако кривата на интензитета е вдлъбната, тогава на това място повърхността изглежда по-светла, ако е изпъкнала, изглежда по-тъмна (Фигура 1.1).

ориз. 1.1. Ефект на лентата на Мах: (а) линейна функция на интензитета на части, (б) функция на интензитета с непрекъсната първа производна.

1.1 Опростен модел на осветление.

Светлинната енергия, падаща върху повърхността, може да бъде абсорбирана, отразена или предадена. Частично се абсорбира и превръща в топлина, а частично се отразява или предава. Един обект може да се види само ако отразява или пропуска светлина; ако даден обект абсорбира цялата падаща светлина, тогава той е невидим и се нарича напълно черно тяло. Количеството абсорбирана, отразена или предадена енергия зависи от дължината на вълната на светлината. При осветяване с бяла светлина, при която интензитетът на всички дължини на вълната е намален приблизително еднакво, обектът изглежда сив. Ако почти цялата светлина се абсорбира, обектът изглежда черен, а ако само малка част от него изглежда бял. Ако се абсорбират само определени дължини на вълните, светлината, идваща от даден обект, променя разпределението на енергията си и обектът изглежда оцветен. Цветът на даден обект се определя от дължините на вълните, които той абсорбира.

Свойствата на отразената светлина зависят от структурата, посоката и формата на източника на светлина, ориентацията и свойствата на повърхността. Светлината, отразена от обект, също може да бъде дифузна или огледална. Дифузното отражение на светлината възниква, когато изглежда, че светлината прониква под повърхността на обект, абсорбира се и след това се излъчва отново. В този случай позицията на наблюдателя няма значение, тъй като дифузно отразената светлина се разпръсква равномерно във всички посоки. Огледалното отражение възниква от външната повърхност на обекта.

Фиг.1.2. Ламбертово дифузно отражение

Повърхността на обекти, изобразени с помощта на прост модел на осветление с дифузно отражение на Lambertian (Фигура 1.2), изглежда избледняла и матова. Предполага се, че източникът е точков източник, така че обектите, които не са директно осветени, изглеждат черни. Въпреки това, обектите в реални сцени също биват засегнати от дифузна светлина, отразена от околната среда, например от стените на стаята. Разсеяната светлина съответства на разпределен източник. Тъй като изчисляването на такива източници изисква големи изчислителни разходи, в компютърната графика те се заменят с коефициента на разсейване.

Нека са дадени два обекта, еднакво ориентирани спрямо източника, но разположени на различно разстояние от него. Ако намерите интензивността им по тази формула, тя ще се окаже същата. Това означава, че когато обектите се припокриват, те не могат да бъдат разграничени, въпреки че интензитетът на светлината е обратно пропорционален на квадрата на разстоянието от източника и обектът, който е по-далеч от него, трябва да е по-тъмен. Ако приемем, че източникът на светлина е в безкрайност, тогава дифузният член на модела на осветление ще изчезне. В случай на перспективна трансформация на сцена, разстоянието от центъра на проекцията до обекта може да се приеме като коефициент на пропорционалност за дифузния член.

Но ако центърът на проекцията е близо до обекта, тогава за обекти, разположени на приблизително същото разстояние от източника, разликата в интензитета е прекалено голяма. Опитът показва, че по-голям реализъм може да се постигне с линейно затихване. В този случай моделът на осветлението изглежда така (фиг. 1.3.)

Фиг.1.3. Огледално отражение.

Ако се приеме, че точката на наблюдение е в безкрайност, тогава тя се определя от позицията на обекта, който е най-близо до точката на наблюдение. Това означава, че най-близкият обект се осветява с пълния интензитет на източника, докато по-отдалечените обекти се осветяват с намален интензитет. За цветни повърхности моделът на осветление се прилага към всеки от трите основни цвята.

Благодарение на огледалното отражение върху лъскавите предмети се появяват светлинни отражения. Поради факта, че огледално отразената светлина е фокусирана по вектора на отражението, светлите светлини също се движат, когато наблюдателят се движи. Освен това, тъй като светлината се отразява от външната повърхност (с изключение на метали и някои твърди багрила), отразеният лъч запазва свойствата на падащия. Например, блестящата бяла светлина върху лъскава синя повърхност произвежда бели отблясъци, а не сини отблясъци.

Прозрачност

Основните модели на осветление и алгоритмите за премахване на скрити линии и повърхности вземат предвид само непрозрачни повърхности и обекти. Има обаче и прозрачни предмети, които пропускат светлина, например чаша, ваза, прозорец на кола, вода. При преминаване от една среда в друга, например от въздух към вода, светлинният лъч се пречупва; следователно пръчка, стърчаща от водата, изглежда огъната. Пречупването се изчислява съгласно закона на Снел, който гласи, че падащият и пречупващият лъч лежат в една и съща равнина, а ъглите на падане и пречупване са свързани с формулата.

Никое вещество не пропуска цялата падаща светлина; част от нея винаги се отразява; това също е показано на (фиг. 1.4.)

Фиг. 1.4. Геометрия на пречупване.

Точно като отражението, предаването може да бъде огледално (насочено) или дифузно. Насоченото предаване е характерно за прозрачни вещества, като например стъкло. Ако погледнете обект през такова вещество, тогава, с изключение на контурните линии на извити повърхности, няма да настъпи изкривяване. Ако светлината се разсейва при преминаване през вещество, тогава имаме дифузно предаване. Такива вещества изглеждат полупрозрачни или матови. Ако погледнете обект през такова вещество, той ще изглежда замъглен или изкривен.

Сенки

Ако позициите на наблюдателя и източника на светлина съвпадат, тогава сенките не се виждат, но се появяват, когато наблюдателят се премести в друга точка. Изображение с вградени сенки изглежда много по-реалистично, а освен това сенките са много важни за моделирането. Например област от особен интерес за нас може да бъде невидима поради факта, че попада в сянка. В приложни области - строителство, разработване на космически кораби и др. - сенките влияят върху изчисляването на падащата слънчева енергия, отопление и климатизация.

Наблюденията показват, че сянката се състои от две части: полусянка и пълна сянка. Пълната сянка е централната, тъмна, рязко очертана част, а полусянката е по-светлата част около нея. В компютърната графика точковите източници обикновено се считат за произвеждащи само пълни сенки. Създават се разпределени източници на светлина с краен размер. както сянка, така и полусянка: в пълна сянка изобщо няма светлина, а частичната сянка се осветява от част от разпределен източник. Поради високите изчислителни разходи, като правило се взема предвид само общата сянка, образувана от точков източник на светлина. Сложността и следователно цената на изчисленията също зависи от местоположението на източника. Най-лесно е, когато източникът е в безкрайност и сенките се дефинират с помощта на ортографска проекция. По-трудно е, ако източникът се намира на крайно разстояние, но извън зрителното поле; тук е необходима перспективна проекция. Най-трудният случай е, когато източникът е в полезрението. След това трябва да разделите пространството на сектори и да търсите сенки отделно за всеки сектор.

За да конструирате сенки, по същество трябва да премахнете невидимите повърхности два пъти: за позицията на всеки източник и за позицията на наблюдателя или точката на гледане, т.е. това е процес в две стъпки. Помислете за сцената на фиг. 1.5. Единият източник е разположен в безкрайност отгоре: отпред вляво на паралелепипеда. Точката за наблюдение е отпред: горе вдясно на обекта. В този случай сенките се образуват по два начина: те са собствена сянка и сянка на проекция. Сянка се получава, когато самият обект пречи на светлината да премине върху някои от лицата му, например върху дясната страна на паралелепипед. В този случай алгоритъмът за конструиране на сенки е подобен на алгоритъма за премахване на нелицеви лица: лицата, засенчени от собствената им сянка, не са лицеви, ако точката на наблюдение е комбинирана с източник на светлина.

Фиг. 1.5. Сенки.

Ако един обект пречи на светлината да достигне до друг, тогава се получава проекционна сянка, например сянка върху хоризонталната равнина в (Фиг. 1.5, b.) За да намерите такива сенки, трябва да конструирате проекции на всички нелицеви лица върху сцената. Центърът на проекцията е при източника на светлина. Пресечните точки на проектираното лице с всички други равнини образуват полигони, които се маркират като полигони в сянка и се въвеждат в структурата на данните. За да не въвеждате твърде много полигони в него, можете да проектирате очертанията на всеки обект, а не отделни лица.

След добавяне на сенки към структурата от данни, както обикновено, се изгражда изглед на сцената от дадена точка на наблюдение. Имайте предвид, че за да създадете различни изгледи, не е необходимо да преизчислявате сенките, тъй като те зависят само от позицията на източника и не зависят от позицията на наблюдателя.

Разработване на алгоритми

Основателите на компютърната графика разработиха определена концепция: формиране на триизмерно изображение въз основа на набор от геометрични фигури. Обикновено за тази цел се използват триъгълници, по-рядко - сфери или параболоиди. Геометричните фигури са твърди, а геометрията на преден план закрива геометрията на заден план. Тогава дойде времето за развитието на виртуалното осветление, благодарение на което върху виртуални обекти се появиха плоски сенчести зони, придаващи на компютърните изображения ясни контури и донякъде създаден от човека вид.

Хенри Гуро предложи осредняване на оцветяването между ъглите, за да се получи по-гладко изображение. Тази форма на антиалиасинг изисква минимални изчисления и в момента се използва от повечето графични карти. Но по времето на изобретяването му през 1971 г. компютрите можеха да изобразяват само прости сцени по този начин.

През 1974 г. Ед Катмул въвежда концепцията за Z-буфера, която е, че едно изображение може да бъде съставено от хоризонтални (X) и вертикални (Y) елементи, всеки от които също има дълбочина. Това ускори процеса на премахване на скритите ръбове и вече е стандарт в 3D ускорителите. Друго изобретение на Catmull беше обвиването на двуизмерно изображение около триизмерна геометрия. Проектирането на текстура върху повърхност е основният начин за придаване на реалистичен вид на триизмерен обект. Първоначално предметите са боядисани равномерно в един цвят, така че например създаването на тухлена стена изисква индивидуално моделиране на всяка тухла и пълнежа между тях. В наши дни можете да създадете такава стена, като присвоите растерно изображение на тухлена стена на обикновен правоъгълен обект. Този процес изисква минимални изчисления и компютърни ресурси, да не говорим за значително намаляване на времето за работа.

От Тонг Фонг подобри принципа на антиалиасинг на Gouraud чрез интерполиране на нюансите на цялата повърхност на многоъгълника, а не само на областите, непосредствено съседни на лицата. Въпреки че изобразяването в този случай е сто пъти по-бавно, отколкото при предишната опция за антиалиасинг, резултатът е „пластмасов“ вид на обектите, характерен за ранната компютърна анимация. Maya използва две опции за оцветяване на Phong.

Джеймс Блин комбинира елементи от рисуване на Фонг и проекция на текстура, за да създаде релефната текстура през 1976 г. Ако изглаждането на Phong е приложено към повърхност и върху нея може да се проектира текстурна карта, защо да не използвате нюанси на сивото според нормалните посоки на лицето, за да създадете ефект на изпъкналост? По-светлите нюанси на сивото се възприемат като хълмове, а по-тъмните нюанси на сивото се възприемат като падини. Геометрията на обекта остава непроменена и можете да видите неговия силует.

Блин също така разработи метод за използване на карти на околната среда за генериране на отражения. Той предложи създаването на кубична среда чрез изобразяване на шест проекции от центъра на обект. След това получените по този начин изображения се проектират обратно върху обекта, но с фиксирани координати, в резултат на което изображението не се движи с обекта. В резултат на това повърхността на обекта ще отразява околната среда. За успешно прилагане на ефекта е необходимо да няма бързо движение на обекти от околната среда по време на процеса на анимация. През 1980 г. Turner Whitted предложи нова техника за изображения, наречена проследяване. Това е проследяване на пътищата на отделните светлинни лъчи от източника на светлина до обектива на камерата, като се вземат предвид тяхното отражение от обекти в сцената и пречупване в прозрачни среди. Въпреки че прилагането на този метод изисква значително количество компютърни ресурси, изображението е много реалистично и спретнато.

В началото на 80-те години, когато компютрите започнаха да се използват по-често в различни сфери на дейност, започнаха опити за използване на компютърна графика в областта на развлеченията, включително киното. Това изискваше специален хардуер и свръхмощни компютри, но началото беше положено. До средата на 80-те години SGI започва да произвежда високопроизводителни работни станции за научни изследвания и компютърна графика.

Alias ​​​​е основана в Торонто през 1984 г. Това име има две значения. Първо, това се превежда като „псевдоним“, защото в онези дни основателите на компанията са били принудени да работят на непълно работно време. Второ, терминът се използва за описание на назъбените ръбове на изображение в компютърната графика. Първоначално компанията се фокусира върху пускането на софтуер. предназначен за моделиране и разработване на сложни повърхности. Тогава беше създаден Power Animator, мощен и скъп продукт, който много производители смятаха за най-добрия наличен по това време.

През 1984 г. Wavefront е основана в Сайта Барбара. Това име буквално се превежда като фронт на вълната. Компанията веднага започва да разработва софтуер за 3D визуални ефекти и да произвежда графики за Showtime, Bravo и National Geographic Explorer. Първото приложение, създадено от Wave-front, се нарича Preview. След това през 1988 г. беше пусната програмата Softimage, която бързо спечели популярност на пазара за продукти, предназначени за работа с компютърна графика. Целият софтуер и хардуер, използвани за създаване на анимация през 80-те години, бяха специализирани и много скъпи. До края на 80-те години в света имаше само няколко хиляди души, работещи в моделирането на визуални ефекти. Почти всички са работили на компютри, произведени от Silicon Graphics и са използвали софтуер на Wavefront, Softimage и др.

Благодарение на появата на персоналните компютри, броят на хората, създаващи компютърна анимация, започна да расте. IBM PC, Amiga, Macintosh и дори Atari започнаха да разработват софтуер за обработка на 3D изображения. През 1986 г. AT&T пусна първия пакет за работа с анимация на персонални компютри, който се нарича TOPAS. Струваше 10 000 долара и работеше на компютри с процесор Intel 286 и операционна система DOS. Благодарение на тези компютри стана възможно създаването на безплатна анимация, въпреки примитивната графика и сравнително ниската изчислителна скорост. На следващата година Apple Macintosh пусна друга компютърно базирана 3D графична система, наречена Electric Image. През 1990 г. AutoDesk започва да продава 3D Studio, продукт, създаден от Yost Group, независим екип, който разработва графични продукти за Atari. Цената на 3D Studio беше само $3000, което в очите на потребителите на персонални компютри го направи достоен конкурент на пакета TOPAS. Още една година по-късно се появи Video Toaster на NewTek заедно с лесната за използване програма LightWave. За да работят с тях, бяха необходими компютри Amiga. Тези програми бяха много търсени на пазара и бяха продадени хиляди копия. В началото на 90-те години създаването на компютърна анимация стана достъпно за широк кръг потребители. Всеки може да експериментира с анимация и проследяващи ефекти. Вече е възможно да изтеглите безплатно програмата Vivid на Stephen Coy, която ви позволява да възпроизвеждате ефекти за проследяване, или програмата Persistence of Vision Raytracer, по-известна като POVRay. Последният предоставя на децата и начинаещите потребители чудесна възможност да се запознаят с основите на компютърната графика.

Филмите със зашеметяващи специални ефекти демонстрират нов етап в развитието на компютърната графика и визуализация. За съжаление повечето потребители смятат, че създаването на впечатляващи анимации зависи изцяло от мощността на компютъра. Това погрешно схващане съществува и днес.

Тъй като пазарът на 3D графични приложения се разрасна и конкуренцията се увеличи, много компании комбинираха своите технологии. През 1993 г. Wavefront се слива с Thompson Digital Images, които използват NURBS моделиране на криви и интерактивна визуализация. Тези функции по-късно станаха основа за интерактивно фотореалистично изобразяване в Maya. През 1994 г. Microsoft закупи програмата Softimage и пусна версия на този продукт за Windows NT платформи, базирани на компютри Pentium. Това събитие може да се счита за началото на ерата на евтини и достъпни за обикновения персонален компютър потребителски програми за работа с триизмерна графика. В отговор SGI купува и обединява Alias ​​​​и Wavefront през 1995 г., за да предотврати загубата на интерес към приложения, които работят изключително на специализирани компютри на SGI. Почти веднага нова компания, наречена Alias] Wavefront, започна да комбинира технологиите, с които разполага, за да създаде изцяло нова програма. Накрая, Maya беше пусната през 1998 г., струвайки между $15 000 и $30 000, за операционната система IRIX на SGI работни станции. Програмата е написана от нулата и предлага нов начин за разработване на анимация с отворен интерфейс за програмиране на приложения (API) и огромна възможност за разширение. Въпреки първоначалното намерение на SGI да запази изключителните права за осигуряване на средата за Maya, версия за Windows NT беше пусната през февруари 1999 г. Старата ценова схема е премахната и базовият пакет Maya сега струва само $7500. Maya 2 се появи през април същата година, а Maya 2.5 се появи през ноември, съдържаща модула Paint Effects. През лятото на 2000 г. беше пусната Maya 3, към която беше добавена възможност за създаване на нелинейна анимация с помощта на инструмента Tmax (Video Editing). В началото на 2001 г. бяха обявени версии на Maya за Linux и Macintosh, а през юни Maya 4 започна да се доставя за IRIX и Windows NT/2000.

Maya е програма за създаване на 3D графики и анимации, базирани на модели, създадени от потребителя във виртуално пространство, осветени от виртуални светлинни източници и показани през обективи на виртуална камера. Има две основни версии на програмата: Maya Complete (струваща $7500 към момента на писане) и Maya Unlimited (струваща $16 000), която включва някои специфични функции. Maya работи на компютри с операционна система Windows NT/2000, както и на операционни системи Linux, IRIX или дори Macintosh. Програмата ви позволява да създавате фотореалистични растерни изображения, подобни на тези, които получавате с цифров фотоапарат. В същото време работата по всяка сцена започва с празно пространство. Този параметър може да се промени с течение на времето, което води до анимирана сцена след рендиране на набор от кадри.

Maya превъзхожда много от пакетите за 3D анимация, предлагани в момента на пазара. Програмата се използва за създаване на ефекти в голям брой филми, има широк спектър от приложения в областите, които изброихме по-горе, и се смята за една от най-добрите в областта на анимацията, въпреки трудностите при научаването й. В момента основните конкуренти на Maya са LightWave, Softimage XSI и 3ds max, които струват между $2000 и $7000. Програмите, които струват по-малко от $1000, включват trueSpace, Inspire 3D, Cinema 4D, Vgoose и Animation Master.

Повечето от тези програми работят добре на персонални компютри и имат версии за различни операционни системи, като Macintosh. Доста трудно е да се извърши сравнителен анализ на тях, но по същество, колкото по-сложна е програмата, толкова по-сложна анимация ви позволява да създавате и толкова по-лесно е да моделирате сложни обекти или процеси.