3D – это сокращение от слова "трёхмерный" (three-dimensional). Объекты в реальном мире имеют три измерения; например, мы можем измерить длину, ширину и высоту объекта. Если мы посмотрим на объекты в реальном мире, то легко сможем оценить их ширину и высоту (двухмерный вид объекта), но мы также можем воспринимать глубину объекта и расстояние до него.
Мы смотрим на мир двумя глазами. Поскольку глаза находятся не в одном месте, а немного разнесены друг от друга, каждый из них получает немного отличающуюся перспективу на объект. Обычно две картинки совмещаются мозгом в одну, но если вы закроете один глаз, то получите как раз ту картинку, которую воспринимает другой глаз. Обратите внимание, насколько различаются перспективы близко расположенных объектов для каждого глаза.
Кинотехногия 3D - технология формирования псевдообъемного изображения для усиления эффекта присутствия на месте событий, разворачивающихся на экране. Для съемки используется специальная 3D-видеокамера с двумя объективами, расположенными друг относительно друга на расстоянии человеческих глаз или чуть шире. Соответственно, когда такая камера фиксирует реальность, каждый ее объектив смотрит на мир под своим углом. После монтажа и обработки «двуглазый» сигнал готов к воспроизведению.
Но экран-то у нас один! И вот тут в дело вступают 3D-очки. Стереоскопическое 3D-видео содержит синхронизированные по времени два канала видео (по одному для каждого глаза). Чтобы смотреть 3D-видео, требуется технология отображения и 3D-очки, которые будут гарантировать, что левый глаз будет получать видео для левого глаза, а правый - для правого.
3D-очки: одна линза у которых синяя, а вторая - красная. Эти очки обеспечивают анаглифический способ просмотра 3D-картинки. Анаглифические изображения создаются с помощью цветовых фильтров, которые удаляют часть видимого спектра из картинки, предназначенной для каждого глаза. При просмотре такой картинки через цветовые фильтры в 3D-очках, каждый глаз получает только ту часть цветового спектра, которая не отфильтровывается линзой. А человеческий мозг «сводит» все вместе в трехмерное изображение.
Поскольку в кино происходит постоянное движение - «сдвоенные» картинки движутся, и создается эффект трехмерного передвижения объектов в пространстве.
И мы видим, как рука героя протягивается прямо к нам, приближается и уже можно разглядеть каждую морщинку на коже... Это незабываемые впечатления, и ощутить их можно только в 3D-кино. Приходите в 3D клуб «Прометей» и зарядитесь эмоциями!
Статьи «Цифровое телевидение: что это такое?» и «Мобильное телевидение: что это такое?», опубликованные нами в прошлом году, познакомили читателей с основами современных телевизионных технологий. Продолжая раскрывать тему, переходим к наиболее актуальной инновации наших дней: 3D-телевидению.
В последние годы на рынке видеоаппаратуры громко заявила о себе тенденция перехода от плоской картинки к объемной. Эффекты 3D востребованы как в развлекательном кино (как заметил по этому поводу знаменитый кинорежиссер Вуди Аллен, «я люблю стереофильмы, потому что трехмерные женщины выглядят лучше двухмерных»), так и в научных телепрограммах, особенно образовательных. Создание нового контента было начато с фильма «Аватар», и сегодня процесс развивается лавинообразно.
В ассортименте всех крупнейших производителей цифровой электроники, таких, как Sony, Samsung, Panasonic, Toshiba и др., уже присутствуют 3D-модели (англ. 3Dimensional — трехмерный). Ожидается, что такие телевизоры будут всего на 20% дороже моделей Full HD с сопоставимыми диагоналями экранов.
Владельцы техники для просмотра объемного видео должны позаботиться еще и об аппаратуре для воспроизведения 3D-контента. Чаще всего для этой цели сейчас используют совместимые с телевизорами проигрыватели Blu-ray с опцией воспроизведения сигналов 3D.
В чем суть
Большинство существующих сегодня методов формирования объемного изображения используют физиологические особенности зрения. Природа наделила человека бинокулярным зрением — парой глаз, расположенных на расстоянии 60-70 мм друг от друга. Мы видим мир одновременно с двух точек наблюдения, причем изображения, формирующиеся в левом и правом глазах, слегка отличаются. Каждый глаз получает вид одной и той же области окружающего пространства с немного разных углов и передает в мозг уникальную визуальную информацию. При одновременном поступлении двух изображений они соединяются в единое, существенно отличающееся от исходных.
Эти два изображения принято называть стереопарой. Анализируя различия между изображениями стереопары, мозг человека получает информацию об объеме и удаленности наблюдаемых объектов. Полученная картинка — это не просто сумма двух составляющих, а стереоизображение, в котором объекты воспроизводятся в трех пространственных измерениях — по ширине, высоте и глубине. Именно восприятие глубины позволяет оценивать расстояние до окружающих нас объектов.
Для создания стереоэффекта используется принцип раздельного просмотра — левому глазу демонстрируется «левое» изображение стереопары, а правому — «правое». Различия заключаются в том, каким образом достигается разделение изображений стереопары.
Надеваем 3D очки
Рассмотрим сначала те из них, которые требуют для просмотра наличия специальных очков, поскольку пока именно они преобладают в представленных на рынке моделях телевизоров.
Первый способ — анаглифический (по-гречески «рельефный») известен уже более ста лет. Он используется в кинотеатрах, где перед объективом проектора устанавливаются световые фильтры, каждый из которых пропускает красный или сине-зеленый свет (для каждого глаза свой). Для разделения изображений при просмотре используются специальные картонные очки с установленными вместо стекол красным (для одного глаза) и сине-зеленым (для другого) световыми фильтрами. Однако сейчас такой способ практически не применяется из-за весьма скромных результатов цветопередачи объемности.
Другой способ — поляризационный, когда в специальном проекционном устройстве или на ЖК-экране формируется изображение с различной поляризацией света: например, «левый» кадр имеет горизонтальную поляризацию, а «правый» — вертикальную. Стекла используемых при этом способе специальных пассивных очков являются поляризационными фильтрами, причем плоскость поляризации каждого из стекол такая же, как и у соответствующих кадров стереопары. В результате при просмотре последовательности кадров левый глаз видит только «левые» кадры, а правый — только «правые».
Поляризационный способ позволяет получить цветное объемное изображение хорошего качества, однако он сложен в реализации, так как требует наличия дорогого экрана со специальным покрытием и существенного повышения яркости изображения, поскольку до 70% света поглощается поляризационными фильтрами. В связи с этим в телевидении такой способ практически не применяется.
Именно поэтому сегодняшние решения для 3D-телевидения основаны на третьем способе, называемом затворным. Он предусматривает попеременную демонстрацию изображений, предназначенных для левого и правого глаза. Благодаря тому, что чередование кадров осуществляется с высокой частотой, мозг выстраивает целостную пространственную картину и зритель видит на экране цельное трехмерное изображение.
Для просмотра по этому методу используются активные очки, в которых вместо стекол и фильтров (в пассивных очках) встроены два активных жидкокристаллических затвора (Active Shutter). Эти светопропускающие ЖКматрицы способны по команде процессора изменять свою прозрачность, то, затемняясь, то, просветляясь, в зависимости от того, на какой глаз в данный момент необходимо направить свет.
Ранние модели затворных очков, предназначенных в основном для компьютеров, подключались к ним с помощью кабеля. Сейчас почти все производители стереотелевизоров используют для их связи с очками инфракрасное излучение (как в пультах дистанционного управления). Поэтому все современные модели телевизоров имеют беспроводной ИК-интерфейс, через который происходит управление коммутацией и синхронизация затворных очков.
Этот способ позволяет получить высокое качество разделения кадров и хорошее разрешение. Однако для его полной реализации требуются устройства, способные работать на высоких частотах обновления (смены кадров). Ведь каждый глаз в этом случае видит изображение с пониженной вдвое частотой, поэтому возможно появление мерцания.
Частота отображения кадров, при которой мерцания незаметны, зависит от ряда факторов, в частности от соотношения длительностей интервалов активной части кадра и гашения. В телевидении изображение появляется на экране на 18,4 мс с перерывом всего в 1,6 мс, и мерцания при этом незаметны.
В случае с ЖК-очками интервал гашения практически равен активному интервалу. Если частота обновления составляет 100 Гц, то каждый глаз видит такую картинку: изображение — 19 мс, черный экран — 21 мс, и в этом случае появление мерцания неизбежно. Для устранения этого нежелательного эффекта требуется частота обновления не менее 120 Гц. В последних моделях телевизоров ведущих производителей частота смены кадров достигает 200, 400, 600 и даже 800 Гц.
Еще один современный «очковый» метод получения объемного изображения связан с появлением DLP-устройств (англ. Digital Light Processing — цифровая обработка света). В этих цифровых решениях используются встроенные быстродействующие DMP-устройства (англ. Digital Micromirror Device — цифровое микрозеркальное устройство), создающее «левые» и «правые» изображения, на основании которых и формируется стереоизображение высочайшего класса.
Формат DLP-3D основан на алгоритме Smooth Picture фирмы Texas Instruments. Технология DLP использует часть кадра Smooth Picture для генерации независимых визуальных представлений для левого и правого глаза. Сигнал формируется для каждого полукадра и по оптическому кабелю передается на затворные очки, которые преобразуют сигнал и попеременно управляют положением затвора таким образом, чтобы «левое» и «правое» изображения попадали в «нужные» глаза зрителя.
Преобразованные в цифровую форму эти изображения (исходная стереопара) затем фильтруются и прореживаются по диагонали, что приводит к образованию шахматного рисунка, состоящего из клеток левого и правого представлений в стандартном ортогональном дискретизированном формате, которые затем накладываются друг на друга и получается комбинированное чередование пикселов «левых» и «правых» изображений.
Описанный формат, в отличие от других затворных технологий, сохраняет и горизонтальное, и вертикальное разрешения изображения, обеспечивая тем самым высокое качество изображения.
Для полноты картины расскажем еще об одном «очковом» способе получения объемных изображений, применяемом пока только в компьютерных мониторах для компьютерных игр. Корпус такого монитора заметно толще корпуса обычного ЖК-монитора, так как в нем установлены сразу две ЖК-матрицы с разрешением 1680x1050 пикселов — так называемые передний и задний экраны. Задний экран по конструкции аналогичен дисплею обычного ЖК-монитора: он представляет собой ЖК-матрицу, помещенную между двумя поляризационными фильтрами. Передний же экран этих фильтров лишен, поскольку он не предназначен для изменения интенсивности светового потока, а служит для поворота на заданный угол плоскости поляризации света, исходящего от заднего экрана, причем позволяет изменять ее для каждого пиксела в отдельности.
Человеческий глаз, в отличие от органов зрения некоторых насекомых, не различает поляризацию света, поэтому влияние на изображение переднего экрана практически невозможно заметить. Однако стоит надеть специальные поляризационные очки, фильтры которых расположены под углом 90° друг к другу, как картина полностью меняется. Количество попадающего в глаза света от каждого пиксела, сформированного задним экраном, зависит не только от его яркости, но и от угла плоскости поляризации, заданного передним экраном.
Таким образом, каждый пиксел заднего экрана одновременно отображает оба кадра стереопары, а передний экран разделяет получаемый свет так, что через специальные поляризационные очки каждый глаз видит только предназначенные ему кадры стереопары. Иными словами, каждый пиксел заднего экрана принадлежит обоим кадрам, а передний экран определяет, какая часть его яркости должна быть воспринята одним глазом, а какая — другим.
К достоинствам такого метода можно отнести сохранение полного разрешения, а к недостаткам — двухкратное падение яркости в стереоскопическом режиме.
Текст: Александр Пескин, доцент МГТУ
им. Н.Э.Баумана
В современном мире высоких технологий уже ни для кого не новость изображение 3D. Многие ходили в кинотеатр, на киносеанс в 3D. И, несмотря на то, что эта технология появилась уже достаточно давно, мало кому она была доступна в домашних условиях. На сегодняшний день эта ситуация кардинально изменилась. 3D телевизоры уже весьма распространены, их можно найти в каждом магазине техники. В связи с этим многие задаются вопросом, что такое 3D телевизор?
Именно 3D телевизоры позволяют насладиться объемным изображением, не покидая своего дома. Благодаря тому, что в наше время нет ни одного стандарта 3D изображений, при этом перспективы каждой технологии, с точки зрения реализации, каждый изготовитель оценивает по своему, на рынке России уже сегодня можно найти самые разнообразные телевизоры с функцией 3D.
1. Что такое 3Д телевизор
Для ответа на вопрос, что такое 3D телевизор, необходимо понять, что такое 3D изображения и рассмотреть самую технологию.
3D означает трехмерный. Другими словами 3D изображение – это трехмерное, объемное изображение. Все физические объекты в реальном мире имеют три измерения – это длина, высота и ширина. К тому же, если смотреть на реальный объект в реальном мире, человек способен оценить не только их высоту и ширину, но и глубину объекта, а также предполагаемое расстояние до объекта.
Такие возможности достигаются благодаря тому, что человек имеет два глаза, которые расположены на некотором отдалении друг от друга. Такое расположение органов зрения позволяет каждому глазу получать разное изображение, отличающиеся перспективы на объект. Если человек смотри двумя глазами, то мозг объединяет эти две картинки в одну. Однако если закрыть один глаз, то можно получить именно то изображение, которое воспринимает открытый глаз. Таким образом, можно увидеть различия перспектив объектов, которые находятся в непосредственной близости или на небольшом расстоянии от человека.
Благодаря работе мозга, две получаемые картинки от органов зрения превращаются в одну. В результате такой обработки двух разных изображений получается трехмерная картинка, которая позволяет оценить реальные размеры объекта, его глубину, а также расстояние.
Именно на этом свойстве человеческого визуального восприятия и построена технология трехмерного изображения. 3D телевизор выдает специальную картинку, которая обманывает наши глаза, заставляя видеть объемное изображение. Это достигается путем воспроизведения разных изображений для каждого глаза. Именно по этой причине, для просмотра 3D фильмов необходимы специальные 3D очки.
В наше время существует две технологии трехмерного изображения:
- Затворная технология. Более известная как активная технология трехмерного изображения.
- Поляризационная технология – пассивная технология 3D.
В зависимости от технологии различаются и сами телевизоры. Помимо этого, для просмотра полноценного трехмерного изображения требуются специальные очки, которые также должны соответствовать телевизору. То есть, для затворной технологии используются специальные затворные очки, причем такие очки, как правило, работают только с телевизорами той же марки. К примеру, с 3D телевизором марки LG, работающим по затворной технологии, могу использоваться только очки от компании LG.
2. Чем отличается 3D телевизор от обычного?
Современные производители мониторов, игровых устройств, а также другой мультимедийной продукции активно разрабатывают и продвигают на мировые рынки новые технологии трехмерного изображения. При этом такая продукция пользуется огромным спросом у потребителей.
На данный момент 3Д телевизоры являются доступными для большинства, если не для каждого, пользователя. ИХ легко найти в любом магазине бытовой техники.
3Д телевизор являет собой специальное устройство, которое принимает сигналы ТВ, и выводят их на экран в виде трехмерной картинки и звуковых эффектов. Главное их отличие от простых телевизоров заключается именно в изображении, так как последние способны воспроизводить только 2D изображение. Чтобы понять разницу между этими форматами, необходимо разобрать, принцип действия 3D телевизоров.
Как уже говорилось выше, существует две технологии трехмерного изображения. Так затворная технология – это телевизоры с активным 3D, а поляризационная технология предполагает телевизоры с пассивным 3D.
Это две совершенно разные технологии. Если покупается телевизор с затворной технологией, к нему в комплекте прилагаются специальные очки, оснащенные затворами. В определенные моменты эти затворы открываются и закрываются поочередно. То есть в момент, когда левый затвор закрыт, правый обязательно будет открытым. Конечно, происходит это настолько быстро, что человеческий глаз просто не способен это увидеть, благодаря чему и возникает эффект 3D. Для этого очки имеют специальный датчик, который настроен на телевизор. Такие очки могут работать только с соответствующей маркой телевизора.
4. 3D LED-телевизоры Samsung серии F8000: Видео
Телевизоры с активной технологией имеют высокую частоту обновления кадров. Минимальная частота при этом составляет 120 Гц. Это означает, что изображение на экране обновляется по 60 раз в секунду для каждого глаза, с такой же скоростью работают и затворы на очках.
Если вы выбрали пассивный 3D телевизор, то к нему в комплекте также идут специальные очки, но они могут работать с любой маркой устройств с поляризационной технологией 3D. В этом случае телевизор оснащен специальным поляризационным фильтром для каждой строки картинки на экране. Эти строки фильтруются через одну. Таким образом, надевая очки, один глаз видит четные строки, а другой – нечетные. Так появляется эффект пассивного 3D изображения.
Пользователи, которые только начинают свое знакомство с компьютером, нередко задаются вопросом о том, что такое и как реализовывается система 3D.
Это распространенная аббревиатура, которую в настоящее время можно встретить практически где угодно – от описаний гаджетов, и игр до процедур, предлагаемых в салонах красоты.
В данной статье рассказано, что имеется в виду под таким обозначение.
Определение
Как же расшифровывается 3D, что означает данное сокращение? D в данном контексте – это первая буква слова dimensions, которое означает «измерения».
Таким образом, аббревиатура 3D обозначает три измерения, именно этим сочетание может заменяться выражение трехмерная графика, а также объемное изображение.
Изначально данная аббревиатура стала употребляться именно относительно графики.
Такой способ изображения, по мере развития компьютерных технологий, пришел на смену привычному двухмерному построению картинки.
Особенно часто выражение «объемная графика» применяется к компьютерным играм, которые создают для пользователя, в большей или меньшей степени, эффект присутствия, позволяют реалистично обходить объекты, осматривать их с разных сторон.
Также данное выражение имеет широкое распространение, когда речь идет о фильмах и телевизорах. Некоторые фильмы в некоторых кинотеатрах могут быть показаны в системе Некоторые фильмы в некоторых кинотеатрах могут быть показаны в системе 3D, с эффектом присутствия, некоторые телевизоры оснащены такой функцией. Здесь имеет место несколько иная технология, чем в компьютерной графике – обе эти технологии будут подробно рассмотрены ниже.
Другие сферы применения
Такое определение используется не только в графике, оно также применимо и ко звуку, некоторым изделиям и т. п. Например:
По сути, такое обозначение может применяться практически ко всему, что традиционно является плоским – двухмерным, но с появлением новой технологии может выполняться, как трехмерное.
В любом словосочетании данная аббревиатура означает «объемное».
Фильмы
Раньше увидеть так называемые стереофильмы или можно , да и то не во всех. А кроме того, не со всеми фильмами это было возможно.
Сейчас же эта технология стала настолько распространена, что реализовывается даже в домашних телевизорах, и теперь у зрителя есть возможность смотреть фильмы с объемным изображением в домашних условиях.
Существует две технологии, с помощью которых можно добиться эффекта присутствия. Они имеют различные технические особенности, но дают более или менее схожий результат, то есть, объемную картинку высокого качества. Это технологии активного и пассивного построения изображения, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Активное 3D
Эта технология «присутствия» может реализоваться в , она достаточно сложна и будет работать только с использованием специальных затворных очков.
Реализуется она путем динамичной смены различных картинок.
Когда очки надеты на зрителя, он в один момент может видеть изображение только одним глазом, затем – только вторым (используются специальные затемнители в очках).
Но за счет того, что картинки и затемнители меняются очень быстро, зритель этого мигания не замечает.
Реализация этого достаточно сложная – нужны не только очки, но и телевизор, поддерживающий такую систему построения изображения.
При этом, важно, чтобы очки точно синхронизировались с телевизором (чаще всего – по блютуз), а если этого не происходит, то качество картинки будет очень низким.
Интересной особенностью технологии является то, что мигание и затемнение линз приводит к общему субъективному затемнению картинки в очках, потому изображения в таких фильмах делается немного более ярким.
Его можно, но не слишком приятно смотреть без очков.
Пассивное 3D
Это иная технология, которая допускает использование совсем простых , которые известны всем и имеют синюю и красную линзы.
Именно таким методом реализуется объемное изображение в большинстве кинотеатров, так как такие очки дешевые, их стоимость в случае утери или порчи можно заложить в стоимость билета.
Конечно, для реализации такого эффекта в домашних условиях тоже требуется телевизор, способный работать по данной схеме.
Важно! Отдельно покупать очки, обычно, не требуется. Телевизоры с соответствующей технологией комплектуются сразу несколькими такими очками из-за их низкой стоимости.
Здесь основная нагрузка приходится не на очки, а на телевизор. Его экран , который построчно делит изображение на две части – синюю и красную.
Сняв очки, вы можете заметить, что картинка немного раздваивается, сильнее в центре, менее заметно у вертикальных границ экрана – это результат работы фильтра, о котором идет речь.
Каждый глаз при такой системе видит только ту картинку, которая предназначена ему – только четные или только нечетные строки.
При этом строки, предназначенные для другого глаза, перекрываются фильтром цветной линзы очков. Таким образом строится объемное изображение.
Сравнительная характеристика технологий
В настоящее время производители техники не пришли к однозначному мнению о том, какая из двух технологий оптимальнее и лучше отвечает потребностям потребителя, потому одинаково активно реализуются устройства обоих типов.
Хотя спрос на пассивное объемное изображение выше за счет более дешевой стоимости оборудования при не слишком сниженном качестве изображения.
В таблице ниже приведены преимущества и недостатки обеих технологий для сравнения.
| Активное | Пассивное |
|---|---|
| Очки стоят достаточно дорого, как и телевизор с такой технологией | В целом технология получается дешевле, чем при активном построении объемного изображения |
| Не всегда удобно смотреть телевизор в очках | |
| Может не подходить некоторым людям, страдающим мигренью | |
| Нужно следить за зарядом очков, так как они имеют собственный блок питания | Чаще всего очков много в комплекте, они дешевые, выполняют лишь механическую функцию фильтра |
| Высокое качество изображения | Чуть более низкое качество изображения | Полная безопасность для глаз по мнению специалистов, или нагрузка достаточно низкая |
| Мигание и смена картинки отнимает, пусть и минимально, время – в динамичных сценах это может быть достаточно сильно заметно | Высокое качество картинки дают только телевизоры, которые стоят достаточно дорого |
| Даже несмотря на попытки производителей оптимизировать яркость, фильмы все равно будут немного темнее, чем в оригинале | Нельзя смотреть кино на близком расстоянии – минимальное расстояние от экрана до зрителя для построения качественной картинки – 3 м. |
Вне зависимости от технологии, важное значение имеет качество цветопередачи – если оно низкое, то оцени качество объемного видео все равно не получится.
Также большое значение, особенно при активном построении картинки имеет частота .
Все эти факторы существенно влияют на цену оборудования, часто настолько, что ценовая граница между устройствами с пассивной и активной технологией почти полностью стирается.
Совет. Нужно учесть, что фильм тоже должен быть обработан для воспроизведения в объемном формате. Хотя количество такого контента постепенно растет, в настоящее время его все еще немного. Особенно такого, который выполнен действительно качественно.
Графика
Объемная графика в играх имеет несколько иное значение. Здесь имеется в виду возможность передвижения в более или менее реалистичной локации.
Существенным отличием является, например, возможность осматривать здания, сооружения и предметы с разных сторон постепенно, тогда как в играх с двухмерной графикой при повороте, например, за здание, одна картинка резко сменялась другой.
Здесь речь не идет об эффекте присутствия – речь только о красивой картинке, создающей ощущения реалистичной игры. Так как это просто картинка, никаких очков здесь не требуется, так как технически такие реализуются иначе. Картинка строится на основании объемных компьютерных моделей всех объектов, которые есть в игре, а также локаций.
При этом,при «движении» игрока по локации, картинки динамично сменяют одна другую, создавая соответствующий эффект.
Важное значение здесь имеет высокая частота обновления экрана – если она будет низкая, картинка будет зависать, изображение «прыгать» и т. п.
По сравнению с традиционными двухмерными играми, трехмерные оказывают достаточно большую нагрузку на аппаратные ресурсы оборудования.
Кроме того, при игре в режиме онлайн очень важна высокая скорость интернета и высокое качество соединения.
Трехмерное изображение в играх гораздо более распространено, чем в фильмах , что связано с тем, что такая технология начала широко внедряться гораздо раньше.
По сути, именно с ее появлением и появилось само понятие трехмерной графики.
Кроме того, такая технология не только проще в технической реализации, но и дешевле, так как не требует дополнительного оборудования.
Вы, наверное, читаете эту статью на экране монитора компьютера или мобильного устройства - дисплей, который имеет реальные размеры, высоту и ширину. Но когда вы смотрите, например, мультфильм История Игрушек или играете в игру Tomb Raider, вы лицезреете трёхмерный мир. Одной из самых удивительных вещей трехмерного мира является то, что мир, который вы видите, может быть миром, в котором мы живем, миром, в котором мы будем жить завтра, или миром, который живет только в умах создателей фильма или игры. И все эти миры могут появиться только на одном экране - это как минимум интересно.
Как компьютер делает так, что обманывает наши глаза и мы думаем, что смотря на плоский экран видим глубину представленной картины? Как разработчики игр делают так, что мы видим реальных персонажей, передвигающихся в реальном ландшафте? Сегодня я расскажу вам о визуальных трюках, используемых графическими дизайнерами, и о том, как всё это разрабатывается и кажется нам настолько простым. На самом деле всё не просто, и чтобы узнать, что из себя представляет 3D-графика, ступайте под кат - там вас ждёт увлекательная история, в которую, я уверен, вы погрузитесь с небывалым удовольствием.
Что делает изображение трехмерным?
Изображение, которое имеет или кажется, что имеет высоту, ширину и глубину является трехмерным (3D). Картинка, которая имеет высоту и ширину, но не глубину является двумерной (2D). Напомните-ка мне, где вы встречаете двумерные изображения? - Практически везде. Вспомните даже обычный символ на двери туалета, обозначающий кабинку для того или иного пола. Символы спроектированы таким образом, что вы можете распознать их и узнать с первого взгляда. Вот почему они используют только самые основные формы. Более детальная информация о каком-либо символе может рассказать вам, какую одежду носит этот маленький человечек, весящий на двери, или цвет волос, например, символики двери женского туалета. Это одно из основных отличий между тем, как используется трехмерная и двумерная графики: 2D-графика проста и запоминаема, а 3D-графика использует больше деталей и вмещает в казалось бы обычный объект значительно больше информации.
Например, треугольники имеют три линии и три угла - всё, что нужно, чтобы рассказать из чего состоит треугольник и вообще что представляет собой. Однако посмотрите на треугольник с другой стороны - пирамида - является трехмерной структурой с четырьмя треугольными сторонами. Обратите внимание, что в этом случае имеется уже шесть линий и четыре угла - из этого и состоит пирамида. Видите, как обычный объект может превратится в трехмерный и вместить в себя гораздо больше информации, необходимой, чтобы рассказать историю треугольника или пирамиды.
На протяжении сотен лет художники использовали некоторые визуальные трюки, которые могут сделать плоское 2D-изображение настоящим окном в реальный трехмерный мир. Вы можете увидеть подобный эффект на обычной фотографии, которые вы можете сканировать и просмотреть на мониторе компьютера: объекты на фотографии кажутся меньше, когда они дальше; объекты же, близкие к объективу камеры, находятся в фокусе, значит, соответственно, всё, что за объектами в фокусе - размыто. Цвета, как правило, менее яркие, если объект не так близок. Когда мы говорим о 3D-графике на компьютерах сегодня - мы говорим об изображениях, которые движутся.
Что такое 3D-графика?
Для многих из нас игры на персональном компьютере, мобильном устройстве или вообще продвинутая игровая система - самый яркий пример и распространенный способ, благодаря которому мы можем созерцать трехмерную графику. Все эти игры, крутые фильмы, созданные при помощи компьютера, должны пройти три основных шага по созданию и представлению реалистичных трехмерных сцен:
- Создание виртуального 3D-мира
- Определение того, какая часть мира будет показана на экране
- Определение того, как пиксель на экране будет выглядеть, чтобы полное изображение казалось максимально реалистичным
Виртуальный 3D-мир - это, понятное дело, не то же самое, что и реальный мир. Создание виртуального 3D-мира - комплексная работа по компьютерной визуализации мира, схожего с реальным, для создания которого используется большое количество инструментов и который подразумевает крайне высокую детализацию. Возьмите, к примеру, очень маленькую часть реального мира - свою руку и рабочий стол под ней. Ваша рука обладает особенными качествами, которые определяют, как она может двигаться и выглядеть внешне. Суставы пальцев сгибаются только в сторону ладони, а не противоположно от неё. Если вы ударите по столу, то с ним никаких действий не произойдёт - стол тверд. Соответственно, ваша рука не может пройти через ваш рабочий стол. Вы можете доказать, что это утверждение истинно, смотря на что-то естественное, а в виртуальном трехмерном мире дела обстоят совсем по-другому - в виртуальном мире нет природы, нет таких естественных вещей, как ваша рука, например. Предметы в виртуальном мире полностью синтетические - это единственные свойства, данные им с помощью программного обеспечения. Программисты используют специальные инструменты и разрабатывают виртуальные 3D-миры с особой тщательностью, чтобы всё в них всегда вело себя определённым образом.
Какая часть виртуального мира показывается на экране?
В любой момент экран показывает только крошечную часть виртуального трехмерного мира, созданного для компьютерной игры. То, что показывается на экране - определенные комбинации способов, которыми определяется мир, где вы принимаете решение куда пойти и что посмотреть. Независимо от того, куда вы идёте - вперёд или назад, вверх или вниз, влево или вправо - виртуальный трехмерный мир вокруг вас определяет то, что вы видите, находясь на определенной позиции. То, что вы видите, имеет смысл от одной сцены к другой. Если вы смотрите на объект с того же расстояния, вне зависимости от направления, он должен выглядеть высоко. Каждый объект должен выглядеть и двигаться таким образом, чтобы вы верили в то, что он имеет ту же массу, что и реальный объект, что он такой же твёрдый или мягкий, как и реальный объект, и так далее.
Программисты, которые пишут компьютерные игры, прикладывают огромные усилия к разработке виртуальных 3D-миров и делают их так, чтобы вы могли блуждать в них, не сталкиваясь ни с чем, что заставляло бы вас думать «Это не могло произойти в этом мире!». Последней вещью, которую вы хотите видеть - два твёрдых объекта, которые могут пройти прямо друг через друга. Это - резкое напоминание о том, что всё, что вы видите, является притворством. Третий шаг включает в себя ещё как минимум столько же вычислений, сколько и другие два шага и должны происходить так же в реальном времени.
Слева компьютерная графика, справа - актер мокапа
Освещение и перспектива
Когда вы входите в комнату, вы включаете свет. Вы, наверное, не тратите много времени на раздумья, как же это на самом деле работает и как свет исходит от лампы, распространяясь по комнате. Но люди, работающие с трехмерной графикой, должны думать об этом, потому что все поверхности, окружающие каркасы и прочие подобные вещи должны быть освещены. Один из методов - трассировка лучей - предполагает участки пути, которые берут лучи света, покидая лампочку, отскакивая от зеркал, стен и других отражающих поверхностей и, наконец, приземляются на предметы с различной интенсивностью от различных углов. Это сложно, ведь от одной лампочки может быть один луч, но в большинстве помещений используется несколько источников света - несколько светильников, потолочные светильники (люстры), торшеры, окна, свечи и так далее.
Освещение играет ключевую роль в двух эффектах, которые придают внешний вид, вес и внешнюю прочность объектов: затемнение и тени. Первый эффект, затемнение, представляет собой место, где с одной стороны на объект падает больше света, чем с другой. Затемнение придает объекту множество натурализма. Эта штриховка - то, что делает сгибы в одеяле глубокими и мягкими, а высокие скулы кажутся поразительными. Эти различия в интенсивности света укрепляют общую иллюзию, что у объекта есть глубина, а также высота и ширина. Иллюзия массы происходит от второго эффекта - тени.
Твердые тела отбрасывают тени, когда свет падает на них. Вы можете увидеть это, когда вы наблюдаете тень, которую солнечные часы или дерево бросают на тротуар. Поэтому мы привыкли видеть реальные предметы и людей отбрасывающих тени. В трехмерном изображении тень, опять же, укрепляет иллюзию, создавая эффект присутствия в реальном мире, а не в экране математически произведенных форм.
Перспектива
Перспектива - одно слово, способное значить многое, но фактически описывающее простой эффект, который видели все. Если вы стоите на стороне длинной, прямой дороги и смотрите вдаль, кажется, как будто обе стороны дороги сходятся в одной точке на горизонте. Кроме того, если деревья стоят рядом с дорогой, деревья дальше будут выглядеть меньше, чем деревья близкие к вам. На самом деле будет похоже, что деревья сходятся в определённой точке горизонта, сформированной около дороги, но это не так. Когда все объекты на сцене будут выглядеть в конечном итоге сходящимися в одной точке на расстоянии - это перспектива. Есть множество вариаций этого эффекта, но большинство трехмерной графики использует единую точку зрения, которая только что была описана мною.
Глубина резкости
Другим оптическим эффектом, успешно использующимся для создания графических трехмерных объектов, является глубина резкости. Используя мой пример с деревьями, помимо вышеописанного происходит ещё одна интересная вещь. Если вы посмотрите на деревья, находящиеся близко по отношению к вам, деревья, расположенные дальше, как представляется, будут не в фокусе. Кинорежиссеры и компьютерные аниматоры используют данный эффект, глубину резкости, для двух целей. Первая заключается в укреплении иллюзии глубины в рассматриваемой пользователем сцене. Вторая цель - использование режиссерами глубины резкости сосредотачивает свое внимание на предметах или актерах, которые считаются наиболее важными. Чтобы обратить ваше внимание не героиню фильма, например, может использоваться «малая глубина резкости», где только актер находится в фокусе. Сцена, которая разработана таким образом, чтобы произвести на вас полное впечатление, наоборот будет использовать «глубокую глубину резкости», чтобы как можно больше объектов было в фокусе и таким образом заметно зрителю.
Сглаживание
Ещё один эффект, который также полагается на обман глаз - сглаживание. Цифровые графические системы очень хорошо подходят для создания четких линий. Но бывает и такое, что оказывают верх диагональные линии (они же довольно часто появляются в реальном мире, и тогда компьютер воспроизводит линии, которые больше напоминают лесенки (я думаю, что вы знаете, что такое лесенка при детальном рассмотрении объекта изображения)). Таким образом, чтобы обмануть свой глаз при виде гладкой кривой или линии, компьютер может добавить определённые оттенки цвета в строки пикселей, окружающих линию. Этим «серым цветом» пикселей компьютер как раз-таки и обманывает ваши глаза, а вы, тем временем, думаете, что зубчатых ступенек больше нет. Этот процесс добавления дополнительных цветных пикселей для обмана глаз называется сглаживанием, и он является одним из методов, которые создаются вручную компьютерной трехмерной графикой. Другой сложной задачей для компьютера является создание трехмерной анимации, пример которой будет представлен вам в следующем разделе.
Реальные примеры
Когда все трюки, описанные мною выше, используются вместе для создания потрясающе реальной сцены - итог соответствует трудам. Последние игры, фильмы, машинно-генерируемые объекты сочетаются с фотографическими фонами - это усиливает иллюзию. Вы можете увидеть удивительные результаты, когда вы сравните фотографии и компьютерную сцену.
На фотографии выше представлен обычный офис, для входа в который используется тротуар. В одной из следующих фотографий на тротуар был положен простой однотонный мяч, после чего эту сцену сфотографировали. Третья фотография представляет из себя уже использование компьютерной графической программы, которая и создала на самом деле несуществующий на этой фотографии мяч. Можете ли вы сказать, что есть какие-то существенные различия между двумя этими фотографиями? Думаю, что нет.
Создание анимации и видимости «живого действия»
До сих пор мы рассматривали инструменты, которые заставляют любое цифровое изображение казаться более реалистичным - является ли изображение стиллом или частью анимационной последовательности. Если это анимационная последовательность, то программисты и дизайнеры будут использовать ещё больше различных визуальных уловок, чтобы создать видимость «живого действия», а не изображений, созданных компьютером.Сколько кадров в секунду?
Когда вы идете на шикарный блокбастер в местное кино, последовательность изображений, называемых кадрами работает в количестве 24 кадра в секунду. Так как наша сетчатка сохраняет изображение немного дольше, чем 1/24 секунды, глаза большинства людей будут смешивать кадры в один непрерывный образ движения и действия.
Если вы не понимаете, о чём я только что написал, то посмотрим на это с другой стороны: это означает, что каждый кадр кинофильма - фотография, сделанная на выдержке (экспозиции) 1/24 секунды. Таким образом, если вы посмотрите на один из многочисленных кадров фильма о гонках, вы увидите, что некоторые гоночные автомобили «размываются», потому что они проехали с большой скоростью в то время, пока у камеры открыт затвор. Данная размытость вещей, создающаяся за счёт быстрого движения - то, что мы привыкли видеть, и это часть того, что делает изображение реальным для нас, когда мы смотрим на него на экране.
Однако, цифровые трехмерные изображения - это ведь не фотографии как ни крути, поэтому никакого эффекта размывания не происходит, когда объект перемещается в кадре во время съёмки. Чтобы сделать изображения более реалистичными, размывание должно быть явно добавлено программистами. Некоторые дизайнеры считают, что для «преодоления» этого отсутствия естественного размытия требуется более 30 кадров в секунду, посему и подтолкнули игры выйти на новый уровень - 60 кадров в секунду. Хотя это и позволяет каждому отдельному изображению выглядеть в мельчайших подробностях и отображать движущиеся объекты в меньших приращениях, оно существенно увеличивает количество кадров для данной анимационной последовательности действий. Есть и другие определенные куски изображений, где точный рендеринг на компьютере должен быть принесен в жертву ради реализма. Это относится как к подвижным, так и неподвижным объектам, но это уже совсем другая история.
Подойдем к концу
Компьютерная графика продолжает удивлять весь мир, создавая и генерируя самые разнообразные действительно реалистично движущиеся и недвижущиеся объекты и сцены. С 80 колонок и 25 линий монохромного текста графика значительно продвинулась, и результат очевиден - миллионы людей играют в игры и проводят самые различные симуляции с сегодняшней технологией. Новые 3D-процессоры также дадут о себе знать - благодаря им мы сможем в буквальном смысле исследовать другие миры и испытывать то, чего мы никогда не осмеливались попробовать в реальной жизни. Напоследок вернемся к примеру с мячом: как создавалась эта сцена? Ответ прост: изображение имеет сгенерированный компьютером мяч. Нелегко сказать, который из двух является подлинным, не так ли? Наш мир удивителен и мы должны соответствовать ему. Надеюсь, вам было интересно и вы узнали для себя очередную порцию интересной информации.
