В 2010 году технология 3D считалась, пожалуй, наиболее популярной, востребованной и инновационной. Сейчас интерес к 3D подостыл, и с каждым днем находится все больше и больше людей ею недовольных. Впрочем, критика — лишь очередной шаг на пути к прогрессу. В этой статье я расскажу о том, как получается объемное 3D -изображение, и какие технологии для этого используются.
Немного теории:
В основу 3D-технологий положена идея создания двух изображений для каждого глаза пользователя. По идее, создать 3D-контент (фото или видео) легко — достаточно просто объединить 2 камеры в одном устройстве, а затем уже свести воедино полученную с них информацию. Гораздо сложнее «показать 3D», то есть показать каждому глазу «свою» картинку.
Поляризация:
Базовые познания из курса оптики напоминают о том, что создавать «объем» можно с помощью поляризации светового потока. Достаточно пропустить свет через специальные преломляющие свет кристаллы, чтобы создать иллюзию трехмерного изображения. Для просмотра такого изображения потребуется использование специальных поляризационных очков. На принципе поляризации основана технология iМах 3D , используемая в кинотеатрах и неприменимая в домашней электронике.
Анаглиф:
Первые шаги в области 3D-технологий основаны на разделении картинки для каждого глаза по цвету. Такое видео (или изображение) называется анаглифным, а для просмотра анаглифного контента нужны специальные красно-синие очки (для одного глаза — красный фильтр, для другого — синий). Впрочем, при таком подходе хромают цветопередача и качество изображения. Анаглифное видео было популярно в 70-80-х годах прошлого века, но с тех пор уже немало воды утекло, и на дворе XXI век, век инновационных технологий.
Разделение строк:
Идея формировать разные картинки для каждого глаза путем построчного вывода их на экран — гораздо более современная и продвинутая. На ней основана, пожалуй, наиболее широко распространенная 3D-технология XpanD , которая используется как в кинотеатрах, так и 3D-телевизорах и мониторах. Для просмотра 3D-контента необходимы специальные очки, более того, они должны синхронизироваться непосредственно с устройством просмотра.
Синхронизация, как правило, осуществляется через ИК-датчик, расположенный между стеклами очков, ведь, как известно, если закрыть его пальцем (многие проделывали этот трюк в 3D -кинотеатрах ), объемное изображение теряется. Специальные очки (точнее, стекла в них) закрывают для каждого глаза то изображение, которое он не должен видеть — вот так просто и элегантно решена проблема создания объемного изображения.
Параллакс:
Впрочем, для просмотра 3D-контента можно обойтись и без очков. В таком случае экран должен «подготовить» две разных картинки для каждого глаза. Поверх экрана располагается так называемый параллаксный барьер, слой из тонких и точных щелей, отвечающих за то, какую картинку видит тот или иной глаз. Естественно, определенная часть экрана при этом скрыта от каждого из глаз (за этим самым барьером), но, тем не менее, наш мозг и при обработке такого «разорванного» изображения формирует цельную картинку.
К недостаткам этой технологии следует отнести то, что при малейшем сдвиге от оптимальной точки просмотра глаза уже не будут воспринимать изображение как объемное, оно будет просто двоиться или размываться. Экраны с параллаксным барьером используют в портативных устройствах — телефонах, фотоаппаратах и ноутбуках.
Но как же бе недостатков? Ничто в мире не совершенно, не являются исключением и 3D-технологии . Вот перечень основных недостаткой:
- Очки довольно сильно затемняют изображение;
- При просмотре 3D — контента болят глаза;
- Объемный эффект хорошо ощутим только в специально подготовленных видеороликах, чаще всего увиденное 3D-изображение не впечатляет;
- Для просмотра 3D-контента необходим специальный экран (а порой еще и очки);
- Да и распечатать 3D-фотографию, увы, не удастся. Пока..
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.
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.
- Recovery Mode
Все мы слышали о 3D графике (далее просто 3D, не путать со способом отображения - голограммами, 3D-мониторами и т.п.), многие прекрасно знают, что такое 3D и с чем его едят. Но, все же, есть и те, кто смутно себе представляет, что кроется под этой короткой аббревиатурой. Статья рассчитана на тех, кто не имеет представления о компьютерной графике. Также будет немного экскурса в историю компьютерной графики (в следующих планируемых частях).
Почему именно 3D? Как нетрудно догадаться, речь идет о 3 Dimension, или о трех измерениях. И не обязательно при этом, чтобы и отображение было в 3D. Речь идет о способе построения картинки.
Часть 1. Собственно, моделирование
Традиционно рисуют в 2D (по осям X и Y) - на бумаге, холсте, дереве и т.п. При этом отображают какую-то одну из сторон предмета. Картинка сама по себе плоская. Но если мы хотим получить представление обо всех сторонах предмета, то необходимо нарисовать несколько рисунков. Так поступают в традиционной рисованной анимации. Но, вместе с тем, существует, (кстати, в СССР была довольно хорошо развита) т.н. кукольная анимация. Один раз изготовленную куклу снимают в необходимых позах и ракурсах, получая серию «плоских картинок». 3D (к X и Y добавляется координата глубины Z) визуализация - это те же «куклы», только существующие в цифровом виде. Другими словами, в специальных программах (Blender, 3ds Max, Maya, Cinema 4D и т.п.) создается объемное изображение, например авто.
Преимущество данного метода в том, что в распоряжении, скажем, аниматора есть объемная модель, необходимо лишь поместить ее должным образом в кадр, анимировать (задать траекторию передвижения или рассчитать с помощью симулятора) при необходимости, а уж отображение авто в финальной картинке ложится на специальную программу называемую визуализатором (render). Еще одно преимущество в том, что модель достаточно нарисовать один раз, а потом использовать в других проектах (скопировав), изменять, деформировать и т.п. по своему усмотрению. Для обычного 2D рисунка, в общем случае, такое невозможно. Третье преимущество - можно создавать практически бесконечно детализированные модели, например смоделировать даже винтики на часах и т.п. На общем плане этот винтик может быть и неразличим, но стоит нам приблизить камеру, программа-визуализатор сама рассчитает, что видно в кадре, а что - нет.
Существует несколько способов моделирования, но самым популярным является полигональное моделирование. Нередко можно увидеть в роликах о 3D или фантастических фильмах как тот или иной объект представляется в виде т.н. сетки. (см. рисунок выше) Это и есть пример полигонального моделирования. Суть его в том, что поверхности представляются в виде простых геометрических двумерных примитивов. В компьютерных играх это треугольники, для других целей обычно используют четырехугольники и фигуры с большим кол-вом углов. Эти примитивы, из которых состоит модель, называют полигонами . Но при создании 3D объекта стараются обойтись, как правило, четырехугольниками. При необходимости четырехугольники (полигоны) без проблем превращаются в треугольники при экспорте в игровой движок, а при необходимости сглаживания или тесселяции модель из четырехугольников получается, как правило, без артефактов.
Что такое тесселяция? Если какой-то объект представляется в виде полигонов (особенно органические объекты, например человек), то понятно, что чем меньше размер полигонов, чем их больше, тем более близкой может быть модель к оригиналу. На этом основан метод тесселяции: сначала изготавливают грубую болванку из небольшого кол-ва полигонов, затем применяют операцию тесселяции, при этом каждый полигон делится на 4 части. Так вот, если полигон четырехугольный (а еще лучше, близок к квадрату) то алгоритмы тесселяции дают более качественный и предсказуемый результат. Также операция сглаживания, а это та же тесселяция, только с изменением углов на более тупые, при близких к квадрату полигонах, позволяет получить хороший результат.
Как было сказано выше, чем больше полигонов, тем более модель может (может, потому, что модель должна быть еще похожа на оригинал, а это вопрос мастерства моделера, а не полигонов) походить на оригинал. Но у большого кол-ва полигонов есть обратная сторона: понижение производительности. Чем больше полигонов, тем больше точек по которым они строятся, тем больше данных приходится обрабатывать процессору. Поэтому 3D графика - это всегда компромисс между детализацией модели и производительностью. В связи с этим даже возникли термины: hight poly и low poly, соответственно высоко полигональная модель и низко полигональная модель. В играх применяются низко полигональные модели, так как в них выполняется визуализация в реальном времени. Кстати, модели в играх представлены треугольниками для повышения производительности: графические процессоры умеют на аппаратном уровне быстро обрабатывать сотни миллионов треугольников за секунду.
Как правило, полигональное моделирование относится к пустотелому моделированию, где объект имеет только объем, но внутри пустой. Это означает, что если мы смоделируем куб, а потом удалим одну из стенок, то увидим внутри пустоту. Также имеются программы для твердотельного моделирования, где тот же самый куб представлен в виде монолитного объекта. В таких программах (к примеру, Autodesk Inventor) применяются математические модели отличные от тех, что в полигональном моделировании. Алгоритмы твердотельного моделирования лучше подходят для моделирования механизмов при разработке техники. Программы вроде Autodesk Inventor имеют средства для моделирования с учетом особенностей технологического процесса, как то фаски, сверление отверстий, проставление размеров, допусков и т.п. Получаемые модели можно сразу отправить на подходящий станок для получения изделия в металле или другом материале.
Также существуют так называемые программы 3D лепки (ZBrush, Autodesk Mudbox) в которых моделирование сводится (грубо говоря) к созданию углублений или выпуклостей. Такая техника похожа на то, как скульпторы лепят из глины - убирая ненужное и добавляя необходимое. С помощью таких программ можно добиться реалистичного рельефа поверхности, например морщин на коже или складок ткани. В настоящее время высокополигональные (а для лепки модель должна обладать солидным кол-вом полигонов) реалистичные модели людей и вообще животного мира выполняются, в большинстве своем, с применение программы лепки. Распространена практика когда заготовка модели создается с помощью полигонального моделирования, а затем в программе лепки тесселируется и добавляются мелкие детали.
Но вот у нас есть готовая модель, скажем, танка. Но на танк, собственно, она не совсем похожа. В чем же тут дело? На данном этапе у нас всего лишь математическая модель содержащая данные только о геометрической форме. Но у реального объекта кроме формы есть еще и цвет, плотность, отражающая способность, и, возможно, запах. Последнее пока в 3D графике не применяется, а вот все остальное можно смоделировать. Придание модели нужного цвета и блеска называют текстурированием, от слова текстура.
В общем случае текстура - это двумерный рисунок который накладывается на 3D модель. Текстура может быть как процедурной - сгенерированной при помощи алгоритма, так и нарисованная в графическом редакторе, или фотографией реального объекта. С помощью текстуры задается рисунок и цвет модели, но реальная поверхность обладает и другими параметрами: отражающей способностью, преломлением, рельефом, позрачностью и т.п. Все эти параметры задаются в свойствах материала. Т.е. материал с точки зрения 3D графики - это некая математическая модель описывающая параметры поверхности. Например, для воды обязательно необходимо указать прозрачность и преломляющую, отражающую способности.
Перед «нанесением» материала на 3D модель необходимо создать ее развертку, т.е. представить все (несколько, одну) поверхности в виде проекции на плоскость. Это необходимо для того, чтобы затем двумерная текстура правильно «лягла» на модель.
Таким образом изготовление 3D модели в общем случае состоит из следующих стадий:
1. Получение изображений референса (т.е. того, с чего будет моделироваться) или самого референса. Или отрисовка экскиза.
2. Моделирование геометрии на основе референса.
3. Создание развертки.
4. Отрисовка текстур или получение их другим способом в виде файлов.
5. Настройка параметров материала (текстуры, преломление, отражение, прозрачность).
Теперь 3D модель готова для визуализации - получении картинки.
Первый и четвертый пункт могут быть быть опущены если модель простая, но, как правило, хороших результатов без всех 5 шагов не добиться.
Подытожим.
Между обычным рисунком, скажем, на бумаге, и построением 3D изображения есть существенные различия в самом процессе. Двумерный рисунок, как правило, создается в два этапа: эскиз и раскрашивание. В 3D графике после изготовления модели ее необходимо поместить в сцену к другим объектам (или в так называемую студию), добавить освещение, камеру и лишь затем можно надеяться получить финальную картинку. Изображение в 3Dграфике просчитывается на основе физической модели, как правило, это модель распространения луча света с учетом отражения, преломления, рассеивания и т.п. Рисуя красками мы сами отрисовываем тени, блики и т.д., а в трехмерной графике мы подготавливаем сцену с учетом освещения, материалов, геометрии, свойств камеры, программа рассчитывает итоговую картинку сама.
Вот, на сегодня пока и все. Комментарии, а особенно вопросы и замечания по существу приветствуются.
P.S. В следующих частях (если Хабрабществу будет интересно) мы более подробно поговорим о трехмерном моделировании для игр, будет затронута визуализация, моделирование динамических сред, таких как вода, разрушение объекта и затронем динамическое взаимодействие между 3D объектами, историю 3D графики.
3D телевизоры предлагают чувство глубины, которое стандартные 2D телевизоры демонстрировать не могут. Правда для этого вам понадобятся специальные очки.
Если вы получили удовольствие от просмотра таких фильмов, как Аватар или Хоббит в 3D кинотеатре или IMAX, то вы вполне можете получить схожие впечатления, сидя у себя дома с 3D телевизором.
Все лучшие бренды телевизионной техники, включая Samsung, LG, Philips, Sony предлагают 3D модели. Но держите в голове, что, как и в кинотеатре, вам не обойтись без специальных очков для просмотра, и ощущения от просмотра могут сильно отличаться.
Как работает 3D телевизор?
Телевизоры поляризуют изначальные 3D картинки в отдельные изображения. Если смотреть своими глазами, картинка покажется расплывчатой, но стоит только одеть 3D очки, отдельные изображения направляются либо в левый, либо в правый глаз, создавая впечатление глубины.
Имейте в виду, что такого понятия как эксклюзивный 3D телевизор не существует, вместо этого есть телевизоры, оснащенные функцией 3D. Вы можете использовать их также для просмотра обычного 2D телевизионного сигнала, но помимо этого вам будут доступны 3D видео через Blu-ray проигрыватели и через некоторые Smart TV сервисы.
3D телевизоры: что вам нужно о них знать
Размер экрана: вы можете найти 3D функцию на различных телевизорах разного ценового диапазона, но для того, чтобы поистине насладиться этим изображением, вам нужен большой экран, в данном случае чем больше, тем лучше. 3D не всегда работает хорошо на маленьких телевизорах, поэтому минимальный размер, который мы рекомендуем, это 32 дюйма.
Расстояние для просмотра: лучшее изображение 3D открывается с оптимальной дистанции. Измерьте четыре расстояния высоты вашего телевизора и проверьте, что вы сидите на этом расстоянии до вашего телевизора. Если вы смотрите телевизор под углом 45 градусов, то 3D эффект скорее всего будет плохо заметен, и другие проблемы с качеством изображения также возможны (смотрите ниже раздел «на что похоже 3D изображение»).
Очки: вам нужно надеть очки, чтобы смотреть 3D, так что убедитесь, что вам в них максимально комфортно. Не всегда 3D телевизоры продаются с подходящими очками в комплекте, в других случаях в комплекте может идти меньше очков, чем нужно для вашей семьи, проверьте наличие и количество очков до покупки. Если вы носите свои очки, то можете чувствовать дискомфорт, надевая 3D очки поверх своих. Вы можете отдельно приобрести накладные 3D линзы для своих привычных очков.
Активная 3D или пассивная 3D: что купить мне?
Существуют две основные 3D технологии – активная и пассивная – и каждая имеет свои за и против. Крупные производители телевизоров применяют обе эти технологии, хотя LG преимущественно сфокусировался на пассивной 3D, а Panasonic, Samsung и Sony, наоборот, на активной.
Пассивная 3D технология: если вы были в кинотеатре на просмотре 3D фильма, вы уже знакомы с пассивной 3D технологией. Одевая похожие на солнцезащитные очки, каждый глаз видит различный поляризованный свет. Далее ваш мозг сопоставляет оба эти изображения, и формируется 3D картинка. Пассивные очки дешевые в производстве, и несколько пар уже как правило идет в комплекте с телевизором, но пассивное 3D изображение не такое детальное, как активное 3D.
Активная 3D технология: телевизоры с активной 3D технологией обладают более высоким разрешением 3D изображений. Очки синхронизируются с телевизором через инфракрасный или Bluetooth сигнал и часто переключаются туда-сюда, направляя изображения то в правый, то в левый глаз зрителя. Эти очки более тяжелые и громоздкие по сравнению с пассивными 3D очками, к тому же они более дорогие; если вам придется менять их, стоимость составит от 1 500 до 6 000 рублей.
3D контент: Что можно посмотреть в 3D?
От роста популярности 3D технологию сдерживает отсутствие большого выбора 3D контента, в частности, бесплатных 3D программ на телевидении.
Некоторые провайдеры спутникового телевидения предлагают выбор 3D фильмов и передач, но это платная услуга. Некоторые телевизоры способны преобразовывать 2D контент в 3D, но, по нашему мнению, эффект такого изображения не вполне соответствует ожиданиям пользователей. Вы также можете купить или взять на прокат Blu-ray диск с 3D фильмом, если у вас имеется совместимый Blu-ray проигрыватель, но имейте в виду, что диски и проигрыватели с 3D стоят немного дороже, чем обычные не-3D аналоги.
