Трехмерная графика нашла широкое применение в таких областях, как научные расчеты, инженерное проектирование, компьютерное моделирование физических объектов. В качестве примера рассмотрим наиболее сложный вариант трехмерного моделирования — создание подвижного изображения реального физического тела.
В упрощенном виде для пространственного моделирования объекта требуется:
• спроектировать и создать виртуальный каркас («скелет») объекта, наиболее полно соответствующий его реальной форме;
• спроектировать и создать виртуальные материалы, по физическим свойствам визуализации похожие на реальные;
• присвоить материалы различным частям поверхности объекта (на профессиональном жаргоне — «спроектировать текстуры на объект»);
• настроить физические параметры пространства, в котором будет действовать объект, — задать освещение, гравитацию, свойства атмосферы, свойства взаимодействующих объектов и поверхностей;
• задать траектории движения объектов;
• рассчитать результирующую последовательность кадров;
Как СТАТЬ 3D дженералистом / BLENDER VS другие программы для создания трехмерной графики
• наложить поверхностные эффекта на итоговый анимационный ролик.
Для создания реалистичной модели объекта используют геометрические примитивы (прямоугольник, куб, шар, конус и прочие) и гладкие, так называемые сплайновые поверхности. В последнем случае применяют чаще всего метод бикубических рациональных B-сплайнов на неравномерной сетке (NURBS). Вид поверхности при этом определяется расположенной в пространстве сеткой опорных точек.
Каждой точке присваивается коэффициент, величина которого определяет степень ее влияния на часть поверхности, проходящей вблизи точки. От взаимного расположения точек и величины коэффициентов зависит форма и «гладкость» поверхности в целом. Специальный инструментарий позволяет обрабатывать примитивы, составляющие объект, как единое целое, с учетом их взаимодействия на основе заданной физической модели.
Деформация объекта обеспечивается перемещением контрольных точек, расположенных вблизи. Каждая контрольная точка связана с близлежащими опорными точками, степень ее влияния на них определяется удаленностью. Другой метод называют сеткой деформации. Вокруг объекта или его части размещается трехмерная сетка, перемещение любой точки которой вызывает упругую деформацию как самой сетки, так и окруженного объекта.
Еще одним способом построения объектов из примитивов служит твердотельное моделирование. Объекты представлены твердыми телами, которые при взаимодействии с другими телами различными способами (объединение, вычитание, слияние и другие) претерпевают необходимую трансформацию. Например, вычитание из прямоугольного параллелепипеда шара приведет к образованию в параллелепипеде полукруглой лунки.
После формирования «скелета» объекта необходимо покрыть его поверхность материалами. Все многообразие свойств в компьютерном моделировании сводится к визуализации поверхности, то есть к расчету коэффициента прозрачности поверхности и угла преломления лучей света на границе материала и окружающего пространства. Для построения поверхностей материалов используют пять физических моделей:
Лучшие ПРОГРАММЫ для 3D моделирования и АНИМАЦИИ
• Bouknight — поверхности с диффузным отражением без бликов (например, матовый пластик);
• Phong — поверхности со структурированными микронеровностями (например, металлические);
• Blinn— поверхности со специальным распределением микронеровностей с учетом взаимных перекрытий (например, глянец);
• Whitted—модель, позволяющая дополнительно учитывать поляризацию света
• Hall — модель, позволяющая корректировать направления отражения и параметры преломления света.
Закраска поверхностей осуществляется методами Гуро (Gouraud) или Фонга (Phong). В первом случае цвет примитива рассчитывается лишь в его вершинах, а затем линейно интерполируется по поверхности. Во втором случае строится нормаль к объекту в целом, ее вектор интерполируется по поверхности составляющих примитивов в освещение рассчитывается для каждой точки.
Свет, уходящий с поверхности в конкретной точке в сторону наблюдателя, представляет собой сумму компонентов, умноженных на коэффициент, связанный с материалом и цветом поверхности в данной точке. К таковым компонентам относятся:
• свет, пришедший с обратной стороны поверхности, то есть преломленный свет (Refracted);
• свет, равномерно рассеиваемый поверхностью (Diffuse);
• зеркально отраженный свет (Reflected);
• блики, то есть отраженный свет источников (Specular);
• собственное свечение поверхности (Self Illumination).
Cвойства поверхности описываются в создаваемых массивах текстур (двух- или трехмерных). Таким образом, в массиве содержатся данные о степени прозрачности материала; коэффициенте преломления; коэффициентах смещения компонентов их список указан выше); цвете в каждой точке, цвете блика, его ширине и резкости; цвете рассеянного (фонового) освещения; локальных отклонениях векторов от нормали (то есть, учитывается шероховатость поверхности).
Следующим этапом является наложение «проектирование» текстур на определенные участки каркаса объекта. При этом необходимо учитыватьих взаимное влияние на границах примитивов. Проектирование материалов на объект — задача трудно формализуемая, она сродни художественному процессу и требует от исполнителя хотя бы минимальных творческих способностей.
Из всех параметров пространства, в котором действует создаваемый объект, с точки рения визуализации самым важным является определение источников света. В трехмерной графике принято использовать виртуальные эквиваленты физических источников.
• Аналогом равномерного светового фона служит так называемый растворенный свет (Ambient Light). Он не имеет геометрических параметров и характеризуется только цветом и интенсивностью. Пример в природе — естественная освещенность вне видимости Солнца и Луны.
• Удаленный не точечный источник называют удаленным светом (Distant Light). Ему присваиваются конкретные геометрические параметры (координаты). Аналог в природе—Солнце.
• Точечный источник света (Point Light Source) равномерно испускает свет во всех направлениях и также имеет координаты. Аналог в технике — электрическая лампочка.
• Направленный источник света (Direct Light Source) кроме местоположения характеризуется направлением светового потока, углами раствора полного конуса света и его наиболее яркого пятна. Аналог в технике — прожектор.
После завершения конструирования и визуализации объекта приступают к его «оживлению», то есть заданию параметров движения. Компьютерная анимация базируется на ключевых кадрах. В первом кадре объект выставляется в исходное положение. Через определенный промежуток (например, в восьмом кадре) задается новое положение объекта и так далее до конечного положения.
Промежуточные значения вычисляет программа по специальному алгоритму. При этом происходит не просто линейная аппроксимация, а плавное изменение положения опорных точек объекта в соответствии с заданными условиями.
Эти условия определяются иерархией объектов (то есть законами их взаимодействия между собой), разрешенными плоскостями движения, предельными углами поворотов, величинами ускорений и скоростей. Такой подход называют методом инверсной кинематики движения. Он хорошо работает при моделировании механических устройств.
В случае с имитацией живых объектов используют так называемые скелетные модели. То есть, создается некий каркас, подвижный в точках, характерных для моделируемого объекта. Движения точек просчитываются предыдущим методом.
Затем на каркас накладывается оболочка, состоящая из смоделированных поверхностей, для которых каркас является набором контрольных точек, то есть создается каркасная модель. Каркасная модель визуализируется наложением поверхностных текстур с учетом условий освещения. В ходе перемещения объекта получается весьма правдоподобная имитация движений живых существ.
Наиболее совершенный метод анимации заключается в фиксации реальных движений физического объекта. Например, на человеке закрепляют в контрольных точках яркие источники света и снимают заданное движение на видео- или кинопленку. Затем координаты точек по кадрам переводят с пленки в компьютер и присваивают соответствующим точкам каркасной модели. В результате движения имитируемого объекта практически неотличимы от живого прототипа.
Процесс расчета реалистичных изображений называют рендерингом (визуализацией). Большинство современных программ рендеринга основаны на методе обратной трассировки лучей (Backway Ray Tracing). Его суть заключается в следующем.
1. Из точки наблюдения сцены посылается в пространство виртуальный луч, по траектории которого должно прийти изображение в точку наблюдения.
2. Для определения параметров приходящего луча все объекты сцены проверяются на пересечение с траекторией наблюдения. Если пересечения не происходит, считается, что луч попал в фон сцены и приходящая информация определяется только параметрами фона. Если траектория пересекается с объектом, то в точке соприкосновения рассчитывается свет, уходящий в точку наблюдения в соответствии с параметрами материала.
3. Сначала просчитывается преломленный и отраженный свет, затем проверяется видимость из точки пересечения всех источников света и интенсивность светового потока. Также вычисляются наличие, резкость и ширина бликов от каждого источника света.
4. Полученные в результате итоговые значения цвета и интенсивности обрабатываются с учетом траектории луча и параметров атмосферы, и присваиваются точке объекта как значения визуализации для наблюдателя. Затем процесс повторяется для всех элементов сцены. С целью упрощения расчетов пересечение проверяют не для каждой точки, а для примитива в целом. Иногда вокруг объекта создают простую виртуальную геометрическую фигуру (параллелепипед, шар), расчет пересечений для объекта выполняют только при пересечении траектории наблюдения с фигурой в целом.
Применение сложных математических моделей позволяет имитировать такие физические эффекты, как взрывы, дождь, огонь, дым, туман. Существуют методы расчета процедурных эффектов (Procedural Effects) и взаимодействия систем частиц (Particle System). Однако их применение в полном объеме требует громадных вычислительных ресурсов, и потому в персональных компьютерах обычно используют упрощенные варианты. По завершении рендеринга компьютерную трехмерную анимацию используют либо как самостоятельный продукт, либо в качестве отдельных частей дли кадров готового продукта.
Особую область трехмерного моделирования в режиме реального времени составляют тренажеры технических средств — автомобилей, судов, летательных и космических аппаратов. В них необходимо очень точно реализовывать технические параметры объектов и свойства окружающей физической среды. В более простых вариантах, например при обучении вождению наземных транспортных средств, тренажеры реализуют на персональных компьютерах.
Самые совершенные на сегодняшний день устройства созданы для обучения пилотированию космических кораблей и военных летательных аппаратов. Моделированием и визуализацией объектов в таких тренажерах заняты несколько специализированных графических станций, построенных на мощных RISC-процессорах и скоростных видеоадаптерах с аппаратными ускорителями трехмерной графики. Общее управление системой и просчет сценариев взаимодействия возложены на суперкомпьютер, состоящий из десятков и сотен процессоров. Стоимость таких комплексов выражается девятизначными цифрами, но их применение окупается достаточно быстро, так как обучение на реальных аппаратах в десятки раз дороже.
На персональных компьютерах основную долю рынка программных средства обработки трехмерной графики занимают три пакета.
Программа создания и обработки трехмерной графики 3D Studio Max фирмы Kinetix изначально создавалась для платформы Windows. Этот пакет считается полупрофессиональным. Однако его средств вполне хватает для разработки качественных трехмерных изображений объектов неживой природы.
Отличительными особенностями пакета являются поддержка большого числа аппаратных ускорителей трехмерной графики, мощные световые эффекты, большое число дополнений, созданных сторонними фирмами. Сравнительная нетребовательность к аппаратным ресурсам позволяет работать даже на компьютерах среднего уровня. Вместе с тем по средствам моделирования и анимации пакет 3D Studio Max уступает более развитым программным средствам.
Программа Softimage 3D компании Microsoft изначально создавалась для рабочих станций SGI и лишь сравнительно недавно была конвертирована под операционную систему Windows NT. Программу отличают богатые возможности моделирования, наличие большого числа регулируемых физических и кинематографических параметров. Для рендеринга применяется качественный и достаточно быстрый модуль Mental Ray. Существует множество дополнений, выпущенных «третьими» фирмами, значительно расширяющих функции пакета. Эта программа считается стандартом «де-факто» в мире специализированных графических станций SGI, а на платформе IBM PC выглядит несколько тяжеловато и требует мощных аппаратных ресурсов.
Наиболее революционной с точки зрения интерфейса и возможностей является программа Мaуа, разработанная консорциумом известных компаний (Alias, Wavefront, ТDI). Пакет существует в вариантах для разных операционных систем, в том числе и Windows NT. Он имеет модульное построение и включает следующие блоки.
• Base — содержит ядро программы. Обеспечивает поддержку основных инструментов моделирования, инверсной кинематики, обработки звука, имитации физических твердых тел, захвата движения, рендеринга и основных наборов эффектов.
• Maya F/X-набор дополнительных модулей, поддерживающих эффекты обработки систем частиц и моделирования физики взаимодействия мягких тел.
• Maya Power Modeler — в основном содержит мощные средства полигонального и сплайнового моделирования объектов;
• Maya Аristan — наиболее передовой модуль, позволяющий обрабатывать виртуальные модели методами, характерными для реальной работы скульпторов и художников. Позволяет, к примеру, рисовать по поверхности объекта «кистями», сглаживать поверхности или делать их более шероховатыми «скульптурными резцами»;
• Maya Cloth — предназначен для моделирования одежды;
• Maya Fur — модуль для имитации поверхностей, покрытых шерстью или мехом;
• Maya Live — сценарный модуль, обеспечивающий сопряжение реальных съемок (на «натуре») c компьютерной анимацией.
Инструментарий Maya сведен в четыре группы: Animation (анимация), Modeling (моделирование), Dynamic (физическое моделирование). Rendering (визуализация). Удобный настраиваемый интерфейс выполнен в соответствия с современными требованиями. На сегодняшний день Maya является наиболее передовым из средств создания и обработки трехмерной графики для персональных компьютеров.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник: studopedia.ru
Где применяют трехмерную графику
Понемногу разбираясь, что такое 3d графика, нужно рассмотреть самый важный вопрос. Полученные навыки надо где-то применять, а ещё лучше, чтобы за это хорошо платили. К счастью, сфер применения трехмерной графики постепенно становится все больше, а конкуренция все еще достаточно низкая.
Применение трехмерной графики в разных сферах
Первое направление, где используется 3D-графика, которое обычно приходит в голову — это игровая индустрия. Но работа специалистов по объемным изображениям не ограничивается исключительно созданием персонажей для очередного проекта ААА класса.
Вы также постоянно встречаетесь с 3D при просмотре кино и мультипликации, наблюдая рекламные объявления на мониторах дома, в магазине или на улице. Фокус в том, что на самом деле трехмерная графика имеет гораздо больше сфер применения, чем кажется. Для примера, достаточно остановиться лишь на самых базовых моментах.
Игровая разработка
Наверное, это одна из наиболее интересных сфер, где применяется трехмерная графика. Над каждой игрой трудятся целые команды специалистов. Поэтому независимо от вашей специализации и личных знаний, вы найдете себе применение:
- знаток биомеханики, любящий отрисовывать органику — добро пожаловать в создание игровых персонажей;
- художник с классическим образованием, набивший руку на пейзажах — в каждой игре надо создать красивое окружение, которое будет восхищать и удивлять геймеров;
- физик, разбирающийся в движении различных тел и жидкостей — пора создавать эффекты текущей воды, атмосферы, взрывов и прочего;
- ветеринар, научившись рисовать 3D — незаменимый специалист по отрисовки шерсти, созданию мобов для различных проектов.
Опыт, полученный после пары проектов в геймдеве позволяет смело браться за различные заказы в других областях. Но обычно специалисты не расстаются с этой интересной областью, где есть возможность постоянного карьерного роста и развития навыков.
Благодаря постоянному контакту со специалистами различных областей, работа в геймдеве позволяет лучше понять свои сильные и слабые стороны. Даже полный новичок, лишь прошедший обучение, может найти себе работу, а затем быстро набраться опыта и освоить новые программы, методы работы.
Тимур Наумов, основатель школы цифровых искусств TIMART SCHOOL
Кино и мультфильмы
Все визуальные спецэффекты и многие персонажи современных блокбастеров отрисовываются в 3D. Во многом эта сфера на данный момент напоминает игровую индустрию, за исключением того, что у персонажей гораздо меньше свободы. Зато требование к деталям и визуальному исполнению намного выше.
Мультипликация также входит в список одного из самых популярных и высокооплачиваемых направлений для использования трехмерной графики. Грамотный специалист может сам создавать простые мультфильмы, зная основы анимации и даже стать видеоблоггером. Поклонники стабильности всегда могут пробиться в крупные издания и работать над созданием мировых шедевров. В школе SkillsUpSchool преподают курсы по данному направлению, на которых можно обучиться графическому дизайну с нуля.
В эту область можно включить не только статичные картинки на билбордах или рекламные ролики. Специалисты по продвижению товаров регулярно создают презентации для привлечения клиентов.
Это может быть простая 3D модель техники, книги или шкафа, а иногда и полноценная локация в виртуальной реальности для демонстрации нового жилого комплекса. Любой желающий может по ней пройтись и сразу понять, как все будет выглядеть по завершении строительства.
Дизайн
Еще одна очень интересная сфера применения навыков 3D. Интересный дизайн важен как для новых автомобилей или дамских сумочек. Но также трехмерная визуализация на данный момент широко используется для демонстрации:
- компьютерной и бытовой техники;
- одежды;
- мебели;
- предметов домашнего обихода.
И даже при проведении ремонтных работ клиенту неплохо заранее показать, как будет выглядеть помещение.
Медицина
Специалисты по 3D часто привлекаются для создания современных протезов. Это не только руки или ноги, но и зубы, вставные глаза и не только. Также 3Д-художники помогают медикам создавать программы для современных диагностических аппаратов. Для работы в этой сфере не всегда требуется медицинское образование, но оно приветствуется.
Наука
Навыки работы с трехмерной графики пригодятся научным сотрудникам для создания сложных симуляций процессов, которые трудно или невозможно воспроизвести в лабораторных условиях. Но не думайте, что физика или химия — это единственная область, где пригодится 3D.
Реконструкция археологических раскопок, исторических событий и внешнего вида людей полезны для историков. Создание трехмерной визуализации вымерших видов пригодится биологам. Найти себе применение можно в любой области знаний.
Образование
Компьютеризация и виртуализация — это основной тренд в образовании, особенно после введенных ограничений и необходимости развивать площадки онлайн-образования. Это огромная возможность для специалистов в 3D-моделлировании не только помочь детям обрести новые знания, но и неплохо заработать на государственных проектах.
Промышленность
Современные станки способны практически без участия человека создавать готовые изделия. Однако для их настройки нужны программы и, в частности готовые трехмерные модели. Это одна из немногих областей, где 3D-художник может вживую потрогать свой рисунок и даже воспользоваться им.
Изучив пакет базовых программ и основные методы работы в 3D после курсов, вы можете попробовать свои силы в любой области и рассчитывать на достойный доход. Главное, чтобы занятие было по душе и помогало развиваться, как специалисту.
Похожие записи:
- 24 лучшие программы для дизайна кухни 2023 года (бесплатные и платные)
- Лучшие компьютеры для графического дизайна 2023
- Альтернативы Microsoft Visio
- Инструмент «Уровни» (Levels), основы и принцип работы
Источник: rugraphics.ru
GIMP 2.8.22
8-06-2022, 12:56
3D графика / Визитки, полиграфия / Графические редакторы
17
GIMP — известный, функциональный и бесплатный графический редактор, который по функционалу часто сравнивают с профессиональным графически редактором Photoshop. Программу модно использовать для рисования, дизайна, разработки web-дизайна и в полиграфии. Скачать GIMP вы сможете совершенно бесплатно по ссылке ниже для операционной системы Windows. Также можно использовать данный редактор.
SketchUp Make 17.2.2555
Опубликовал Alex
8-06-2022, 12:56
3D графика / Чертеж, САПР
9
SketchUp Make или Google SketchUp — бесплатная и современная программа, которая позволит вам создавать, просматривать и редактировать 3D модели, это могут быть модели мебели, домов, дизайн интерьера, архитектурные сооружения и т.п. Дополнительно вы сможете использовать встроенные модели и текстуры к своим проектам, которых насчитывается не малое количество. Скачать SketchUp Make вы.
VisiCon 1.3
Опубликовал Alex
8-06-2022, 12:56
3D графика / Чертеж, САПР
11
VisiCon — простой и обладающий не малой популярностью 3D редактор, которая предназначен для проектирования помещений и рассчитан на людей, которые не обладают технической подготовкой. Интерфейс программы достаточно прост и очень часто его сравнивают с популярным редактором SketchUp Make. Возможности редактора: проектирование и перепланировка квартир; подбор организации пространства и.
Астрон Дизайн 3.0.0.26
Опубликовал Alex
8-06-2022, 12:56
3D графика / Чертеж, САПР
18
Астрон Дизайн — простая и доступная каждому программа для 3D моделирование вашего помещения или комнаты и даже целого дома. Вы сможете моделировать собственную комнату, раскрасить стены, потолок и даже пол, установить окна и двери в необходимых местах и конечно же расставить мебель и аксессуары. Скачать Астрон Дизайн бесплатно вы сможете совершенно бесплатно по ссылке ниже для.
Blender 2.78c
Опубликовал Alex
8-06-2022, 12:56
3D графика / Анимация / Графические редакторы
7
Blender — бесплатная и популярная программа, которая предназначена для редактирования и создания трехмерной графики и анимации. Программа Блендер обладает относительно небольшим размером, но обладает всем необходимым функционалом, который может потребоваться для профессионального моделирования. После скачивания Blender вы сможете использовать все инструменты, которые используются в.
3D Фоторобот (3DHead) 1.0
Опубликовал Alex
8-06-2022, 12:56
3D графика / Фото
32
3D Фоторобот (3DHead) — простая в использовании и полезная программа, которая предназначена для портретной идентификации, либо для желающий создать свой фоторобот. Как правило подобную программу используют правоохранительные органы для проведения розыскных мероприятий либо просто для создания фото-портрета человека. После скачивания программы вы сможете заметить коллекцию всех частей.
КОМПАС-3D Viewer 16.1
Опубликовал Alex
8-06-2022, 12:56
3D графика / Просмотр графики / Чертеж, САПР
23
КОМПАС-3D Viewer — маленькая, бесплатная и довольно востребованная программа, которая позволит вам производить просмотр и печать чертежей, документов и шаблонов, которые были созданы в популярной программе для черчения и моделирования КОМПАС-3D или КОМПАС-3D LT. После скачивания КОМПАС-3D Viewer вы сможете просматривать не только документы созданные в КОМПАСЕ, но и в форматах DXF и.
Adobe Shockwave Player 12.2.9.199
Опубликовал Alex
8-06-2022, 12:56
3D графика / Flash графика
1
Adobe (Macromedia) Shockwave Player — бесплатный плеер позволяющий производить проигрывание Flash роликов. Благодаря Adobe Shockwave вы получите возможность полностью прочувствовать интерактивную 3D-графику в интернете. После скачивания и установки Adobe Shockwave вы сможете просматривать практически всю графику и веб-контент, который имеет формат Shockwave. Кроме графики можно.
Sweet Home 3D 5.4
Опубликовал Alex
8-06-2022, 12:56
3D графика / Чертеж, САПР
2
Sweet Home 3D — еще одна бесплатная программа, которая представлена с открытым исходным кодом, а предназначена она для простого и быстрого создания дизайна интерьера, а также для планировки дома или комнаты в 3D. Скачать Sweet Home 3D бесплатно можно по ссылке ниже для Windows на русском языке. Вы сможете создавать целы планы зданий, домов, комнат, а в последующем вы сможете.
Кафель 7.03
Опубликовал Alex3
8-06-2022, 12:56
3D графика / Чертеж, САПР
191
Кафель PROF — полезная программа, которая способна значительно упростить расчет плитки и кафельных покрытий. Вы сможете разработать 3D проект помещения после чего выбрать плитку и ее размер. После создания дизайна вы сможете произвести расчет плитки, клея и даже затирки). Скачать программу Кафель PROF бесплатно вы сможете по ссылке ниже для операционной системы Windows. Также имеется.
Источник: windows-program.com