Трехмерное изображение: что это такое
Трехмерная графика является разделом компьютерной графики, которая занимается созданием объемных объектов. Чем отличается трехмерное изображение от двухмерного? На плоскости трехмерное представляет собой геометрическую проекцию трехмерной модели на плоскость, скажем, монитор с помощью специальной программы. Хотя стоит отметить, что в настоящее время создаются и все больше внедряются 3d дисплеи и 3d принтеры, поэтому проецирование на плоскость становится необязательным. Модель при этом как предметом реального мира, так и может быть абстрактной.
Чтобы научиться создавать трехмерную модель объекта, чтобы научиться разрабатывать визуальный объем того объекта, который вам необходим, вы можете пройти обучение 3d моделированию. Для этого не нужно ничего особенного, благо, что сеть интернет вся в вашем распоряжении. В настоящее время вы сможете скачать видео уроки 3ds max или даже курсы 3d моделирования.
Трехмерная графика поможет вам сделать точную копию того предмета, который вам нужен, а также разработать даже такое представление, которое не существовало в реальности до сегодняшнего момента.
Применение трехмерной графики
Трехмерная графика используется для того, чтобы:
Как отобразить 3d информацию
Как мы уже выяснили, трехмерная графика работает в трехмерном пространстве. Оно отображается на плоской поверхности дисплея или бумажного листа.
Сейчас можно говорить о нескольких способах отображения информации в трехмерном пространстве:
Настоящее время отмечено уже наличием нескольких 3d дисплеев, которые готовы к массовому выпуску.
Конечно, чтобы научиться правильно пользоваться таким дисплеем, необходимо, как минимум, пройти 3ds max видео уроки. Скачать уроки моделирования в 3ds max можно на специализированных сайтах, доступных для общего пользования.
Трехмерная графика: что это такое, где применяется и кому необходима
Задача трехмерной графики — презентовать объект, явление или пространство в стилизованной или реалистичной визуальной форме. Дизайнеры рисуют предметы почти с нуля, настраивают освещение, работают над композицией кадра и в целом выполняют большую работу, поэтому часто сложно понять, действительно ли мы видим фотографию или это качественный 3D-рисунок. То же самое касается анимации — эффектов в фильмах, персонажей компьютерных игр, интерактивных презентаций.
Сегодня рассмотрим, что такое 3D-графика, где она применяется и как её можно эффективно освоить начинающему — даже тому, кто впервые сталкивается с компьютерным дизайном.
Как работает 3D-графика
Создать в 3D можно практически любой предмет, начиная от элементов мебели и заканчивая целыми сюжетными картинами. Более того, в основном дизайнеры работают не просто над отдельными объектом, а рисуют целые интерьеры, ландшафты, прорабатывают образ и движения какого-либо персонажа.
Объем изображения достигается за счёт полигонов. Это — основные элементы 3D-графики, из которых и состоит любой объект.
Полигоны образуют полигональному сетку, которая сочетает в себе все рёбра и грани предмета, а они в свою очередь состоят из точек (другое название — вершины). Чем больше таких точек, граней и полигонов в целом — тем более детализированный получается объект.
Однако 3D-дизайнеры стараются минимизировать их количество, поскольку в противном случае возникают сложности при моделировании, файл занимает много места и в результате ещё и программа начинает слегка тормозить.
Поэтому применяют ретопологию — упрощение объекта путем удаления полигонов.
В частности, это особенно важно, если для создания модели применяется метод скульптурирования — «вылепливания» объекта из заданной геометрической формы. Он имеет свои преимущества в виде (перечислить), но его основной недостаток заключается в том, что полигональная сетка в итоге будет очень густой.
В дальнейшем можно применять текстурирование и играть со светом. В результате объект получит нужную вам поверхность, даже если при ретопологии модель утратила часть объема. Текстуры весят намного меньше, зачастую компенсируют недостаток детализации, поэтому визуальный эффект ничем не уступает (а порой и превосходит) работе с сеткой.
Примеры 3D-графики
Трехмерная графика широко используется в разных сферах, начиная от архитектуры и заканчивая рекламой.
Дизайнеры интерьеров и ландшафтов часто работают вместе со специалистами в области 3D, чтобы последние могли максимально точно изобразить то, каким будет конечный результат: как будет выглядеть комната, что будет включать экстерьер и так далее.
Оба примеры выше сделали наши ученики.
Также специалисты работают над рендерами отдельных предметов. Например, в каталогах мебели, предметов интерьера, аксессуаров для авто и подобных используются в основном модели, а не фотографии. Работа 3D-дизайнера обходится, как правило, дешевле, а потому она более выгодна для заказчика, чем организация профессиональной фотосъемки.
На рендере одна из работ выпускника нашего бесплатного курса.
Трехмерная графика плотно засела в мире бизнеса. Её применяют в рекламе и для презентаций, поскольку сейчас потребители ценят наглядность. Как и в случае с фотографом, съемка в большинстве случаев может обойтись дороже, чем рендеринг, поэтому, опять-таки, многие заказывают подготовку роликов у 3D-дизайнеров. Также эта услуга почти необходима в ситуациях, где нужно с выгодной стороны показать объект, которого пока что не существует.
Вот какую работу проделали мы, чтобы продемонстрировать общий вид жилого комплекса:
Этапы создания трехмерного изображения
Также у нас есть собственная библиотека 3D Hamster, которую мы регулярно пополняем.
Однако если объект какой-то уникальный, придется моделировать его полностью с нуля. Кроме этого, если идёт работа над сценой в целом, а не над единственным предметом, нужно органично расположить в пространстве все предметы и правильно выбрать ракурс.
Рассмотрим каждым отдельный этап с самого начала и до финальной обработки изображения.
Моделирование
Текстурирование
Текстуры хороши тем, что позволяют экономить время. В большинство случаев их не обязательно рисовать с нуля: достаточно воспользоваться уже готовыми.
Вот хороший пример того, как превратить обычную однотонную стену в дизайнерское решение с помощью Realworld-текстурирования:
Настройка освещения
Если дизайнер работает над движущимся объектом, следующий шаг после выставления света — создание анимации (имитации движения).
Вот такой небольшой мультфильм сделал наш ученик Павел Нохрин:
Рендеринг
Постобработка
Области применения трехмерной графики и обучение
И тут следующий вопрос: а где учиться 3D-дизайну?
Можно, конечно, в вузах — это самый очевидный вариант, а для студентов бюджетных форм обучения еще и бесплатный.
Остается только надеяться, что полученные на первом курсе знания не устареют через 5 лет — как раз к получению диплома. А заодно — на то, что преподавание действительно качественное. Очевидно, что лучшие материалы дают эксперты-практики, а не теоретики. Только давайте честно: согласится ли реальный 3D-дизайнер оставить full-time работу в этой сфере, приносящую ему от 50 000 до 150 000 рублей в месяц (данные Trud.com за 2020 год по РФ) и пойти работать на тот же full-time в вуз за 55 000 рублей в месяц (средний оклад преподавателей по Москве)?
Да и бюджетная форма обучения условно бесплатная. Проживание, еду и развлечения бесплатно пока никто не организовывает, даже для самых лучших студентов.
Можно все-таки поступить в вуз — ничего плохого в этом нет. Семен Потамошнев уверен, что это позволит расширить цепочку контактов и обзавестись ценными знакомствами, которые пригодятся в будущем, в том числе в работе.
Но даже в этом случае больших успехов достигнут молодые дизайнеры, которые с самого начала будут идти в ногу со временем и работать над реальным проектами, с настоящими клиентами.
И тот же успех ждет тех, кто не имеет или даже не планирует получать высшее образование в сфере дизайна, но при этом активно прокачивает свои навыки, практикуясь.
Мы решили помочь и тем, и тем молодым специалистами, поэтому разработали короткий бесплатный курс для всех, кто хочет попробовать себя в 3D, не рискуя ни деньгами, ни временем.
Более того, деньги могут заработать наши ученики уже во время обучения.
На каждом потоке у нас есть спонсор, который отбирает до 10 лучших работ из домашних заданий под свою задачу, и авторы этих рендеров получают символическую оплату.
Обычно она составляет 1000—1500 рублей, но ученикам первого потока 2021 года повезло вдвойне: автору лучшей работы спонсор заплатит 15 000 рублей.
Что такое 3D-графика
Под понятие 3D-графики можно отнести двухмерные изображения с элементами объема, который придается за счет работы с освещением и другими элементами, создающими на экране визуальную иллюзию. Еще к 3D-графике относятся полноценные трехмерные модели, создаваемые в специальных программах и применяемые в играх, кинематографе и мультипликации.
Далее я предлагаю детальнее остановиться на этом типе графики, разобраться во всех ее тонкостях, характеристиках и принципах создания при помощи современных технологий.
Что такое 3D-изображение
Для начала остановимся на 3D-изображениях и поймем, что вообще делает их трехмерными и какие типы картинок можно отнести к этой категории. Если при просмотре изображения вы можете описать ширину и высоту, но не наблюдаете глубины, значит, это двухмерная графика. Значки на рабочем столе и указатели на улицах – все это относится к 2D-графике (за некоторым исключением, когда художник использует тень или другие приемы, чтобы сделать картинку объемной). 3D-изображение обязательно обладает глубиной, то есть является объемным. Простой пример такой графики вы видите на следующем изображении:
Если нарисовать квадрат, представив только основные его четыре линии, это будет двухмерная модель. Но если немного повернуть квадрат, дорисовать грани и вершины, получится куб, являющийся объемным элементом, а значит, к нему относится характеристика 3D-модели.
История развития 3D
Полноценное представление 3D-элементов на экране мир увидел в короткометражном фильме «A Computer Animated Hand», вышедшем в 1972 году. На скриншоте ниже вы видите то, как аниматоры смогли спроектировать человеческую руку и анимировать ее на экране.
Это дало сильный толчок в развитии анимационных технологий и применении подобных эффектов в кинематографе. Одним из первых фильмов, в котором зритель мог увидеть анимацию человеческого лица, считается «Futureworld», вышедший в 1976 году. Сразу после этого трехмерная графика начала прогрессировать очень быстро. Появились специальные программы, кинокомпании стали набирать сотрудников соответствующих должностей и реализовывали самые разные эффекты в своих проектах. Обладатели персональных компьютеров уже в начале 80-х годов могли скачать программу под названием 3D Art Graphics, которая включала в себя набор различных трехмерных объектов и эффектов.
Создание трехмерной графики
Как же работает трехмерная графика на компьютерах и на какие этапы делится ее создание?
3D-моделирование. На компьютере создается модель, в точности передающая форму объекта, который нужно представить. Это может быть любой предмет, животное или человек. В общем, все, что нас окружает. Существует несколько видов трехмерного моделирования, каждый из которых имеет свои особенности и принципы, но сейчас не будем вдаваться в эту тему. Если хотите, можете ознакомиться с такими программами, как Blender или 3Ds Max, чтобы узнать, как трехмерные объекты рисуются при помощи программ.
Сценарий и анимация. Модели всегда размещены на сцене и необходимы для выполнения определенного действия: перемещения, разрушения или передачи любого другого эффекта. Для расположения объектов на сцене и их анимирования может использоваться та же программа, которая применялась и для моделирования, но иногда разработчики обращаются к другому софту. Анимации тоже бывают разными, например, сейчас особо популярен захват движения (когда программа считывает движения человека и передает их на трехмерную фигуру).
Рендеринг. Завершающий процесс работы над проектом. Подразумевает обработку цветов, типов поверхности, освещения и всех других параметров сцены. Для обработки необходим мощный компьютер, способный быстро считывать кадры и выдавать на экран необходимый результат.
3D-моделирование
В рамках этой статьи остановимся только на 3D-моделировании, поскольку именно этот процесс и является основной трехмерной графики. Вы уже знаете, что для выполнения данной операции используется специальный софт. Аниматор может взаимодействовать как с отдельными геометрическими фигурами и точками, преобразовывая их в необходимый объект, так и с одной болванкой, доводя ее до необходимой формы (как скульптор в реальной жизни).
Изначально модель имеет серый цвет, поэтому обязательным этапом является наложение текстур и материалов. В крупных компаниях этим занимается специально обученный человек, получивший заготовку от 3D-моделировщика. Он по эскизам или специальным шаблонам накладывает на модель различные элементы, имитирующие волосы, ткань или типы поверхностей. Это и делает 3D-модель похожей на настоящую.
Тему можно развивать бесконечно, поскольку 3D-графика обладает огромным множеством интересных особенностей, которые делают индустрию такой сложной и высокооплачиваемой. Кинокомпании тратят миллионы долларов на создание моделей и эффектов, которые в реальной жизни повторить проблематично и еще более затратно. Сейчас при помощи 3D-графики создаются практически все современные игры и мультфильмы.
Что такое 3D-графика и как она устроена
Мы каждый день видим 3D-графику, но не задумываемся, как она устроена изнутри. Давайте заглянем за ширму.
Современные компьютеры генерируют графику, которая почти неотличима от того, как видим жизнь мы. И если вам всегда было интересно, как создаются реалистичные шедевры (или вы занимаетесь чем-то похожим), то будет полезно узнать, как вообще работает 3D.
Давайте разберёмся, как обычные точки превращаются в 3D-графику:
Пишет о программировании, в свободное время создает игры. Мечтает открыть свою студию и выпускать ламповые RPG.
Создание 3D-моделей
Кажется, что это просто гладкий шар, но на самом деле он состоит из множества точек — вершин (англ. vertices — вершины):
Чем больше вершин, тем более детализированной выглядит модель и тем больше ресурсов требуется компьютеру, чтобы отрисовать такой объект на экране.
Вершины соединяются друг с другом и образуют рёбра (англ. edge) и грани (англ. face):
Всё это образует полигональную сетку (англ. polygon mesh или просто меш, геометрия) —- совокупность вершин, рёбер и граней (плоскостей), которая определяет форму объекта.
У каждой вершины есть свои координаты по осям X, Y и Z. А то, как грань отображается на мониторе, зависит от её положения относительно камеры и источников света:
Изменяя меш, добавляя вершины и меняя их положение, мы можем создавать любые сложные объекты:
Для создания твёрдых объектов (англ. hard surface) 3D-художники обычно меняют положение граней вручную, как это показано выше.
При работе с персонажами чаще используется скульптинг (англ. sculpting) — напоминает лепку из пластилина:
Но геометрия — не последний этап создания 3D-модели. Например, у моделей, созданных скульптингом, плохая топология (то, как именно устроен меш) — слишком много задействовано вершин:
Чтобы исправить это, используют специальные инструменты для ретопологии — это когда удаляют лишние грани, чтобы оптимизировать модель.
Также нужно подготовить материал — это то, как окрашены разные грани или вся модель. Возможен как и простой цвет, так и изображение или паттерн.
Есть множество других важных моментов: анимирование, запекание текстур, составление карт нормалей и так далее. Всё это стоит вплотную изучить тем, кто собирается моделировать 3D. Сейчас же мы поговорим о более техническом вопросе.
Отображение 3D-моделей на экране
Как на двумерном экране показать трёхмерную модель? В этом вопросе столько математики, что может показаться, будто это какая-то магия.
Пространство, в котором находятся объекты, называется сценой. Всё, что на ней, существует пока только в памяти компьютера в виде данных о геометрии, материалах и прочем.
Чтобы компьютер понял, как это всё отобразить, нужен наблюдатель, чьими глазами он будет смотреть на сцену, — камера. А чтобы мы могли хоть что-то разглядеть, нужен источник света.
Вот тут и начинается магия: компьютеру предстоит определить, как бы выглядела эта сцена с точки зрения камеры. Вот так это устроено:
Мы видим только то, что расположено между областями отсечения. Всё остальное, как можно догадаться, отсекается. Компьютер должен понять, какие цвета отобразить на мониторе в каждом из пикселей. Для этого он отправляет из камеры лучи и смотрит, во что они ударяются.
Если луч попадает в объект, то дальше компьютер проверяет, в какой именно полигон было попадание, какой материал у объекта, как падает свет, на каком расстоянии находится объект от камеры и многие другие переменные.
Всё это транслируется на плоскость проекции (англ. viewport) — двумерный квадрат в трёхмерном пространстве. Эта плоскость уже используется для того, чтобы составить изображение, которое будет показано на мониторе.
Процесс перевода 3D-сцены в 2D-изображение называется рендерингом (англ. rendering) или отрисовкой.
Движение в 3D
Мы узнали, как выводится одно изображение, но ведь 3D бывает ещё и в фильмах и играх, где постоянно происходит какое-то движение. На самом деле мы до сих используем тот же принцип анимации, что и несколько веков назад.
В 1877 году был изобретён праксиноскоп — барабан, обклеенный изнутри последовательностью изображений. В его центре есть ещё один барабан поменьше, обклеенный зеркалами. Если смотреть в центр устройства, когда оно вертится, можно увидеть иллюзию движения:
Сейчас это выглядит так:
Большинство современных мониторов могут выводить 60 картинок (кадров) в секунду (англ. Frames Per Second, FPS), благодаря чему создаётся ощущение плавности.
В случае с играми все кадры отрисовываются в реальном времени. То есть, пока пользователь играет, положение объектов на сцене меняется, компьютер 60 раз в секунду проверяет, как это всё выглядит, и обновляет изображение на мониторе.
Разумеется, это накладывает ограничения на качество изображения. Например, в играх только недавно появилась технология трассировки лучей (англ. Ray Tracing), которая позволяет программно рассчитывать рассеивание лучей света.
Вот, например, как выглядит сцена из Minecraft без RTX (технология трассировки лучей в видеокартах Nvidia):
Как это работает: 3D-графика
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.
Содержание
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
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.
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.
