Реалистичность трехмерного изображения. Создание реалистичных изображений изделий

К 3D-искусству можно отнести разновидность граффити, трёхмерную компьютерную графику, реалистичные рисунки, которые создают иллюзию трехмерной сцены.

Художники всегда стремились к правдоподобному представлению природы и окружающих вещей. В наш современный век этого легко достичь при помощи передовых устройств. Тем не менее, есть нечто очаровывающее и особенно привлекающее во многих 3D-изображениях, созданных рукой человека. Ведь техника 3D-рисунка требует большого мастерства и терпения, не говоря уже о таланте.

Предлагаем полюбоваться творениями разных мастеров, чьи работы выполнены в реалистичном 3D-жанре.

1. Очки.

Простой, элегантный и причудливый 3D-рисунок, который выглядит реалистично.

2. «Зал Гигантов», Палаццо Те, Мантуя, Италия

Иллюзионистские фрески 16-го века, выполненные Джулио Романо, относят к истокам 3D-искусства.

3. Карандашный 3D-рисунок Нагаи Хидеюки

Художник создает трёхмерную иллюзию, используя лишь альбом и цветные карандаши.

4. Музей 3D-картин в городе Чиангмай, Таиланд

Существует целый музей, посвященный 3D-искусству, в Таиланде. Его залы наполнены большими фресками, которые выглядят совершенно реально.

5. Кока кола - иллюзия

Часто вдохновение для 3D-искусства берёт начало в популярных объектах из нашей повседневной жизни. Классический вариант - бутылка Колы.

6. Компьютерная графика: Девушка

Кто бы мог подумать, что этой девушки не существует?

7. Колонны коринфского ордера

Прекрасный карандашный 3D-рисунок двух коринфских колонн.

8. Реалистичный водопад в городе Двур Кралове, Чехия

Часть городского парка в Чешской Республике превратили в иллюзию прекрасного водопада.

9. Глобус

Нередко 3D-искусство используют в маркетинге. Эта картина земного шара призывает людей на борьбу с бедностью.

10. Игорь Таритас

Молодой художник создает картины, используя основы гиперреализма. Это полотно излучает глубину реального мира, словно при желании мы можем выйти на сцену.

11. Дейви Джонс от Джерри Грошке

Классический персонаж из «Пиратов Карибского моря», созданный 3D-художником компьютерной графики.

12. Казухико Накамура

Японский 3D-художник, который создаёт креативные стимпанк фотографии с помощью программного обеспечения.

13. Курт Веннер: Дикое родео в Калгари, Канада

Один из самых известных современных 3D-художников, Курт Веннер, изобразил вымышленное родео в канадском городе.

14. Леон Кир, Рубен Понциа, Ремко ван Шайк и Питер Вестеринг

Четыре художники объединились, чтобы создать эту невероятную иллюзию армии Лего.

15. Лодзь, Польша

Бассейн возле оживлённого торгового центра в городе Лодзь, Польша. Надеюсь, никто в него не прыгнул.

16. Рынок

Красивый 3D-натюрморт, нарисованный на асфальте возле овощного рынка. Он дополняет атмосферу идеальной изысканностью.

17. МТО, Ренн, Франция

Уличный художник МТО создал серию масштабных 3D-фресок в Ренн, Франция. В его настенной живописи фигурируют великаны, пытающиеся проникнуть в дома людей. Картины и потрясают, и ужасают.

Работы, выполненные с использованием трехмерной компьютерной графики, одинаково привлекают к себе внимание и 3D-дизайнеров, и тех, кто имеет довольно смутное представление о том, как все это было сделано. Наиболее удачные работы в 3D невозможно отличить от реальных съемок. Такие работы, как правило, порождают вокруг себя жаркие споры о том, что же это: фотография или трехмерная подделка. Вдохновленные работами именитых 3D-художников, многие берутся за изучение трехмерных редакторов, полагая, что освоить их так же легко, как Photoshop. Между тем, программы для создания 3D-графики являются довольно сложными в освоении, и их изучение отнимает много времени и сил. Но даже изучив инструментарий трехмерного редактора добиться реалистичного изображения начинающему 3D-дизайнеру нелегко. Попав в ситуацию, когда сцена выглядит "мертвой", он не всегда может найти тому объяснение. В чем же дело?

Основная проблема создания фотореалистичного изображения заключается в трудности точной имитации окружающей среды. Картинка, которая получается в результате просчета (визуализации) в трехмерном редакторе, является результатом математических вычислений по заданному алгоритму. Разработчикам программного обеспечения трудно подобрать алгоритм, который помогал бы описать все физические процессы, которые имеют место в реальной жизни. Поэтому моделирование окружающей среды лежит на плечах самого 3D-художника. Существует определенный набор правил создания реалистичного трехмерного изображения. Вне зависимости от того, в каком трехмерном редакторе вы работаете и сцены какой сложности создаете, они остаются неизменными. Результатом работы в трехмерном редакторе является статичный файл или анимация. В зависимости от того, каким будет конечный продукт в вашем случае, подходы к созданию реалистичного изображения могут отличаться.

Начинаем с композиции

Большое значение для конечного результата имеет расположение объектов в трехмерной сцене. Они должны располагаться таким образом, чтобы зритель не терялся в догадках, разглядывая случайно попавшую в кадр часть объекта, а с первого взгляда мог распознать все составляющие сцены. При создании трехмерной сцены нужно обращать внимание на положение объектов относительно виртуальной камеры. Помните, что объекты, расположенные ближе к объективу камеры, визуально кажутся большими по размеру. Поэтому нужно следить за тем, чтобы одинаковые по размеру объекты находились на одной линии. Вне зависимости от того, какой сюжет у трехмерной сцены, она обязательно должна отображать последствия каких-то событий, которые произошли в прошлом. Так, например, если к заснеженному дому ведут чьи-то следы, то, глядя на такую картинку, зритель сделает вывод, что кто-то зашел в дом. Работая над трехмерным проектом, обращайте внимание на общее настроение сцены. Его может передать удачно выбранный элемент декорации или определенная гамма цветов. Например, добавление в сцену свечи подчеркнет романтику обстановки. Если вы моделируете мультяшных персонажей, цвета должны быть яркими, если же создаете отвратительного монстра, выберите темные оттенки.

Не забудьте о деталях

При работе над трехмерным проектом нужно всегда принимать во внимание то, насколько объект виден в сцене, насколько он освещен и т.д. В зависимости от этого объект должен иметь большую или меньшую степень детализации. Трехмерный мир - это виртуальная реальность, где все напоминает театральные декорации. Если вы не будете видеть заднюю часть объекта - не моделируйте ее. Если у вас есть болт с накрученной гайкой, не стоит моделировать резьбу под гайкой; если в сцене будет виден фасад дома, не нужно моделировать интерьер; если вы моделируете сцену ночного леса, основное внимание стоит уделить лишь тем объектам, которые находятся на переднем плане. Деревья, расположенные на заднем плане, на отрендеренной картинке видны почти не будут, поэтому моделировать их с точностью до листика не имеет смысла.

Часто при создании трехмерных моделей едва ли не главную роль играют небольшие детали, которые делают объект более реалистичным. Если у вас не получается добиться реалистичности в сцене, попробуйте повысить степень детализации объектов. Чем больше мелких деталей будет содержать сцена, тем более правдоподобно будет выглядеть финальное изображение. Вариант с увеличением детализации сцены практически беспроигрышен, но имеет один недостаток - большое количество полигонов, что ведет к увеличению времени просчета. Убедиться в том, что реалистичность сцены напрямую зависит от степени детализации, можно на таком простом примере. Если создать в сцене три модели травинки и визуализировать их, то на зрителя изображение не произведет никакого впечатления. Однако, если эту группу объектов многократно клонировать, изображение будет смотреться эффектнее. Управлять детализацией можно двумя способами: так, как это описано выше (увеличивая количество полигонов в сцене), или же повышая разрешение текстуры. Во многих случаях имеет смысл больше внимания уделить созданию текстуры, нежели самой модели объекта. При этом вы сэкономите системные ресурсы, требуемые на просчет сложных моделей, уменьшив тем самым время рендеринга. Лучше делать более качественную текстуру, чем увеличивать количество полигонов. Прекрасным примером разумного использования текстуры может служить стена дома. Вы можете моделировать каждый кирпичик по отдельности, что займет и время, и ресурсы. Гораздо проще использовать фотографию кирпичной стены.

Если нужно создать пейзаж

Одна из наиболее трудных задач, с которой часто приходится иметь дело 3D-дизайнерам - моделирование природы. В чем же заключается проблема создания окружающей нас естественной обстановки? Все дело в том, что любой органический объект, будь то животное, растение и пр. - неоднороден. Несмотря на кажущуюся симметричную структуру, форма таких объектов не поддается никакому математическому описанию, с которым имеют дело трехмерные редакторы. Даже те объекты, которые, на первый взгляд, имеют симметричный вид, при более детальном рассмотрении оказываются несимметричными. Так, например, волосы на голове человека располагаются неодинаково с правой и левой стороны, чаще всего он их зачесывает направо, а лист на ветке дерева может быть поврежден гусеницей в каком-нибудь месте и т.д. Самым лучшим решением для имитации органики в 3D можно считать фрактальный алгоритм, который часто используется в настройках материалов и различных инструментов трехмерного моделирования. Этот алгоритм лучше других математических выражений помогает имитировать органику. Поэтому при создании органических объектов обязательно используйте возможности фрактального алгоритма для описания их свойств.

Тонкости создания материала

Материалы, которые имитируются в трехмерной графике, могут быть самыми разнообразными - от металла, дерева и пластика до стекла и камня. При этом каждый материал определяется большим количеством свойств, среди которых - рельеф поверхности, зеркальность, рисунок, размер и яркость блика и т.д. Визуализируя любую текстуру, нужно помнить, что качество материала на полученном изображении очень сильно зависит от множества факторов, среди которых - параметры освещения (яркость, угол падения света, цвет источника света и т.д.), алгоритм визуализации (тип используемого рендерера и его настройки), разрешение растровой текстуры. Также большое значение имеет метод проецирования текстуры на объект. Неудачно наложенная текстура может "выдать" трехмерный объект образованным швом или подозрительно повторяющимся рисунком. Кроме того, обычно в реальности объекты не бывают идеально чистыми, то есть на них всегда есть следы грязи. Если вы моделируете кухонный стол, то, несмотря на то, что рисунок на кухонной клеенке повторяющийся, ее поверхность не должна быть везде одинаковая - клеенка может быть потерта на углах стола, иметь порезы от ножа и т.д. Чтобы ваши трехмерные объекты не выглядели неестественно чистыми, можно использовать сделанные вручную (например, в Adobe Photoshop) карты загрязненности и смешивать их с исходными текстурами, получая реалистичный "изношенный" материал.

Добавление движения

При создании анимации геометрия объектов играет более важную роль, чем в случае со статичным изображением. В процессе движения зритель может видеть объекты под разным углом зрения, поэтому важно, чтобы модель выглядела реалистично со всех сторон. Например, при моделировании в статичной сцене деревьев можно пойти на хитрость и упростить себе задачу: вместо того, чтобы создавать "настоящее" дерево, можно сделать две пересекающиеся перпендикулярные плоскости и наложить на них текстуру с использованием маски прозрачности. При создании анимированной сцены этот способ не годится, так как такое дерево будет выглядеть реалистично только с одной точки, и любой поворот камеры "выдаст" подделку. В большинстве случаев, как только трехмерные объекты исчезают из объектива виртуальной камеры, лучше удалить их из сцены. В противном случае компьютер будет выполнять никому не нужную задачу, просчитывая невидимую геометрию.

Второе, что необходимо учитывать при создании анимированных сцен - это движение, в котором пребывает большинство предметов в реальности. Например, шторы в комнате колышутся от ветра, стрелки часов идут и т.д. Поэтому при создании анимации нужно обязательно проанализировать сцену и обозначить те объекты, для которых необходимо задать движение. Кстати сказать, движение придает реалистичности и статичным сценам. Однако, в отличие от анимированных, в них движение должно угадываться в застывших мелочах - в сползающей со спинки кресла рубашке, ползущей гусеницы на стволе, согнувшемся от ветра дереве. Если для более простых объектов сцены создать реалистичную анимацию относительно несложно, то смоделировать движение персонажа без вспомогательных инструментов практически невозможно. В повседневной жизни наши движения настолько естественны и привычны, что мы не думаем, например, запрокинуть ли нам голову во время смеха или пригнуться, проходя под низким навесом. Моделирование же подобного поведения в мире трехмерной графики сопряжено с множеством подводных камней, и воссоздать движения, и тем более мимику, человека не так-то просто. Именно поэтому для упрощения задачи применяется следующий способ: на тело человека навешивается большое количество датчиков, которые фиксируют перемещение любой его части в пространстве и подают соответствующий сигнал на компьютер. Тот, в свою очередь, полученную информацию обрабатывает и использует ее по отношению к некоторой скелетной модели персонажа. Такая технология называется motion capture. При движении оболочки, которая надевается на скелетную основу, необходимо также учитывать мускульную деформацию. Тем 3D-аниматорам, которые заняты персонажной анимацией, будет полезно изучить анатомию для того, чтобы лучше ориентироваться в системах костей и мускулов.

Освещение - это не только свет, но и тени

Создание сцены с реалистичным освещением - еще одна задача, которую предстоит решить для того, чтобы придать конечному изображению большую реалистичность. В реальном мире световые лучи многократно отражаются и преломляются в объектах, в результате чего тени, отбрасываемые объектами, в основном, имеют нечеткие, размытые границы. За качество отображения теней, в основном, отвечает аппарат визуализации. К теням, отбрасываемым в сцене, предъявляются отдельные требования. Отбрасываемая от объекта тень может сказать о многом - как высоко он находится над землей, какова структура поверхности, на которую падает тень, каким источником освещен объект и т.д. Если о тенях в сцене забыть, такая сцена никогда не будет выглядеть реалистичной, так как в реальности каждый объект имеет свою тень. Кроме этого, тень может подчеркнуть контраст между передним и задним планом, а также "выдать" объект, который не попал в поле зрения объектива виртуальной камеры. В этом случае зрителю дается возможность самому домыслить окружающую обстановку сцены. Например, на рубашке трехмерного персонажа он может увидеть падающую тень от веток и листьев и догадаться, что с обратной стороны от точки съемки растет дерево. С другой стороны, слишком большое количество теней не сделает изображение более реалистичным. Следите за тем, чтобы объект не отбрасывал тени от вспомогательных источников света. Если в сцене присутствует несколько объектов, излучающих свет, например, фонарей, то все элементы сцены должны отбрасывать тени от каждого из источников света. Однако, если в такой сцене вы будете использовать вспомогательные источники света (например, для того, чтобы подсветить темные участки сцены), создавать тени от этих источников не нужно. Вспомогательный источник должен быть незаметен зрителю, а тени выдадут его присутствие.

При создании сцены важно не переборщить с количеством источников света. Лучше потратить немного времени на то, чтобы наилучшим образом подобрать его положение, чем использовать несколько источников света там, где можно обойтись и одним. В случае же, когда использование нескольких источников необходимо, следите за тем, чтобы каждый из них отбрасывал тени. Если вы не можете увидеть тени от источника света, то, возможно, другой, более сильный, источник пересвечивает их. При расстановке источников света в сцене обязательно обратите внимание на их цвет. Источники дневного света имеют голубой оттенок, для создания же источника искусственного света нужно придать ему желтоватый окрас. Также следует принимать во внимание, что цвет источника, имитирующего дневной свет, зависит еще и от времени суток. Поэтому, если сюжет сцены подразумевает вечернее время, освещение может быть, например, в красноватых оттенках заката.

Самое главное - просчет

Визуализация - это завершающий и, безусловно, самый ответственный этап создания трехмерной сцены. Редактор трехмерной графики просчитывает изображение, учитывая геометрию объектов, свойства материалов, из которых они сделаны, расположение и параметры источников света и т.д. Если сравнивать работу в 3ds max с видеосъемкой, то значение движка рендеринга можно сопоставить с пленкой, на которой снимается материал. Точно так же, как на двух пленках разных фирм могут получаться яркий и блеклый снимки, результат вашей работы может быть реалистичный или только удовлетворительный в зависимости от того, какой алгоритм просчета изображения вы выбрали. Существование большого количества алгоритмов визуализации стало причиной увеличения числа внешних подключаемых рендереров. Часто один и тот же рендерер может интегрироваться с разными пакетами 3D-графики. По скорости и качеству просчитываемого изображения внешние визуализаторы, как правило, превосходят стандартный аппарат рендеринга 3D-редакторов. Однако нельзя однозначно дать ответ на вопрос, какой из них дает наилучший результат. Понятие "реалистичность" в этом случае является субъективным, потому что нет каких-либо объективных критериев, по которым можно было бы оценить степень реалистичности визуализатора.

Однако можно сказать наверняка, что для того, чтобы финальное изображение было более реалистичным, алгоритм визуализации должен учитывать все особенности распространения световой волны. Как мы уже говорили выше, попадая на объекты, луч света многократно отражается и преломляется. Просчитать освещенность в каждой точке пространства с учетом бесконечного числа отражений невозможно, поэтому для определения интенсивности света используются две упрощенные модели: трассировка (Raytracing) и метод глобальной освещенности (Global Illumination). До недавнего времени наиболее популярным алгоритмом визуализации была трассировка световых лучей. Этот метод заключался в том, что трехмерный редактор отслеживал ход луча, испускаемого источником света, с заданным числом преломлений и отражений. Трассировка не может обеспечить фотореалистичного изображения, поскольку этот алгоритм не предусматривает получения эффектов рефлективной и рефрактивной каустики (блики, возникающие в результате отражения и преломления света), а также свойств рассеиваемости света. На сегодняшний день использование метода глобального освещения является обязательным условием для получения реалистичного изображения. Если при трассировке просчитываются только те участки сцены, на которые попадают лучи света, метод глобального освещения просчитывает рассеиваемость света и в неосвещенных или находящихся в тени участках сцены на основе анализа каждого пикселя изображения. При этом учитываются все отражения лучей света в сцене.

Одним из наиболее распространенным способов просчета глобального освещения является Photon Mapping (фотонная трассировка). Этот метод подразумевает расчет глобального освещения, основанный на создании так называемой карты фотонов - информации об освещенности сцены, собранной при помощи трассировки. Преимущество Photon Mapping заключается в том, что единожды сохраненные в виде карты фотонов результаты фотонной трассировки впоследствии могут использоваться для создания эффекта глобального освещения в сценах трехмерной анимации. Качество Global Illumination, просчитанное при помощи фотонной трассировки, зависит от количества фотонов, а также глубины трассировки. При помощи Photon Mapping можно также осуществлять просчет каустики. Помимо просчета глобального освещения, внешние визуализаторы позволяют визуализировать материалы с учетом эффекта подповерхностного рассеивания (Sub-Surface Scattering). Этот эффект является необходимым условием достижения реалистичности таких материалов, как кожа, воск, тонкая ткань и т.д. Лучи света, попадающие на такой материал, помимо преломления и отражения, рассеиваются в самом материале, тем самым вызывая легкое свечение изнутри.

Еще одна причина, по которой изображения, просчитанные с помощью подключаемых рендереров, более реалистичны, чем картинки, визуализированные с использованием стандартных алгоритмов просчета - возможность использования эффектов камеры. К ним относятся, прежде всего, глубина резкости (Depth of Field), смазывание движущихся объектов (motion blur). Эффект глубины резкости можно использовать тогда, когда требуется обратить внимание зрителя на какую-нибудь деталь сцены. Если изображение содержит эффект глубины резкости, зритель в первую очередь замечает элементы сцены, на которые наведена резкость. Эффект глубины резкости может помочь в том случае, когда необходимо визуализировать то, что видит персонаж. С помощью эффекта глубины резкости можно фокусировать взгляд персонажа то на одном, то на другом объекте. Эффект глубины резкости является обязательной составляющей реалистичного изображения и тогда, когда внимание в сцене обращено на мелкий объект - например, на гусеницу на стволе. Если на картинке будут одинаково четко прорисованы все объекты, которые попадают в фокус включая ветки, листья, ствол и гусеницу, то такое изображение не будет выглядеть реалистично. Если бы подобная сцена существовала в действительности, и съемка велась не виртуальной, а настоящей камерой, в фокусе был бы только главный объект - гусеница. Все, что находится на расстоянии от нее, выглядело бы размытым. Поэтому на трехмерном изображении обязан присутствовать эффект глубины резкости.

Вывод

С каждым днем увеличиваются аппаратные возможности рабочих станций, что дает возможность еще более эффективно использовать инструментарий для работы с трехмерной графикой. Одновременно с этим совершенствуется арсенал средств редакторов трехмерной графики. В то же время основные подходы к созданию фотореалистичных изображений остаются неизменными. Выполнение этих требований не гарантирует того, что полученная картинка будет похожа на фотографию. Однако их игнорирование наверняка станет причиной неудачи. Создать фотореалистичное изображение, работая над трехмерным проектом в одиночку - невероятно сложная задача. Как правило, те, кто посвящают себя трехмерной графике и работают с ней профессионально, проявляют себя только на одном из этапов создания трехмерной сцены. Одни знают все тонкости моделирования, другие умеют мастерски создавать материалы, третьи "видят" правильное освещение сцен и т.д. Поэтому, начиная работать с 3D, постарайтесь найти ту область, в которой вы себя чувствуете наиболее уверенно, и развивать свои таланты.

Сергей и Марина Бондаренко, http://www.3domen.com

Представить, как впишется объект в существующую застройку. Просматривать различные варианты исполнения проекта очень удобно по трехмерной модели. В частности, можно менять материалы и покрытие (текстуры) элементов проекта, проверять освещенность отдельных участков (в зависимости от времени суток), размещать различные элементы интерьера и т.д.

В отличие от ряда САПР, использующих для визуализации и анимации дополнительные модули или сторонние программы, в MicroStation встроены средства для создания фотореалистичных изображений (BMP, JPG, TIFF, PCX и др.), а также для записи анимационных роликов стандартных форматов (FLI, AVI) и набора покадровых картинок (BMP, JPG, TIFF и др.).

Создание реалистичных изображений

Создание фотореалистичных изображений начинается с присвоения материалов (текстур) различным элементам проекта. Каждая текстура применяется ко всем элементам одинакового цвета, лежащим в одном и том же слое. Учитывая, что максимальное количество слоев — 65 тыс., а цветов — 256, можно предположить, что индивидуальный материал реально применить к любому элементу проекта.

Программа предоставляет возможности редактирования любой текстуры и создания новой, основанной на растровом изображении (BMP, JPG, TIFF и др.). При этом для текстуры можно использовать два изображения, одно из которых отвечает за рельефность, а другое — за фактуру материала . Как рельефность, так и фактура обладают различными параметрами размещения на элемент, как-то: масштаб, угол поворота, смещение, способ заполнения неровных поверхностей. Кроме того, рельефность имеет параметр «высота» (изменяемый в диапазоне от 0 до 20), а фактура, в свою очередь, обладает весом (изменяемым в диапазоне от 0 до 1).

Кроме рисунка, у материала существуют следующие настраиваемые параметры: рассеяние, диффузия, глянец, полировка, прозрачность, отражение, преломление, базовый цвет, цвет блика, способность материала оставлять тени.

Отображение текстуры предварительно можно просмотреть на примере стандартных трехмерных тел либо на любом элементе проекта, при этом можно использовать несколько типов затенения элемента. Простые средства создания и редактирования текстур позволяют получить практически любой материал.

Не менее важный аспект для создания реалистических изображений — способ визуализации (рендеринга). MicroStation поддерживает следующие, достаточно известные способы затенения: удаление невидимых линий, закраска невидимых линий, постоянное затенение, плавное затенение, затенение по Фонгу, рейтрейсинг, радиосити, трассировка частиц. При визуализации изображение можно сгладить (убрать ступенчатость), а также создать стереокартинку, которую можно просмотреть, используя очки со специальными светофильтрами.

Существует ряд настроек качества отображения (соответственно скорости обработки изображения) для способов рейтрейсинга, радиосити, трассировки частиц. Для ускорения обработки графической информации MicroStation поддерживает методы графического ускорения — технологию QuickVision. Для просмотра и редактирования созданных изображений также существуют встроенные средства модификации, поддерживающие следующие стандартные функции (которые, конечно, не могут конкурировать с функциями специализированных программ): гамма-коррекция, регулировка оттенков, негатив, размывка, цветовой режим, обрезка, изменение размера, поворот, зеркальное отображение, конвертация в иной формат данных.

При создании реалистичных картинок немалую часть времени занимают размещение и управление источниками света. Источники света подразделяются на глобальное и местное освещение . Глобальное освещение , в свою очередь, состоит из рассеянного света, вспышки, солнечного освещения, света неба. А для солнца, наряду с яркостью и цветом, устанавливается угол азимута и угол над горизонтом. Данные углы могут автоматически вычисляться по указанному географическому положению объекта (в любой указанной на карте мира точке земного шара), а также по дате и времени рассмотрения объекта. Свет неба зависит от облачности, качества (непрозрачности) воздуха и даже от отражения от земли.

Местные источники света могут быть пяти видов: удаленный, точечный, конический, поверхностный, проем для неба. Каждый источник может обладать следующими свойствами: цвет, сила света, интенсивность, разрешение, тень, ослабление на определенном расстоянии, угол конуса и т.д.

Источники света могут помочь в определении неосвещенных участков объекта, где необходимо ставить дополнительные освещение.

Для просмотра элементов проекта с определенного ракурса и для произвольного движения вида по всему файлу используются камеры. При помощи клавиш управления клавиатуры и мышки можно задать девять типов движения камеры: полет, поворот, снижение, скольжение, обход, вращение, плавание, перемещение на тележке, наклон. По четыре различных типа движения можно подключить на клавиатуру и мышь (переключаются режимы удерживанием клавиш Shift, Ctrl, Shift + Ctrl).

Камеры дают возможность осмотреть объект с разных ракурсов и заглянуть внутрь. Варьируя параметры камеры (фокусное расстояние, угол объектива), можно изменять перспективу вида.

Для создания более реалистичных изображений предусмотрена возможность подключения фонового рисунка, например фотоснимка существующего ландшафта .

Большинство пользователей прекрасно осведомлены в том, с помощью какого из комплектующих ПК мы получаем изображения на мониторе – естественно это видеоадаптер. Но вот не многие знают тонкости и нюансы технологий повышения реалистичности трёхмерного изображения, ведь в наше время стремительного развития 3D-графики и появления на свет множества реалистичных компьютерных игр – мало просто вывести хорошее изображение на монитор, нужно его сделать максимально реалистичным.

Мы рассмотрим наиболее распространённые технологии, которые уже устоялись и активно применяются производителями видеокарт. Данный материал рассчитан на опытных пользователей и полагает более подробное внедрение в технологии, чем просто поверхностных обзор.

Технология MIP mapping

Начнём, пожалуй, с наиболее часто применяемой технологии, которая называется MIP mapping . Основное назначение данной технологии – улучшение качественности текстурирования 3D-объектов.

Чтобы изображение выглядело более реалистичным, разработчикам необходимо учитывать, такое важное понятия, как глубина сцены. Реализм, в таком случае, предполагает качественное размытие по мере удаления изображения, а также, изменение цветовых оттенков. Поэтому для построения любых видов поверхностей, используется множество различных текстур, что и даёт возможность регулировать данное явление. Если необходимо, к примеру, построить изображение дороги, которое стремится к горизонту, то в случае применение одной текстуры, о реализме можно просто-напросто забыть, так как на заднем плане появится сплошной цвет или мерцание.

Как раз таки, для реализации этого множества текстур и используется технология Mip mapping , она дает возможность использования текстур с различной степенью детализации, что добавляет свои плюсы, к примеру, реалистичности дороге, которая описана выше.

Принцип действия заключается в определении для каждого пикселя изображения, соответствующей ему Mip-карте, ну а далее идёт выборка по одному текселу (пикселю карту), который присваивается пикселю. Вот такая сложная система, текстурирования изображения, но именно благодаря этой системе, мы чувствуем гораздо больший реализм в играх и 3D-фильмах.

Технологии фильтрации

Эти технологии, как правило, используются совместно с технологией Mip mapping. Технологии фильтрации необходимы для того, чтобы исправить различные артефакты текстурирования. Если говорить просто, то смысл фильтрации заключается в том, чтобы рассчитать цвет объёкта по соседним пикселям.

Фильтрация бывает разных видов:

Билинейная. Когда объект находится в движении, могут быть заметны различного рода перетаскивания пикселей, что в свою очередь вызывает эффект мерцания. Для снижения данного эффекта, используется билинейная фильтрация, принцип работы которой заключается в выборке четырех соседних пикселей, для отображения поверхности текущего.

Трилинейная. Принцип работы трилинейной фильтрации схож с билинейной, но уже более продвинутый, здесь для опеределения цвета текущего пикселя, берется среднее значение 8 пикселей. Трилинейная фильтрация решает множество ошибок связанных с текстурированием обктов и ошибочным расчётом глубины сцены.

Анизатропная фильтрация . Наиболее продвинутый тип фильтрации и на сегодняшний день используется во всех новых видеоадаптерах . С помощью анизатропной фильтрации один пиксель рассчитывается по 8-32 текселам (текстурным пикселям) .

Anti-aliasing (Технология сглаживания)

Суть технологии Anti-aliasing, заключается в устранении зазубренности краев объектов, проще говоря – в сглаживании изображения.

Принцип действия наиболее распространённой технологии сглаживания, заключается в создании плавного перехода, между границей и цветом фона. Цвет точки, которые лежит на границе объектов, определяется средним значением граничных точек.

Итак, с горем пополам были рассмотрены основные технологии повышения реалистичности трёхмерного изображения. Возможно, далеко не всё было понятно, но в любом случае такая углублённая информация не будет лишней.

Построение трехмерного изображения

С ростом вычислительной мощности и доступности элементов памяти, с появлением качественных графических терминалов и устройств вывода была разработана большая группа алгоритмов и программных решений, которые позволяют формировать на экране изображение, представляющее некоторую объемную сцену. Первые такие решения были предназначены для задач архитектурного и машиностроительного проектирования.

При формировании трехмерного изображения (статического или динамического) его построение рассматривается в пределах некоторого пространства координат, которое называется сценой . Сцена подразумевает работу в объемном, трехмерном мире - поэтому и направление получило название трехмерной (3-Dimensional, 3D) графики.

На сцене размещаются отдельные объекты, составленные из геометрических объемных тел и участков сложных поверхностей (чаще всего для построения применяются так называемые B-сплайны ). Для формирования изображения и выполнения дальнейших операций поверхности разбиваются на треугольники - минимальные плоские фигуры - и в дальнейшем обрабатываются именно как набор треугольников.

На следующем этапе “мировые ” координаты узлов сетки пересчитывают с помощью матричных преобразований в координаты видовые , т.е. зависящие от точки зрения на сцену. Положение точки просмотра , как правило, называют положением камеры .

Рабочее пространство системы подготовки
трехмерной графики Blender (пример с сайта
http://www.blender.org )

После формирования каркаса (“проволочной сетки”) выполняется закрашивание - придание поверхностям объектов некоторых свойств. Свойства поверхности в первую очередь определяются ее световыми характеристиками: светимостью, отражающей способностью, поглощающей способностью и рассеивающей способностью. Этот набор характеристик позволяет определить материал, поверхность которого моделируется (металл, пластик, стекло и т.п.). Прозрачные и полупрозрачные материалы обладают еще рядом характеристик.

Как правило, во время выполнения этой процедуры выполняется и отсечение невидимых поверхностей . Существует много методов выполнения такого отсечения, но самым популярным стал метод
Z-буфера , когда создается массив чисел, обозначающий “глубину” - расстояние от точки на экране до первой непрозрачной точки. Следующие точки поверхности будут обработаны только тогда, когда их глубина будет меньше, и тогда координата Z уменьшится. Мощность этого метода напрямую зависит от максимально возможного значения удаленности точки сцены от экрана, т.е. от количества битов на точку в буфере.

Расчет реалистичного изображения. Выполнение указанных операций позволяет создать так называемые твердотельные модели объектов, но реалистичным это изображение не будет. Для формирования реалистичного изображения на сцене размещаются источники света и выполняется расчет освещенности каждой точки видимых поверхностей.

Для придания объектам реалистичности поверхность объектов “обтягивается” текстурой - изображением (или процедурой, его формирующей), определяющим нюансы внешнего вида . Процедура называется “наложением текстуры”. Во время наложения текстуры применяются методы растяжения и сглаживания - фильтрация . Например, упоминаемая в описании видеокарт анизотропная фильтрация, не зависящая от направления преобразования текстуры.

После определения всех параметров необходимо выполнить процедуру формирования изображения, т.е. расчет цвета точек на экране. Процедура обсчета называется рендерингом .Во время выполнения такого расчета необходимо определить свет, попадающий на каждую точку модели, с учетом того, что он может отражаться, что поверхность может закрыть другие участки от этого источника и т.п.

Для расчета освещенности применяется два основных метода. Первый - это метод обратной трассировки луча . При этом методе рассчитывается траектория тех лучей, которые в итоге попадают в пиксели экрана - по обратному ходу. Расчет ведется отдельно по каждому из цветовых каналов, поскольку свет разного спектра ведет себя по-разному на разных поверхностях.

Второй метод - метод излучательности - предусматривает расчет интегральной светимости всех участков, попадающих в кадр, и обмен светом между ними.

На полученном изображении учитываются заданные характеристики камеры, т.е. средства просмотра.

Таким образом, в результате большого количества вычислений появляется возможность создавать изображения, трудноотличимые от фотографий. Для уменьшения количества вычислений стараются уменьшить число объектов и там, где это возможно, заменить расчет фотографией; например, при формировании фона изображения.

Твердотельная модель и итоговый результат обсчета модели
(пример с сайта http://www.blender.org )

Анимация и виртуальная реальность

Следующим шагом в развитии технологий трехмерной реалистичной графики стали возможности ее анимации - движения и покадрового изменения сцены. Первоначально с таким объемом расчетов справлялись только суперкомпьютеры, и именно они использовались для создания первых трехмерных анимационных роликов.

Позже были разработаны специально предназначенные для обсчета и формирования изображений аппаратные средства - 3D-акселераторы . Это позволило в упрощенной форме выполнять такое формирование в реальном масштабе времени, что и используется в современных компьютерных играх. Фактически, сейчас даже обычные видеокарты включают в себя такие средства и являются своеобразными мини-компьютерами узкого назначения.

При создании игр, съемках фильмов, разработке тренажеров, в задачах моделирования и проектирования различных объектов у задачи формирования реалистичного изображения появляется еще один существенный аспект - моделирование не просто движения и изменения объектов, а моделирование их поведения, соответствующего физическим принципам окружающего мира.

Такое направление, с учетом применения всевозможных аппаратных средств передачи воздействий внешнего мира и повышения эффекта присутствия, получило название виртуальной реальности .

Для воплощения такой реалистичности создаются специальные методы расчета параметров и преобразования объектов - изменения прозрачности воды от ее движения, расчет поведения и внешнего вида огня, взрывов, столкновения объектов и т.д. Такие расчеты носят достаточно сложный характер, и для их реализации в современных программах предложен целый ряд методов.

Один из них - это обработка и использование шейдеров - процедур, изменяющих освещенность (или точное положение ) в ключевых точках по некоторому алгоритму . Такая обработка позволяет создавать эффекты “светящегося облака”, “взрыва”, повысить реалистичность сложных объектов и т.д.

Появились и стандартизируются интерфейсы работы с “физической” составляющей формирования изображения - что позволяет повысить скорость и точность таких расчетов, а значит, и реалистичность создаваемой модели мира.

Трехмерная графика - одно из самых зрелищных и коммерчески успешных направлений развития информационных технологий, часто ее называют одним из основных стимулов развития аппаратного обеспечения. Средства трехмерной графики активно применяются в архитектуре, машиностроении, в научных работах, при съемке кинофильмов, в компьютерных играх, в обучении.

Примеры программных продуктов

Maya, 3DStudio, Blender

Тема очень привлекательна для учащихся любого возраста и возникает на всех этапах изучения курса информатики. Привлекательность для учащихся объясняется большой творческой составляющей в практической работе, наглядным результатом, а также широкой прикладной направленностью темы. Знания и умения в этой области затребованы практически во всех отраслях деятельности человека.

В основной школе рассматривают два вида графики: растровую и векторную. Обсуждаются вопросы отличия одного вида от другого, как следствие - положительные стороны и недостатки. Сферы применения этих видов графики позволят ввести названия конкретных программных продуктов, позволяющих обрабатывать тот или иной вид графики. Поэтому материалы по темам: растровая графика, цветовые модели, векторная графика - будут востребованы в большей мере в основной школе. В старшей школе эта тема дополняется рассмотрением особенностей научной графики и возможностями трехмерной графики. Поэтому будут актуальны темы: фотореалистичные изображения, моделирование физического мира, сжатие и хранение графических и потоковых данных.

Большую часть времени занимают практические работы подготовки и обработки графических изображений с использованием растровых и векторных графических редакторов. В основной школе это, как правило, Adobe Photoshop, CorelDraw и/или MacromediaFlach. Различие между изучением тех или иных программных пакетов в основной и старшей школе в большей мере проявляется не в содержании, а в формах работы. В основной школе это практическая (лабораторная) работа, в результате которой учащимися осваивается программный продукт. В старшей школе основной формой работы становится индивидуальный практикум или проект, где главной составляющей является содержание поставленной задачи, а используемые для ее решения программные продукты остаются лишь инструментом.

В билетах для основной и старшей школы содержатся вопросы, относящиеся как к теоретическим основам компьютерной графики, так и к практическим навыкам обработки графических изображений. Такие части темы, как подсчет информационного объема графических изображений и особенности кодирования графики, присутствуют в контрольных измерительных материалах единого государственного экзамена.