3D компьютерная графика

3D компьютерная графика , иногда называемая CGI , 3-D-CGI или трехмерная компьютерная графика , представляет собой графику, в которой используется трехмерное представление геометрических данных (часто декартовых ), которые хранятся в компьютере для целей выполнения вычислений и рендеринга. цифровые изображения , обычно 2D-изображения , но иногда и 3D-изображения . Полученные изображения могут быть сохранены для последующего просмотра (возможно, в виде анимации ) или отображены в реальном времени .

3-D компьютерная графика, вопреки названию, чаще всего отображается на двухмерных дисплеях. В отличие от 3-D фильма и подобных техник, результат получается двухмерным, без визуальной глубины . Чаще всего трехмерная графика отображается на трехмерных дисплеях , например, в виртуальной реальности системах .

Трехмерная графика отличается от двухмерной компьютерной графики , в которой обычно используются совершенно другие методы и форматы для создания и рендеринга.

3-D компьютерная графика опирается на многие из тех же алгоритмов, что и 2-D компьютерная векторная графика в каркасной модели и 2-D компьютерная растровая графика в окончательном визуализированном отображении. В программном обеспечении компьютерной графики 2D-приложения могут использовать 3D-методы для достижения таких эффектов, как освещение , и аналогичным образом 3D-приложения могут использовать некоторые методы 2D-рендеринга.

Объекты трехмерной компьютерной графики часто называют трехмерными моделями . В отличие от визуализированного изображения, данные модели содержатся в файле графических данных. Трехмерная модель — это математическое представление любого трехмерного объекта; Технически модель не является графическим изображением , пока она не отображается. Модель может отображаться визуально в виде двухмерного изображения с помощью процесса, называемого 3D-рендерингом , или ее можно использовать в неграфическом компьютерном моделировании и расчетах. С помощью 3D-печати модели преобразуются в фактическое трехмерное физическое представление самих себя с некоторыми ограничениями относительно того, насколько точно физическая модель может соответствовать виртуальной модели. ^[1]

История

Уильяму Феттеру приписывают введение термина компьютерная графика в 1961 году. ^[2]^[3] описать свою работу в Boeing . Ранний пример интерактивной трехмерной компьютерной графики был исследован в 1963 году с помощью программы Sketchpad в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института . ^[4] Одним из первых проявлений компьютерной анимации был «Мир будущего» (1976), который включал анимацию человеческого лица и руки, первоначально появившуюся в экспериментальном короткометражном фильме 1971 года «Компьютерная анимированная рука» , созданном Университета Юты студентами Эдвином Кэтмаллом и Фредом Парком. . ^[5]

Программное обеспечение для трехмерной компьютерной графики начало появляться для домашних компьютеров в конце 1970-х годов. Самый ранний известный пример — 3D Art Graphics , набор эффектов трёхмерной компьютерной графики, написанный Кадзумаса Митадзавой и выпущенный в июне 1978 года для Apple II . ^[6]^[7]

Обзор

Рабочий процесс создания трехмерной компьютерной графики делится на три основных этапа:

3-D моделирование – процесс формирования компьютерной модели формы объекта.
Макет и CGI-анимация — размещение и перемещение объектов (моделей, источников света и т. д.) внутри сцены.
3-D рендеринг — компьютерные расчеты, которые на основе размещения света, типов поверхности и других качеств генерируют (растрируют) изображение.

Моделирование

Модель описывает процесс формирования формы объекта. Двумя наиболее распространенными источниками 3D-моделей являются те, которые художник или инженер создает на компьютере с помощью какого-либо инструмента 3D-моделирования , и модели, сканированные в компьютер из объектов реального мира (полигональное моделирование, патч-моделирование и NURBS-моделирование). некоторые популярные инструменты, используемые при 3D-моделировании). Модели также могут быть созданы процедурным или посредством физического моделирования . По сути, трехмерная модель формируется из точек, называемых вершинами, которые определяют форму и образуют многоугольники . Многоугольник — это область, образованная как минимум тремя вершинами (треугольник). Многоугольник из n точек является n-угольником. ^[8] От структуры полигонов зависит общая целостность модели и ее пригодность для использования в анимации.

Верстка и анимация

Перед рендерингом в изображение объекты необходимо разместить в 3D-сцене . Это определяет пространственные отношения между объектами, включая местоположение и размер . Анимация относится к временному описанию объекта (т. е. того, как он движется и деформируется с течением времени. Популярные методы включают использование ключевых кадров , инверсную кинематику и захват движения ). Эти методы часто используются в сочетании. Как и в случае с анимацией, физическое моделирование также определяет движение.

Материалы и текстуры

Материалы и текстуры — это свойства, которые механизм рендеринга использует для рендеринга модели. Можно предоставить модели материалы, чтобы сообщить движку рендеринга, как обрабатывать свет, когда он падает на поверхность. Текстуры используются для придания цвета материалу с помощью карты цвета или альбедо или для придания характеристик поверхности с помощью карты рельефа или карты нормалей . Его также можно использовать для деформации самой модели с помощью карты смещения .

Рендеринг

Рендеринг преобразует модель в изображение либо путем имитации переноса света для получения фотореалистичных изображений, либо путем применения художественного стиля, как при нефотореалистичном рендеринге . Двумя основными операциями реалистичного рендеринга являются транспортировка (сколько света попадает из одного места в другое) и рассеяние (как поверхности взаимодействуют со светом). Этот шаг обычно выполняется с использованием программного обеспечения для трехмерной компьютерной графики или API трехмерной графики . Преобразование сцены в форму, подходящую для рендеринга, также включает в себя 3-D проекцию , которая отображает трехмерное изображение в двух измерениях. для трехмерного моделирования и САПР Хотя программное обеспечение также может выполнять трехмерную визуализацию (например, Autodesk 3ds Max или Blender ), также существует эксклюзивное программное обеспечение для трехмерной визуализации (например, Octane Rendering Engine от OTOY , Redshift от Maxon).

Примеры 3D-рендеринга
3D-рендеринг с трассировкой лучей и фоновой окклюзией с использованием Blender и YafaRay.
3-D модель Dunkerque линкора класса , визуализированная с плоской штриховкой.
На этапе трехмерного рендеринга количество отражений, которые могут принимать «лучи света», а также различные другие атрибуты можно настроить для достижения желаемого визуального эффекта. Рендеринг с использованием Cobalt .
3-D визуализация пентхауса

Программное обеспечение

Программное обеспечение для трехмерной компьютерной графики создает компьютерные изображения (CGI) посредством трехмерного моделирования и трехмерного рендеринга или создает трехмерные модели для аналитических, научных и промышленных целей.

Форматы файлов

Существует множество разновидностей файлов, поддерживающих трехмерную графику, например файлы Wavefront .obj и файлы .x DirectX. Каждый тип файла обычно имеет свою собственную уникальную структуру данных.

Доступ к каждому формату файла можно получить через соответствующие приложения, такие как файлы DirectX и Quake . Кроме того, доступ к файлам можно получить через сторонние автономные программы или посредством декомпиляции вручную.

Моделирование

Программное обеспечение для 3D-моделирования — это класс программного обеспечения для 3D-компьютерной графики, используемого для создания 3D-моделей. Отдельные программы этого класса называются приложениями моделирования или моделлерами.

Трехмерное моделирование начинается с описания трех моделей отображения: точек рисования, линий рисования и рисования треугольников и других многоугольных участков. ^[9]

Разработчики 3D-моделирования позволяют пользователям создавать и изменять модели с помощью 3D- сетки . Пользователи могут добавлять, вычитать, растягивать и иным образом изменять сетку по своему желанию. Модели можно рассматривать под разными углами, обычно одновременно. Модели можно вращать, а вид можно увеличивать и уменьшать.

Разработчики 3D-моделирования могут экспортировать свои модели в файлы , которые затем можно импортировать в другие приложения, если метаданные совместимы. Многие разработчики моделей позволяют импортеры и экспортеры подключать , чтобы они могли читать и записывать данные в собственных форматах других приложений.

Большинство программ 3D-моделирования содержат ряд связанных функций, таких как трассировщики лучей и другие альтернативы рендеринга, а также средства наложения текстур . Некоторые из них также содержат функции, которые поддерживают или позволяют анимировать модели. Некоторые из них могут создавать полноценные видеоролики из серии визуализированных сцен (т. е. анимацию ).

Компьютерное проектирование (САПР)

Программное обеспечение для автоматизированного проектирования может использовать те же фундаментальные методы трехмерного моделирования, что и программное обеспечение для трехмерного моделирования, но их цель различна. Они используются в автоматизированном проектировании , автоматизированном производстве , анализе конечных элементов , управлении жизненным циклом продукции , 3D-печати и компьютерном архитектурном проектировании .

Дополнительные инструменты

После создания видео студии затем монтируют или компонуют видео с помощью таких программ, как Adobe Premiere Pro или Final Cut Pro на среднем уровне или Autodesk Combustion , Digital Fusion , Shake на высоком уровне. Программное обеспечение Match moving обычно используется для сопоставления живого видео с компьютерным видео, обеспечивая их синхронизацию при движении камеры.

Использование движков компьютерной графики реального времени для создания кинематографической продукции называется машинимой . ^[10]

Другие типы 3D-внешности

Фотореалистичная 2D-графика

Не вся компьютерная графика, которая выглядит как 3D, основана на каркасной модели . 2D-компьютерная графика с 3D- фотореалистичными эффектами часто достигается без каркасного моделирования и иногда неотличима в окончательном виде. Некоторые программы для графической графики включают фильтры, которые можно применять к векторной 2D-графике или растровой 2D-графике на прозрачных слоях. Художники-визуалы также могут копировать или визуализировать 3D-эффекты и вручную создавать фотореалистичные эффекты без использования фильтров.

2.5D

В некоторых видеоиграх используется 2,5D- графика, включающая ограниченные проекции трехмерной среды, такие как изометрическая графика или виртуальные камеры с фиксированными углами , либо как способ повышения производительности игрового движка , либо из стилистических и игровых соображений. Напротив, игры, использующие компьютерную 3D-графику без таких ограничений, считаются ^{[ кем? ]} использовать настоящее 3D.

См. также

Графика и программное обеспечение

Области использования

Ссылки

^ «3D компьютерная графика» . ScienceDaily . Проверено 19 января 2019 г.
^ «Историческая хронология компьютерной графики и анимации» . Архивировано из оригинала 10 марта 2008 г. Проверено 22 июля 2009 г.
^ «Компьютерная графика» . Изучение истории компьютеров . 5 декабря 2004 г.
^ Демо-версия альбома Ивана Сазерленда, 1963 г. , получено 25 апреля 2023 г.
^ основателя Pixar, снятая в штате Юта, « Рука добавлена в Национальный реестр фильмов» . Солт-Лейк-Трибьюн . 28 декабря 2011 года . Проверено 8 января 2012 г.
^ «Жестокое программное обеспечение Deluxe» . www.brutaldeluxe.fr .
^ «Извлечение японских программ Apple II» . Проекты и статьи . neoncluster.com. Архивировано из оригинала 5 октября 2016 г.
^ Симмонс, Брюс. «н-гон» . Математические слова . Архивировано из оригинала 15 декабря 2018 г. Проверено 30 ноября 2018 г.
^ Басс, Сэмюэл Р. (19 мая 2003 г.). 3D компьютерная графика: математическое введение в OpenGL . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-139-44038-7 .
^ «Машинима» . Интернет-архив . Проверено 12 июля 2020 г.

Внешние ссылки

Критическая история компьютерной графики и анимации ( копия Wayback Machine )
Как все работает — 3D-графика
«История компьютерной графики» Серия статей (копия Wayback Machine)
Как работает 3D . Объясняет 3D-моделирование освещенной рукописи.

[1] «3D компьютерная графика» . ScienceDaily . Проверено 19 января 2019 г.

[2] «Историческая хронология компьютерной графики и анимации» . Архивировано из оригинала 10 марта 2008 г. Проверено 22 июля 2009 г.

[3] «Компьютерная графика» . Изучение истории компьютеров . 5 декабря 2004 г.

[4] Демо-версия альбома Ивана Сазерленда, 1963 г. , получено 25 апреля 2023 г.

[sltrib-5] основателя Pixar, снятая в штате Юта, « Рука добавлена в Национальный реестр фильмов» . Солт-Лейк-Трибьюн . 28 декабря 2011 года . Проверено 8 января 2012 г.

[6] «Жестокое программное обеспечение Deluxe» . www.brutaldeluxe.fr .

[7] «Извлечение японских программ Apple II» . Проекты и статьи . neoncluster.com. Архивировано из оригинала 5 октября 2016 г.

[8] Симмонс, Брюс. «н-гон» . Математические слова . Архивировано из оригинала 15 декабря 2018 г. Проверено 30 ноября 2018 г.

[9] Басс, Сэмюэл Р. (19 мая 2003 г.). 3D компьютерная графика: математическое введение в OpenGL . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-139-44038-7 .

[10] «Машинима» . Интернет-архив . Проверено 12 июля 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

v т и для 3D-компьютерной графики Программное обеспечение
Open-source	3D Movie Maker Blender CloudCompare FreeCAD GigaMesh Software Framework LuxCoreRender MakeHuman MeshLab OpenFX OpenSCAD Point Cloud Library POV-Ray Seamless3d Sweet Home 3D Wings 3D
Closed-source	3D-Coat AC3D Arnold Autodesk 3ds Max Autodesk Alias Autodesk Maya Autodesk Mudbox AutoQ3D Community Blackmagic Fusion Bryce Carrara Cinema 4D Clara.io Daz Studio Electric Image Animation System E-on Vue Golaem Crowd Hexagon Houdini Kerkythea LightWave 3D MASSIVE Medium by Adobe Messiah Modo Nuke Octane Render Paint 3D Pixar RenderMan Poser Remo 3D Rhinoceros 3D Shade 3D Shark 3D Silo SketchUp Source Filmmaker Strata 3D Terragen ZBrush
Defunct	Amapi Autodesk Softimage Cyber Studio CAD-3D Dynamation Imagine N-World PowerAnimator Sculpt 3D Softimage 3D StrataVision 3D Swift 3D TrueSpace TurboSilver VistaPro
Core technologies	ACIS C3D HOOPS 3D KernelCAD Open Cascade Technology Parasolid Romulus RGK ShapeManager Teigha IntelliCAD
Comparison Category List 3D modeling 3D rendering