Редакторы, используемые для создания трехмерных изображений

Трёхмерная графика (3D, 3 Dimensions, измерения) - раздел компьютерной графики, охватывающий алгоритмы и программное обеспечение для оперирования объектами в трёхмерном пространстве, а также результат работы таких программ. Больше всего применяется для создания изображений в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке.

Трёхмерное изображение отличается от плоского построением геометрической проекции трёхмерной модели сцены на экране компьютера с помощью специализированных программ.

При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Для получения трёхмерного изображения требуются следующие шаги:

- моделирование - создание математической модели сцены и объектов в ней;

- рендеринг - построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.

Моделирование

В сцене могут участвовать следующие типы объектов:

- источники света;

- геометрические примитивы - сфера, куб, конус, а также тела, описываемые квадратными и кубическими уравнениями;

- каркасы (англ. mesh) - группы связанных между собой "встык" треугольников, образующих иллюзию тела или поверхности среды;

- среды жидкости в стаканах, газы, например, воздух в атмосфере, дымы;

Есть и концептуально более сложные типы, как, например, искажения пространства или системы частиц.

Задача трёхмерного моделирования - описать эти объекты и разместить их на сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

Рендеринг

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок, по одной для каждого кадра. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена по крайней мере тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга - это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане). Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе. Например:

- сканлайн (scanline) - расчет цвета каждой точки картинки осуществляется построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пиксела "в сцену" до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности;

- трассировка лучей (рейтрейсинг) - то же, что и сканлайн, но цвет пиксела уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых и т.д.) от точки пересечения луча взгляда;

- глобальная иллюминация, radiosity) - расчет взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения производится с помощью интегральных уравнений и другие.

Программные пакеты, позволяющие производить трёхмерную графику, то есть моделировать объекты виртуальной реальности и создавать на основе этих моделей изображения, очень разнообразны. Последние годы устойчивыми лидерами в этой области являются коммерческие продукты: такие как Autodesk 3DS Max, Maya, Newtek LightWave, SOFTIMAGE XSI и сравнительно новые Rhinoceros 3D, Cinema 4D или ZBrush. Кроме того, уверенно набирают популярность и открытые продукты, распространяемые свободно, например, полнофункциональный пакет Blender.

Компьютерная графика представляет значительный интерес также для научных исследований. В частности, она выступает как средство формирования научной документации с использованием специальной нотации – математических знаков, индексов, шрифтов и т.п. В последнее время ученые чаще стали обращаться к имитационному моделированию на компьютере, позволяющему воссоздать в видимой форме то, что иногда в принципе нельзя увидеть глазами: распределение поля температур на поверхности другой планеты, напряжений внутри слитка металла, строения сложной органической молекулы и т.д.

Контрольные вопросы

 

1. Дать понятие компьютерной графики.

2. Назовите области применения компьютерной (машинной) графики и охарактеризуйте их.

3. Дать характеристику функциям графических систем.

4. Привести блок-схему графической системы и описать ее.

5. Дать основные понятия графики.

6. Опишите методы описания цвета.

7. Привести классификацию графических средств.

8. Назовите основные алгоритмы сжатия графики.

9. Охарактеризуйте способы представления графического изображения.

10. Что представляет собой растровое изображение? Дать понятие «пиксель».

11. Назовите преимущество и недостатки растрового изображения.

12. Что такое разрешающая способность? Виды разрешающей способности.

13. Дать понятия «разрешение», «глубина цвета».

14. В чем заключается масштабирование изображения?

15. Для каких изображений подходит лучше всего растровый способ?

16. Чем отличается векторное представление изображений от растрового?

17. Охарактеризуйте один из способов описания векторного графического объекта- кривые Безье.

18. Перечислите преимущества и недостатки векторного изображения.

19. Дать характеристику 3^м видам компьютерной графики: растровой, векторной и фрактальной графики.

20. Опишите графические редакторы.