Что такое трёхмерная графика?
Раньше, говоря о компьютерной графике, мы имели в виду двумерные («плоские») изображения. Невозможно «повернуть» автомобиль, изображённый на таком рисунке, и посмотреть на него с другой стороны. В то же время реальный автомобиль — это трёхмерный объект, поэтому при решении многих задач его «плоской» модели (рисунка, фотографии) недостаточно.
Трёхмерная графика (3D-графика, от англ. 3-Dimensions — 3 измерения) — это раздел компьютерной графики, который занимается созданием моделей и изображений трёхмерных объектов.
В программах для работы с 3D-графикой строятся трёхмерные (пространственные) модели объектов, в которых каждая точка имеет три координаты (а не две, как на «плоском» рисунке). Затем пользователь может выбрать в пространстве точку наблюдения и получить плоское изображение, т. е. построить проекцию трёхмерной сцены на плоскость. Многие программы позволяют создавать анимацию, показывающую движение трёхмерных объектов в пространстве.
3D-модели применяются не только для построения двумерных изображений. Их используют для различных вычислений, например для расчёта прочности деталей. В последние годы активно разрабатываются 3D-принтеры, которые позволяют методом послойной печати построить объёмный физический объект (чаще всего из пластика) по его трёхмерной модели.
Перечислим важнейшие области применения трёхмерной графики:
• компьютерное проектирование машин и механизмов (САПР — системы автоматизированного проектирования[1]);
• компьютерные тренажёры и обучающие программы;
• построение трёхмерных моделей в науке, промышленности, медицине;
• дизайн зданий и интерьера (внутренней обстановки);
• компьютерные эффекты в кино и телевидении; существуют даже полнометражные фильмы, которые полностью созданы с помощью трёхмерной графики и анимации;
• телевизионная реклама;
• интерактивные игры.
Создание изображений с помощью 3D-графики включает несколько этапов:
1) моделирование — создание трёхмерных объектов, персонажей;
2) текстурирование (раскраска) — наложение на модели рисунков (текстур), которые имитируют реальный материал (дерево, мрамор, металл, кожу и пр.);
3) освещение — установка и настройка источников света;
4) анимация — описание изменения объектов во времени (изменение положения, углов поворота, свойств);
5) съёмка — установка камер (выбор точек съёмки), перемещение камер по сцене;
6) рендеринг (визуализация) — построение фотореалистичного изображения или анимации.
Среди профессиональных программ 3D-моделирования наиболее популярны продукты фирмы Autodesk (www.autodesk.com):3D Studio MAX, Maya и AutoCAD, а также программа Cinema4D фирмы MAXON (www.maxon.net). Мы будем использовать для иллюстраций свободно распространяемый пакет Blender (www.blender.org), версии которого существуют для операционных систем Windows, Linux, Mac OS и других.
Для работы с программами трёхмерной графики нужен компьютер с мощным процессором и большим объёмом оперативной и дисковой памяти. Построение качественных фотореалистичных изображений (которые выглядят как фотографии) занимает огромное время, иногда несколько часов расчётов на один кадр.
Во многих программах есть возможность сетевого рендеринга, когда для расчёта изображения используются мощности нескольких компьютеров, объединённых в сеть (англ. render farm — рендер-фермы).
3. Дополнительный мтериал
6 самых популярных программ для 3D-моделирования
Роль 3D моделирования в современном мире
3D моделирование в современном мире
Трехмерное моделирование в современном мире
Трехмерная графика в современном мире
3D-моделирование: особенности и направления технологии
https://drive.google.com/drive/folders/1gE6-W6gAQbO8mx-y6N1U9iaqXz-6NRaC?usp=sharing (если не получается перейти по сслыка, то скопируйте ее в буфер обмена и вставьте в строку адреса браузера)
4. Домашнее задание
В тетради или оформите в электронном виде (тест/презентация) ответы на следующие вопросы
1. Как строится двумерное изображение трёхмерной модели?
2. В каких задачах необходимо использование трёхмерных моделей?
3. Как вы думаете, в каком виде хранится в памяти информация о трёхмерных объектах?
4. На каких этапах создания изображений в программах 3D-моделирования используется векторная и растровая графика?
5. Объясните, что такое моделирование, текстурирование, рендеринг.
6. Объясните, почему для работы с программами трёхмерной графики требуются мощные компьютеры.
7. Что такое проекции? Зачем они нужны?
8. Чем отличаются перспективные и ортогональные проекции? Когда их удобно использовать?
5. Указать время отправки выполнения задания
Домашнюю работу (скан или фото, фай) отправть на электронную почту stteach@yandex.ru. В теме письма написать: Фамилия Имя КлассЛитера Инф Койков.
Например: Иванов Иван 10А Инф Койков
Работу выполнить до 24 мая 2020
[1] В английском языке — CAD-системы (САБ — Computer Aided Design, проектирование с помощью компьютера).
Рендеринг
В среде 3D-художников, дизайнеров и разработчиков игр под этим термином понимается визуализация: получение двухмерной картинки из трехмерной сцены. Программа, обрабатывающая изображение, называется рендером. В процессе создания изображения рендер обрабатывает массу данных, которые определяют текстуру, цвет и материал визуализируемого объекта.
Проект дизайнера 金 银花, созданный с использованием рендеринга в 3ds Max. Источник
Помимо ПО, за рендеринг отвечают мощности CPU (процессора ПК) или GPU (графического процессора видеокарты). Некоторые программы предусматривают возможность совместной работы CPU и GPU для более быстрого и качественного создания изображения.
3D-дизайн. Архитекторы используют рендеры для визуализации своих проектов, чтобы их можно было максимально выгодно представить строительным и рекламным компаниям, а также потенциальным покупателям. К тому же прототипирование с использованием 3D-технологий позволяет быстро устранить дефекты конструкции и заменить материалы в запланированной отделке. Маркетологи активно используют рендеринг в рекламных кампаниях: фотореалистичные изображения помогают создать яркий и узнаваемый образ конечного продукта.
Визуализация апартаментов, выполненная студией YODEZEEN Architects. Источник
Видеоигры. Фотореализм, который достигается при помощи рендеринга, а также высокая четкость изображения являются решающими факторами при выпуске новой игры. Пользователи ищут в виртуальной реальности возможности для отдыха и расслабления, и разработчики делают все, чтобы именно их продукт выглядел максимально притягательно и реалистично. Рендеринг в играх для консолей и ПК в последние годы позволил совершить революцию в графике и вдохнуть новую жизнь в индустрию.
Рендеринг кадра видеоигры с готовностью 70%. Источник
Монтаж видео. Рендеринг используется в процессе сведения отдельных фрагментов в единый файл. В процессе на видео накладываются аудиодорожка, надписи, графические элементы. До рендеринга файл может иметь слишком большой размер и перегружать процессор ПК, а после обработки с использованием соответствующего ПО он «сжимается», его легко воспроизвести на компьютере, телевизоре или загрузить на видеохостинг.
Рендеринг видеодорожки. Источник
Киноиндустрия. Современное кино не обходится без компьютерной графики. Это значительно дешевле установки декораций и изготовления сложных костюмов. В студиях 3D-анимации художники создают персонажей, фоны, изображения различных предметов и другой визуал с особо высокой степенью детализации, поэтому рендеринг особо востребован в сфере. Кинокомпании постоянно совершенствуют технологии, в частности, создают симуляторы дополнительного освещения, и для обработки всех полученных данных требуются не просто компьютеры, а целые рендер-фермы.
Сравнение качества рендеринга кадра мультфильма с 10+ отражений (слева) и одним отражением (справа). Сравнение качества рендеринга кадра мультфильма с 10+ отражений (слева) и одним отражением (справа). Источник
Техники рендеринга
Сегодня существует несколько алгоритмов визуализации, которые используют рендеры для получения конечной фотореалистичной картинки. Но большинство из них объединены общей целью — создать изображение, опираясь на особенности попадания света на определенный объект. Фотореализм достигается как раз благодаря грамотному распределению пучков света по объекту. Для этого ПО может использовать следующие техники рендеринга.
Растеризация. Один из самых старых методов, которые используют рендеры. При растеризации модель разделяется на множество полигонов при помощи сетки. Вершины полигонов несут в себе информацию о цвете, текстуре и положении. В процессе рендеринга вершины проецируются перпендикулярно камере на пустую плоскость. Эффект перспективы относительно наблюдателя при растеризации не рассматривается. Метод рендеринга считается самым быстрым и сегодня используется в сферах, требующих обработки изображения в реальном времени: видеоиграх, симуляциях, при работе интерактивного графического интерфейса.
Схематическое изображение процесса растеризации. Источник
Лучевое литье (рейкастинг). При наличии в сцене перекрывающих друг друга объектов растеризация не сможет обработать изображение корректно: часть изображений при рендеринге может отразиться и привести к искажению цены. В таком случае уместно использовать приведение лучей, при котором свет направляется на модель с точки зрения наблюдателя. При использовании такой технологии лучи будут выводиться на все пиксели на плоскости изображения. В процессе рендеринга будет отрисована та поверхность, на которую лучи попадут в первую очередь.
Пример работы рейкастинга. Источник
Трассировка лучей. Лучевое литье не рассчитано на корректное отображение теней, создание преломлений и отражений. Развитие 3D требовало появления новых технологий, и разработчики смогли создать метод трассировки лучей. Принцип действия схож с рейкастингом, но отличие в том, что свет отображается более корректно: первичные лучи, направленные на модель, продуцируют вторичные лучи — теневые, преломляющие или отраженные. Трассировка учитывает свойства поверхности модели для создания максимально корректного изображения. Если же путь луча света к модели перегораживается каким-то объектом, то на поверхности модели возникает тень этого объекта. В случае, если поверхность имеет отражающие свойства, луч будет отражен и перенаправлен на другие объекты в сцене с учетом ее геометрии.
Пример наличия и отсутствия трассировки лучей. Источник
Уравнение рендеринга. Для передачи максимальной реалистичности требуется не просто направление луча света, а обработка сложных математических данных. С этой целью и создано уравнение рендеринга, которое моделирует освещение объектов во всей сцене. Трассировка лучей использует при работе только прямое освещение, в то время как уравнение учитывает все источники света, задействованные в рендере.
Пример изображения, полученного при помощи нескольких уравнений рендеринга. Источник
Основные понятия в сфере рендеринга
Технологии рендеринга могут показаться сложными для новичков, поэтому сначала стоит познакомиться с основными терминами.
- Прозрачность — резкое прохождение луча света сквозь твердый объект.
- Полупрозрачность — рассеянная передача лучей света сквозь объект.
- Преломление — изгиб света, непосредственно связанный с прозрачностью.
- Дифракция — огибание лучом света границы твердого объекта.
- Непрямое освещение — свет, отраженный от нескольких поверхностей, а не исходящий из источника.
- Каустика — форма непрямого освещения, при которой лучи света фокусируются сквозь прозрачный объект.
- Фоггинг — эффект, при котором свет становится более тусклым при прохождении сквозь туман или дождь.
- Бамп-мэппинг — метод моделирования неровностей на различных поверхностях.
- Шейдинг — зависимость оттенка поверхности и степени его яркости от освещения.
ПО для 3D-рендеринга
3ds Max. Популярная программа, которая широко используется в различных сферах. Позволяет создавать архитектурные проекты, анимированных персонажей, сцены для видеоигр и т. д. 3ds Max совместим с Autodesk, поэтому художник может использовать максимум функций, имея в своем распоряжении всего лишь пару программ. Стоит отметить, что ПО может быть сложным в освоении для начинающих. Большая библиотека модификаторов, широкий набор инструментов и простое обучение выводят ее в фавориты 3D-художников. Программа платная, но студентам предоставляется на три года на безвозмездной основе.
Изображение, полученное в 3ds Max, от Yuri de Menezes. Источник
Maya. Еще одна программа для рендеринга от разработчика Autodesk. Комфортный для пользователя интерфейс, который позволяет оптимизировать все рабочее пространство под индивидуальные нужды, широкие возможности в части манипуляций с объектами и красивые реалистичные рендеры трехмерных моделей — вот главные «фишки» ПО. Одно из самых популярных направлений использования Maya – моделинг персонажей для игр, компьютерной графики, мультипликации и видеороликов.
Работа с полигонами в Maya. Источник
Lumion. Программа подходит для начинающих, так как имеет простой интерфейс и позволяет с удобством работать над моделями. Пользователь имеет возможность настраивать анимацию, передавать созданные модели на несколько устройств, чтобы редактировать в любом месте и в любое время. Но у Lumion есть ограничение: при рендеринге он задействует графическую карту, поэтому в процессе обработки изображения пользователь не сможет использовать на своем компьютере ПО, для которого требуется работа графической карты.
Архитектурная модель от Ten Over Studio, визуализированная в Lumion. Источник
Cinema 4D. Еще один популярный софт с широкими возможностями и относительно простым интерфейсом. Поддерживает анимацию, моделирование, рисование, скульптуринг, рендер видео и трекинг. Программа русифицирована, что особенно актуально для российских пользователей, не владеющих английским языком. Это универсальная программа, подходящая для решения большинства задач по созданию 3D-графики, пожалуй, кроме дизайна интерьеров (для этого чаще применяется 3ds Max).
Рабочий интерфейс Cinema 4D. Источник
Zbrush. Необычное ПО от Pixologic, в котором при создании модели используется технология «лепки», дополнительно усиленная движком трехмерного рендеринга. Процесс работы в программе напоминает по своей логике ручную лепку из глины или пластилина: здесь можно добавлять или «срезать» материал, приглаживать его и т.д. Zbrush подойдет как продвинутым, так и начинающим пользователям. Программа позволяет создавать высокодетализированные объекты — до нескольких десятков миллионов полигонов. Этот рендерер будет особенно актуален и для тех, кто создает модели для печати на 3D-принтере.
Процесс создания трехмерной модели в Zbrush. Источник
Sculptris. Этот рендерер можно назвать упрощенным вариантом описанного выше Zbrush. Он основывается на принципах его работы, но имеет меньший набор инструментов и более легкий в освоении интерфейс. Еще одно отличие — ПО бесплатно, поэтому подходит для тех, кто хочет попробовать свои силы в скульптурировании трехмерных моделей, но не уверен, будет ли продолжать на профессиональной основе.
Пример работы дизайнера stone sun в Sculptris. Источник
Blender. Бесплатная программа с широким набором инструментов для создания 3D-моделей. Открытый исходный код позволяет совершенствовать ПО, множество уроков в открытом доступе помогут освоить рендерер даже новичкам, а готовая анимация или изображение сравнимы с аналогами, которые создавались в платных программах. Трудности может вызвать нестандартный интерфейс.
Пример работы дизайнера Maximilien Vert в Blender. Источник
Modo. Оптимальна для создания статичных изображений. Инструменты симуляции присутствуют, но требуют серьезной доработки. Интуитивно понятный интерфейс и минимум нагрузки на процессор при рендеринге — ее главные преимущества. Разработчики сделали упор на совершенствование инструментов для текстурирования, поэтому готовые работы максимально фотореалистичны. 3D-художники любят ПО за простоту и гибкость. Modo можно скачать только платно.
Пример изображения, созданного дизайнером Hiroshi Yoshii в рендерере Modo. Источник
ИСКРА — бесплатная неделя знакомства с дизайн-профессиями
Получайте подарки каждый день — они помогут узнать больше о профессиях в дизайне, выбрать ту, которая вам подойдет, и узнать о карьерных перспективах,
в том числе и зарубежом.
ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Рендеринг – это процесс в ходе которого получается фотореалистичное 2d изображение, сделанное по модели или по другим данным, например, описанию геометрических данных объектов, положении точки наблюдателя, описанию освещения и т.д., (от англ. rendering — «визуализация»). Все действия осуществляются с помощью специальных компьютерных программ.
Вот, например, этот снимок, как вы считаете — это фотография или рендеринг? Ответ вас будет ждать в конце статьи, а пока продолжим.
Область применения
Своё применение рендеринг нашел во многих областях:
— кино индустрия;
— анимация;
— видеоигры;
— реклама;
— дизайн интерьеров;
— дизайн ювелирных украшений;
— создание мебельных каталогов;
— ремонт и строительство домов;
— картографии;
— промышленность и военное производство (создание деталей, рам и различных конструкций) и т.д.
Применение данной технологии позволило значительно сократить временные и трудовые ресурсы при создании дизайнерских проектов. Минимизировать риски получения плохого результата, так как программы позволяют заранее увидеть реалистичный вид будущего продукта. Благодаря этому выбираются лучшие решения дизайна и варианты исполнения, а также получается значительная экономия средств, так как не требуется переделывать готовое изделие, вживую, ведь все переделки уже сделаны виртуально, без лишних затрат.
Как это происходит
Чаще всего строится полигональная модель, все видели подобную модель в виде сетки. Все поверхности в данной модели представляются двухмерными примитивами – треугольниками, четырехугольниками и т.д. Эти примитивы называются полигоны.
Также возможно использовать поверхностное моделирование и твердотельное моделирование в различных CAD/CAM-системах.
Такая модель несет только лишь математическую модель, которая оговаривает ее геометрию и ничего больше. Для придания цвета на эти полигоны накладывается текстура. Текстура представляет собой обычный рисунок или фотографию, которые и накладываются на модель.
После наложения текстуры модель становится уже более лучше выглядеть, но далеко не фотореалистично, так как реальные поверхности обладают рядом свойств, таких как прозрачность, отражательная способность и т.д. Поэтому модели необходимо назначить материалы и указать их свойства, например, полированный металл и т.д. Материал также представляет собой математическую модель, имеющей различные свойства, через которые можно менять, например, прозрачность воды.
Для более реальной визуализации необходимо задавать все материалы послойно, например, кузов автомобиля имеет слой металла, грунтовки и краски. Так достигается реально крутой результат.
Но на этом еще не всё, для ощущения реальности необходимо разместить сцену, расположить модель нужным образом, настроить освещение и камеру. И осуществить рендеринг, расчет данной картинки с учетом заданных всех настроек материала, освещения и т.д.
Таким образом за рендерингом скрываются определенные математические формулы векторной математики, геометрии и т.д. и огромный расчет.
Создание фотореалистичного изображения модели состоит из 6 этапов и рендеринг — это 5 этап.
• Моделирование или создание объемных объектов. На этом этапе используются очень много различных способов. Самые популярные: использование кривых и полигонов.
• Текстурирование – это создание текстуры и материалов поверхностей моделей. Это целое искусство и отдельная отрасль в производстве.
• Оснастка – по-другому риггинг. Процесс создания скелета и мышечной массы объекта для дальнейшей анимации.
• Анимация – оживление созданного объекта.
• Рендеринг – непосредственная визуализация объекта и запись.
• Композитинг – объединения всех созданных объектов в одну сцену.
Методы, применяемые к объектам, зависят от выбранного процесса рендеринга:
— Сканирование строк (scanline rendering) – при таком рендеринге объекты визуализируются горизонтально построчно. Он применяется для создания видимой поверхности. Широко применяется в кино индустрии. Так как кадр появляется на экране доли секунды и качество и реалистичности при этом не столь важно. Главный недостаток – для создания теней приходится прибегать к другим методам. На нем работают: Pixar’s RenderMan и Electric Image’s Camera.
— Трассировка лучей (ray tracing rendering) – при таком методе отслеживается взаимодействие световых лучей с поверхностью предмета. Применяется в обработке фотографии и создании фото 3D моделей. Главный недостаток – большие временные затраты. На нем работают: Softimage, NewTek LightWave или Discreet 3D Studio MAX.
Основной этап визуализации – ретуширование. Его используют для получения изображения высокого качества. Он использует ряд методов для визуализации поверхности при различном освещении:
— отражение света;
— поглощение света;
— рассеивание света;
— смешивание различных источников освещения.
Программы для визуализации делятся на два вида: Real-Time и Non-Real-Time. Выбор зависит от поставленных целей и конечного результата.
Real-Time
Такие рендеры (программы) работают на методе сканирования строк. Они были созданы для быстроты обработки, но при этом значительно теряется качество изображения. Эти программы были созданы для создания игр, симуляторов времени и включены во многие пакеты 3d моделирования. Для достижения ими высокого качества приходится одну и туже сцену просчитывать несколько раз с различных точек видения. Применяются дополнительные трюки.
Non-Real-Time
Эти рендеры используют для создания фотографий очень высокого качества. Их основа метод трассировки лучей и процесс нацелен на результат, но занимает длительное время. Они позволяют создавать изображения высочайшего качества, когда можно разглядеть все подробности в надежде найти недостатки. Они могут обрабатывать большие сложные сцены с различным освещением.
Большинство современных систем используют оба метода. Выбирая самостоятельно в зависимости от поставленной задачи.
Рендеринг сегодня
Индустрия рендеринга не стоит на месте, а постоянно развивается. Создаются все новые и более совершенные программы, которым требуется все меньше и меньше времени на визуализацию объектов. В скором времени, на этот процесс будут уходить секунды. Сама работа с программными пакетами становится гораздо проще, буквально на уровне интуиции. Уже не требуется сложная многочасовая настройка компонентов. Сегодня можно поместить объект в сцену, выбрать материалы для поверхностей и уже получите неплохой результат.
Яркий пример применения рендеринга – это каталог мебели и аксессуаров компании IКЕА. 75% продуктов и 35% интерьеров в каталоге это 100% рендеринг. Но и остальная часть каталога только на четверть состоит из реальных фотографий без добавления визуализации.
Еще одним примером применения визуализации является проектирование экстерьеров и интерьеров помещений. На этапе строительства дома или отеля в виде чистого поля и кучи чертежей, обычным людям не возможно представить, что здесь будет построено, так рендеринг или визуализация дает возможность увидеть реалистичное изображение будущего объекта до вложения своих средств.
Разработка
Для визуализации моделей создано более 500 различных программ. Часть из них включены в большие пакеты 3d моделирования, а остальные являются самостоятельными программами выполняющие различные задачи.
Если провести краткий анализ основных программ, то можно выделить следующие:
— Wavefront Maya – лучшая программа для анимации мягких тел, с помощью ее можно создать очень реалистичные ткани и текстуру воды.
— NewTek LightWave – считается самой быстрой и точной. Применяет 96-битную глубину цвета, осуществляет анимацию методом Radiosity.
— Pixar RenderMan – это самая быстрая программа для рендеринга, ее повсеместно используют в кино индустрии. Но она предназначена только для визуализации, все остальные процессы придется делать в других программах.
— Discreet 3D Studio MAX – это основа и рабочая площадка для всей 3d анимации. Вы можете добавлять в нее необходимые функции для решения поставленных задач.
Сегодня модули рендеринга и визуализации входят в состав современных инженерных CAD/CAM-систем, применяемых для автоматизированного проектирования изделий и технологической подготовки производства к их изготовлению. Таким образом в данных пакетах можно спроектировать изделие, сделать рендеринг, спроектировать управляющие программы для станков с ЧПУ и начать их изготовление на станке и всё это в рамках одной программы. Пример такого модуля CAD/CAM-системы можно посмотреть здесь.
А вот уже и ответ, думаю, если статья была бы о гонках, то никто бы и не догадался, что это был рендеринг, за которым скрывается обычная 3d-модель, а не реальная фотография из машины пилота.
Заключение
За прошедшие 15 лет рендеринг превратился в крупную и постоянно развивающуюся индустрию. Это уже давно не просто красивое изображение, а серьезный и крупномасштабный инструмент, используемый во многих отраслях. Его развитие позволило сократить затраты труда и энергоресурсов, представить будущий объект еще на первоначальном этапе и даже заглянуть в космические дали — это многого стоит.