Трехмерная графика

Компьютерная графика вошла в повседневную жизнь человечества и продолжает бурно развиваться. И вот наступила эра трехмерных технологий.

Трёхмерная графика (3D Graphics, Три измерения изображения) - это раздел компьютерной графики, комплекс приемов, инструментов (как аппаратных, так и программных), предназначенных для формирования объёмных структур [36].

Данная технология чаще всего применяется для воспроизведения изображений на листе печатной продукции и плоскости экрана. Используется в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке, промышленности и медицине.

Изображение 3 D на плоскости принципиально отличается от двумерного тем, что формирует построение геометрической проекции трёхмерного объекта на плоскость. Это может быть экран компьютера, при помощи специальных программ. В таких случаях модель может быть полностью абстрактной проекцией четырёхмерного фрактала либо, соответствовать объектам материального мира (здания, автомобили, астероид, ураган). Для формирования трёхмерного объекта на плоскости необходимы следующие этапы:

- моделирование - воспроизведение трёхмерной математической модели.

- рендеринг или визуализация - создание проекции в соответствии с физической моделью.

- вывод изображения на устройство визуализации - принтер или дисплей.

Задача 3 D моделирования - описать объекты и расположить их в сцене при помощью геометрических преобразований, которые будут соответствовать требованиями будущего изображению [22].

Рендеринг.

Суть данного этапа - векторная пространственная модель преобразовывается в растровую (плоскостную) картинку. При создании фильма, необходимо рендерить последовательность таких изображений - кадров. Как порядок данных, картинка на экране представлена матрицей точек, в которой каждая точка определена минимум тремя числами: интенсивностью синего, красного и зелёного цветов.

В мире есть несколько методик рендеринга, часто сочетаемых вместе. Например, так называемый Z-буфер (используется в DirectX 10 и OpenGL). Упрощенная последовательность обратной трассировки лучей - сканлайн (scanline) - или Ray casting («бросание луча» - расчёт цветовой гаммы каждой точки изображения путем построения луча из точки зрения, наблюдающего через воображаемое отверстие в мониторе на месте этого пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. При этом пиксела будет таким же, как цвет поверхности.

Трассировка лучей или рейтрейсинг, англ. Raytracing - отличается от скайлайна тем, что цвет пиксела уточняется при помощи построения

дополнительных отраженных либо преломленных лучей, от точки пересечения. Несмотря на название, в основном используется только обратная трассировка лучей. А вот прямая сильно неэффективна и поглощает слишком большое количество ресурсов для воспроизведения качественной картинки.

Границы между алгоритмами трассировки лучей на сегодняшний день практически исчезла. Так, в 3D Studio Max стандартный визуализатор имеет название Default scanline renderer, но он читает не только вклад диффузного, отражённого и собственного света, но и так же сглаженные тени. По данной причине, зачастую понятие Raycasting относится к обратной трассировке лучей, а вот Raytracing - к трассировке прямой.

На сегодняшний день самыми используемыми системами для рендеринга являются: V-Ray, mental ray, Turtle Photo Realistic Render Man, Maxwell Render, Final Render, Brazil R/S, Indigo Renderer, Busy Ray, Fryrender.

Программные блоки - пакеты, которые позволяют воспроизводить трёхмерную графику, то есть формировать объекты виртуального мира и создавать на основе этих моделей изображения, очень многообразны. В последнее время лидерами в этом направлении являются коммерческие бренды: такие как Maya, 3D Studio Max, Softimage, Lightwave 3D, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D и сравнительно молодые Nevercenter Silo или ZBrush, Rhinoceros 3D, Кроме этого, существуют и открытые soft-продукты, находящиеся в свободном доступе, такие как: пакет Blender (позволяет создавать, c последующим рендерингом 3D модели (компьютерной визуализацией)), Wings3D K-3D [36].

Бесплатный SOFT от SketchUp позволяет формировать модели, которые можно совместить с географическими ландшафтами ресурса Планета Земля (Google), и просматривать в интерактивном режиме на мониторе компьютера пользователя несколько тысяч архитектурных моделей, которые находятся на бесплатном пополняемом ресурсе Google Cities in Development (выдающиеся здания мира), сформированные сообществом пользователей [38].

3 D графика активно используется в системах автоматизации проектных работ (САПР) для производства твердотельных деталей: зданий, машин, механизмов, а также в архитектурной визуализации. Широко применяется трехмерная графика и в современных системах визуализации в медицине [15].

1.1.4.