Особенности работы
с трехмерным миром
Использование программ трехмерной
графики во многом сходно со съемкой с по-
мощью видеокамеры. Во время съемки в объ-
ектив попадают различные трехмерные объ-
екты, но при воспроизведении на экране ком-
пьютера видны лишь плоские двумерные
изображения, представляющие собой образы
реальных объектов.
В самом названии – "трехмерный" – за-
ложено указание на то, что объект рассмат-
ривается в трех пространственных измерени-
ях: ширина, глубина и высота. Все, что нас
окружает (стул, стол, здания и т.д.), имеет три
измерения. В то же время экранное изобра-
жение трехмерных объектов, как и печатное,
является всего лишь их двумерным образом.
Эти образы на экране выглядят вполне реаль-
но благодаря наличию источников света, ес-
тественной окраске, присутствию теней и
бликов, придающих изображению глубину и
делающих его визуально правдоподобным.
Таким образом, основная задача пользователя
программы трехмерного моделирования –
создать сцену – совокупность образов трех-
мерных объектов.
Основным отличием двумерной графи-
ки от трёхмерной является полное отсутствие
у двумерных объектов координаты глубины.
Рисунки на плоскости обладают только ши-
риной и высотой. Даже если плоские объекты
будут нарисованы так, чтобы создавалось
впечатление наличия у них третьего измере-
ния, любая попытка взглянуть на эти объекты
с другой точки наблюдения будет связана с
необходимостью перерисовывания этих объ-
ектов заново. Поскольку при моделировании
трёхмерных объектов появляется координата
глубины, то достаточно однажды нарисовать
такие объекты, чтобы потом иметь возмож-
ность рассматривать их под любым углом
зрения, не перерисовывая заново. Именно эта
особенность работы с трехмерным миром по-
зволяет проникать внутрь объекта и исследо-
вать его изнутри.
Трехмерная графика успешно использу-
ется в области автоматизированного проекти-
рования, в компьютерном моделировании,
проектировании интерьеров, создании анима-
ционных фильмов, дизайне, рекламе. Там, где
выполнение реальной фотосъемки невозмож-
но, затруднительно или требует значительных
материальных затрат, трехмерная графика
помогает синтезировать изображения собы-
тий, т.е. выполнять комбинированную съемку.
Создание виртуальных миров – одно из
наиболее интересных направлений информа-
Принципы трехмерной графики в программах трехмерного моделирования…
ционных технологий. Виртуальные миры
предназначены для того, чтобы обеспечить
пользователя трехмерной интерактивной сре-
дой для исследований и путешествий. При-
влекательность виртуальных миров связана с
их функциональностью. Виртуальная среда
позволяет не только наблюдать, но и дейст-
вовать, т.е. пользователи могут самостоя-
тельно исследовать трехмерные миры. Кроме
того, виртуальный мир может реагировать на
действия путешественника. Таким образом,
разработчик виртуального мира сначала дол-
жен создать сцену, затем дополнить ее сред-
ствами интерактивного взаимодействия и,
наконец, загрузить в интернет-браузер. После
такой загрузки становятся возможными пе-
ремещения по виртуальному трехмерному
миру, а также взаимодействие с ним (запуск
анимации объектов, включение/выключение
звукового сопровождения, переход по гипер-
ссылкам и др.).
Технология виртуальной реальности
может быть использована в самых разных
областях – в инженерной и научной визуали-
зации, мультимедиапрезентациях, развлека-
тельных и образовательных продуктах, рек-
ламе, при создании web-страниц и справоч-
ников, а также в архитектуре и туризме. С
помощью этой технологии можно осмотреть
товар со всех сторон; заглянуть внутрь рабо-
тающего автомобильного двигателя, провести
занятие по устройству компьютера; совер-
шить прогулку по национальному парку и т.д.
Основные этапы создания
Трехмерного мира
Трехмерная компьютерная графика
представляет собой сочетание растровой
графики, векторной графики и алгоритмов
визуализации.
В растровой графике запоминается ин-
формация о цвете каждого пикселя экрана.
Векторная графика содержит описания ри-
сунков в виде набора команд. В традицион-
ной живописи рисованием или визуализацией
называется создание нарисованного пред-
ставления какого-то реального объекта. В
мире трехмерного моделирования визуализа-
ция выполняется специальным программным
обеспечением. Именно на этом этапе про-
грамма рассчитывает и наносит на изображе-
ние все тени, блики и отражения объектов.
Для повышения достоверности и создания
необходимого эмоционального настроя (как у
хорошей картины или фотографии) в ходе ви-
зуализации можно выполнить имитацию не-
которых природных явлений, таких как дым-
ка, туман, объемное освещение, пламя и др.
Независимо от используемых про-
граммных средств формирование трехмерно-
го мира состоит из следующих этапов: моде-
лирование, наложение материалов, расста-
новка источников света, установка камер,
визуализация, анимация. На первых четырех
этапах используются законы векторной гра-
фики. В результате визуализации создается
растровое изображение.
Рассмотрим краткую характеристику
каждого этапа создания трехмерного мира.
Моделирование
Моделирование – создание формы трех-
мерного объекта. Для представления объек-
тов, как правило, используются многоуголь-
ники (полигоны), которые располагаются та-
ким образом, чтобы образовывать оболочку
нужной формы. В ряде случаев для конструи-
рования объекта требуется небольшое коли-
чество полигонов. Например, при работе с
кубом необходимо отслеживать положение
восьми вершин и шести граней. Для более
сложных объектов число многоугольников
может достигать десятков или тысяч.
Наложение материалов
Геометрические модели определяют
формы, которые не имеют поверхностных
свойств. Все предметы реального мира состоят
из каких-либо материалов (пластмассы, дерева,
кирпича, мрамора и др.). Материалы – краски
и текстуры, которыми покрываются объекты.
Кроме того, материалы определяют поверхно-
стные свойства объектов, такие как шерохова-
тость, блеск, прозрачность. Любая модель бу-
дет с высокой степенью достоверности пред-
ставлять реальные объекты, если ее поверхно-
сти придать вид некоторого материала.
Расстановка источников света
Освещение – процесс расстановки источ-
ников света таким образом, чтобы вид сцены
точно соответствовал замыслу. Освещение при-
дает сцене ощущение объемности и реальности,
так как источники света способны создавать
тени, когда их лучи падают на объекты. На сце-
не источник света аналогичен осветителю при
фотографировании в фотостудии.
Расстановка источников света и на-
стройка их параметров подразумевает экспе-
риментирование методом проб и ошибок. К
примеру, освещение интерьера является дос-
таточно сложной задачей и предполагает ис-
пользование нескольких источников для соз-
дания специальных подсветок и бликов. С
другой стороны, наружное освещение зданий
моделируется достаточно просто. В этом слу-
чае необходим единственный источник, ими-
тирующий солнце.
Установка камер
Выбор способа показа сцены очень ва-
жен для зрителя. Программы трехмерного мо-
делирования, а также системы виртуальной
реальности предоставляют возможность рас-
сматривать сцену через съемочную камеру и,
таким образом, управлять параметрами съем-
ки. Камера имеет много общего с обычным
фотоаппаратом. Обязательной частью любого
фотоаппарата является объектив – система
линз, которая служит для преобразования на-
блюдаемого изображения. Камера – полноцен-
ный объектив, у которого в отличие от фото-
аппарата нет корпуса. Регулируя фокусное
расстояние камеры, можно изменять размер
изображения: чем больше фокусное расстоя-
ние, тем сильнее увеличение в окне камеры.
При создании трехмерных миров ис-
пользуются нацеленные и свободные камеры.
Нацеленная камера имеет точку камеры и
точку нацеливания. Свободная же камера не
имеет точки нацеливания и предназначена для
использования в анимации, где предусмотре-
но перемещение камеры вдоль некоторой тра-
ектории.
Визуализация
Широко применяемой технологией ви-
зуализации является метод трассировки луча.
Этот метод обрабатывает информацию, полу-
ченную после создания модели, наложения
материалов, расстановки источников света,
установки камер и строит окончательное изо-
бражение, а именно вычисляет цвет и яркость
каждого пикселя экрана. При этом просчиты-
ваются интересные визуальные эффекты, та-
кие как отражение, преломление, тени и др. В
зависимости от сложности сцены и быстро-
действия компьютера визуализация может
быть выполнена в течение нескольких се-
кунд, минут или часов. Результат визуализа-
ции – растровое изображение, которое в
дальнейшем может быть обработано любым
редактором растровой графики, например
AdobePhoshop.
Реализация этапа визуализации требует
умения программировать на языках высокого
уровня (например, С++); владения навыками
использования графических библиотек
(OpenGL, DirectX или др.), а также знаниями
в таких областях, как численные методы, ли-
нейная алгебра, аналитическая геометрия и
математический анализ. Пользователю про-
грамм трехмерного моделирования не требу-
ется реализовывать алгоритмы визуализации.
Эта задача решается специальным программ-
ным обеспечением. Однако понимание цели
визуализации и способов ее достижения важ-
но для успешного освоения процесса созда-
ния трехмерного мира.
Анимация
Компьютерная анимация – любые ди-
намические изменения искусственно создан-
ного изображения. Анимация изображений
достигается за счет показа на экране последо-
вательности кадров со скоростью, достаточ-
ной для создания иллюзии плавного движе-
ния. Этот принцип полностью аналогичен
тому, который используется в рисованной
мультипликации.
Двумя базовыми методами анимации
являются анимация реального времени и по-
кадровая анимация. В анимации реального
времени кадры отображаются на экране по
мере их генерации. При покадровой анимации
каждый кадр генерируется и записывается
отдельно. Позже все кадры объединяются в
фильм или же последовательно отображаются
на мониторе в режиме воспроизведения в ре-
альном времени. Используя покадровую ани-
мацию, компьютерный художник может соз-
давать каждый кадр анимационной последо-
вательности. Такой подход требует больших
временных затрат, но при этом позволяет по-
лучать анимацию любой сложности. Кроме
того, ряд графических систем предоставляет
возможность задавать положение анимируе-
мых объектов только в ключевых (опорных)
кадрах, а содержимое промежуточных кадров
создается автоматически.
Простые анимационные сцены обычно
генерируются в реальном времени, тогда как
более сложная анимация требует медленного
покадрового построения. В то же время для
некоторых приложений необходима анимация
Принципы трехмерной графики в программах трехмерного моделирования…
в реальном времени, например, для интерак-
тивных систем виртуальной реальности.
