Введение в компьютерную графику. 3D графика

В прошлой части была кратко рассмотрена 2D или двумерная компьютерная графика.

В этой статье будет рассмотрена

Трехмерная компьютерная графика или 3D

Если для двумерной компьютерной графики необходимо для каждого нового ракурса перерисовывать всю или часть картины, то для трехмерной компьютерной графики (в дальнейшем - 3D графика) в общем случае достаточно все необходимое предметы и персонажи создать один раз. Создание 3D графики называется моделированием. Моделирование - создание объекта в трех измерениях, т.е. объемного. Это дает поистине неограниченные возможности применения 3D графики! Затем, при необходимости, модель раскрашивают, или наносят текстуру - в общем случае растровое изображение для придания реалистичности. Трехмерные модели размещают в сцене. Обычно сцена помимо самого моделируемого объекта или объектов содержит источник света и окружение. Без источника света и окружения трехмерный объект не будет выглядеть реалистично, ведь в реальном мире наше представление об том или ином объекты формируется не только по его форме, но и по отбрасываемым теням, отражающих, преломляющих и др. свойствах предмета. Особенно это касается, к примеру, сложных по форме или прозрачных предметов, или предметов с зеркальной поверхностью. Попробуйте разглядеть лицо человека если единственный источник света расположен за его спиной или определить, что в стакане находится жидкость если стакан находится в плохо освещенном месте. Яркий источник света также может помешать разглядеть предмет.

Слева картинка с освещением по умолчанию. Посередине с источниками света. Справа - с источниками света и текстурами.

Окружение тоже сильно влияет на восприятие предмета. Неудачный фон или отражение может начисто испортить подачу. Поэтому говорят именно о трехмерной сцене где важна не только форма объекта, но и окружение, грамотная композиция и постановка света.
Конечно, бывают области применения 3D графики, где сцена вовсе не нужна. Это, в частности, трехмерное проектирование машин и механизмов. Хотя, опять же, для эффектной презентации итогового изделия необходимо поместить его в сцену.

Выше утверждалось о практически неограниченных возможностях 3D графики. Естественно, речь только о возможностях применительно к 3D моделированию. Рассмотрим основные области применения трехмерного моделирования.

    Исторически трехмерное моделирование возникло еще задолго до появления компьютеров. Издавна архитекторы изготавливали масштабные макеты будущих строений или даже целых кварталов. Это тоже 3D моделирование. Только из реальных материалов - макеты. В противовес компьютерное 3D моделирование оперирует виртуальными объектами и материалами.
На протяжении всего прошлого века с развитием промышленности, в частности авиа- и автомобилестроения вовсю применялось трехмерное моделирование. Авиаконструкторы изготовляли из дерева и фанеры масштабные и полно размерные копии будущих самолетов для отработки конструкторских и технологических решений, автомобильные дизайнеры в буквальном смысле лепили из глины, пластилина и других материалов кузова будущих автомобилей.
С приходом виртуального трехмерного моделирования проектирование вышло на новый уровень. Предположим инженер нарисовал 10 чертежей из которых состоит прибор, но ошибся на пару мм в одном из чертежей. Пока технологи не изготовят опытный образец ошибка может и не выявится. А это время и деньги. А с помощью современных средств 3D разработки (еще их называют САПР - системы автоматизированного производства) ошибка будет выявлена на этапе виртуальной сборки не вставая с рабочего места, что сэкономит время, материалы и деньги. К тому же, макеты из реальных материалов после окончания разработки, как правило, выбрасываются.
*

А САПР позволяет данные о детали в электронном виде передать на станок с программным управлением или распечатать в виде чертежа. Современные программы проектирования умеют вести конструкторскую и технологическую документацию, рассчитывать прочностные характеристики и т.д.
Таким образом САПР позволяют сократить и удешевить время разработки, что в условиях конкуренции существенно.
Однако, справедливости ради надо заметить, даже в наш век повальной виртуализации не всегда обходятся без макетов, в частности в натуральную величину. Пока еще виртуально трудно оценить удобство для водителя органов управления автомобиля или эргономичность капсулы спускаемого космического аппарата. Но это отдельные случаи которые не так уж и часты.


То же относится и к архитектурным проектам. План здания в виде чертежа - это хорошо, но трехмерная модель, особенно группы строений еще лучше. Архитектурное моделирование очень популярно. С одной стороны оно попроще технического моделирования, с другой стороны весьма наглядно. Редко какой проект даже небольшого загородного коттеджа обходится без согласования с заказчиком на основе не только чертежей, но и 3D моделирования.

Итак, первая область применения: инжерерно-конструкторские разработки, откуда, собственно, виртуальное 3D моделирование и пришло в другие сферы. Затем, наверно, стоит упомянуть визуальную симуляцию. Речь о всевозможных тренажерах, классическим примером в данном случае служит симулятор полета на самолете. В отличии от компьютерных игр когда, игрок сидит перед монитором с клавиатурой или джойстиком, тренажер - это огромная кабина установленная на шарнирах внутри помещения имитирующая кабину самолета у которого вместо окон дисплеи, на них выводится трехмерная картинка в проекции. Также присутствуют реальные проборы и органы управления. Симулятор не только отображает на экране полет, но и раскачивает тренажер в ответ на заложенные виражи. Такой симулятор безопасен для жизней пилотов и в перспективе дешевле чем ремонт или списание разбившихся машин. Особенно когда речи идет об огромных лайнерах. Конечно, самолет он не заметит и любой пилот должен иметь летные часы на настоящих самолетах, но, тем не менее, симулятор играет важную роль в подготовке пилотов. К тому же на нем можно воспроизводить различные аварийные ситуации без реального риска жизни и здоровью, отрабатывая действия экипажа во внештатных ситуациях. Еще с помощью таких симуляторов имитируют произошедшие аварии с целью проведения расследования и выработки рекомендаций по спасению самолета и людей находящихся на борту.

В презентациях также часто используют 3D. Наглядно показать потенциальному заказчику преимущество своей технологической линии перед линией конкурента можно и нужно не только экономическими и техническими выкладками, но и наглядным анимированным роликом.
Из этой же области реклама. Редко какой рекламный ролик обходится без дву- или трехмерной компьютерной графики. Тут каждый может вспомнить множество примеров, например роботов-трансформеров в рекламе батончика или супер помощника из рекламы моющего средства.

Теперь логично вспомнить фильмы, так как самая захватывающая 3D графика как правило делается для кино. Но об этом немного позже.

Археология тоже давно и очень успешно позаимствовала 3D технологии. Трехмерные реконструкции поселений, животных, предметов помогают в исследованиях и наглядно позволяют отобразить изучаемое со всех сторон.
Новомодная тенденция - 3D принтеры. Вы о них наверняка слышали. Они, как правило, печатают пластиком: загрузил барабан пластиковой нити в приемник, загрузил в память принтера компьютерную 3D модель - на выходе готовое изделие которое можно пощупать!

На данный момент это довольно дорогое удовольствие. Но и сам компьютер когда то был тоже малодоступен. Печатают в основном одним цветом, но есть дву- и трехцветные. Можно распечатать оригинальное украшение, игрушку, запчасть - почти все что угодно! Изделие создается послойным нанесением расплавленного пластика на подложку пока не "вырастет". В промышленности научились печатать не только пластиком но и, к примеру, железом.
3D очень удобная вещь и для дома. Для любителей конструировать вообще рай - получить в свое распоряжение шестеренку или корпус нужных размеров и формы стало как никогда просто. Конечно, есть и ограничения у 3D печати как по размерам так и по сложности, прочности получаемых изделий, но и возможности тоже очень большие.
Кстати, есть 3D принтеры (ну, не совсем 3D принтеры, скорее фрезерные станки с ЧПУ) которые не наращивают пластик, а вырезают из заготовки, например из дерева или гипса. Археологи, кстати, часто пользуются этой технологией.

К архитектурной группе можно отнести интерьерное моделирование. Очень популярная и востребованная тема. Если у вас с деньгами нет проблем и вы заказываете себе евроремонт или обставляете новую квартиру - грех не заказать дизайнеру смоделировать будущий интерьер в 3D. А затем капризно отбраковывать один вариант за другим из-за несовместимости мебели на кухне с оттенком глаз вашей болонки.

А то и целый фильм о будущей квартире.

Вообще, 3D визуализацию принято разделять на картинки и анимацию, а художественную визуализацию еще и на экстерьерную, интерьерную (понятно из названия, визуализация "голых" интерьеров и экстерьеров), предметную (в центре внимания какой-либо предмет), портретную или персонажную, другое (натюрморты, пейзажи и т.д., тут можно делить долго).

Основные области применения 3D графики мы рассмотрели. Но еще осталось две большие, просто огромные. Про них с следующей части.

3D в кино и играх

* - все изображения являются собственностью их владельцев