Кажется, что современные технологии 3D-моделирования умеют абсолютно все: создавать реалистичные картинки, имитировать любые материалы, воспроизводить сложные движения и даже проектировать то, чего не существует в реальной жизни. Все это — достижения последних пятидесяти лет: примерно столько прошло с первых попыток создать элементарную трехмерную графику. Вспоминаем, как это было. Пионером 3D-моделирования можно назвать американского ученого Айвена Сазерленда, который работал в области информатики. Еще будучи аспирантом, он создал программу SketchPad, которая стала прообразом современных программ 3D-моделирования, а также первый шлем виртуальной реальности, который был настолько тяжелым, что его приходилось подвешивать к потолку (поэтому его называли «Дамоклов меч»).
Айвен Сазерленд и его Sketchpad — первая программа 3D-моделирования
Шлем виртуальной реальности, разработанный Айвеном Сазерлендом
У Сазерленда было множество учеников, которые внесли огромный вклад в развитие компьютерной графики. Например, Буй Тонг Фонг создал эмпирическую модель расчета освещения трехмерных объектов, которая так и называется — Phong reflection model. Впоследствии ее усовершенствовал еще один студент Сазерленда — Джим Блинн. Сейчас настройки параметров материалов «по Блинну» можно увидеть в 3Ds Max и других программах моделирования.
Какую программу выбрать для 3D? С чего начать 3D. Какая программа лучше?
Свиток с настройками параметров материалов по Блинну в 3Ds Max
Другие студенты Сазерленда тоже вписали свои имена в историю 3D. Например, Анри Гуро придумал метод затенения полигональных моделей, который позволил имитировать гладкие поверхности, а Эд Катмулл стал одним из основателей легендарной студии Pixar, выпустившей первый полнометражный компьютерный мультфильм «История игрушек». Впрочем, лавры самого первого в истории 3D-мультика принадлежат другому ролику — короткометражке «Приключения Андре и пчелки Уолли», которую создал еще один основатель Pixar Джон Лассетер в 1984 году. А 25 лет спустя, в 2009-м на экраны вышел потрясающе красивый «Аватар», который весьма наглядно продемонстрировал, как сильно продвинулась индустрия 3D за четверть века.
Кадр из мультфильма «Приключения Андрэ и пчелки Уолли», 1984
Кстати, в Советском союзе тоже создавали компьютерные мультфильмы, правда не 3D, а 2D, зато задолго до Pixar — в 1968 году. Речь о мультике «Кошечка», в котором зрители могут увидеть бегущую кошку с усами и длинным хвостом. Все кадры этого видео были смоделированы на компьютере БЭСМ-4 с помощью дифференциальных уравнений, а затем распечатаны и немного доработаны художником (но не везде).
Кадр из мультфильма «Кошечка», 1968 год
Постепенно начали появляться и трехмерные игры. Одну из первых в 1976-м создали программисты NASA, у которых был доступ к мощным компьютерам. Игра называлась Maze War: игрокам нужно было сражаться друг с другом в трехмерном лабиринте, нарисованном ровными прямыми линиями.
Но обычным людям подобные развлечения были недоступны, так как производительные (по тем временам) компьютеры были громоздкими, стоили очень дорого и почти не встречались у частных пользователей — доступ к ним имели только инженеры и программисты. Поэтому массовая двух- и трехмерная графика поначалу развивалась в аркадных автоматах и игровых консолях. Например, в 1980 году в автомате можно было сыграть в 3D-игру Battlezone, созданную известными американскими разработчиками игр Atari. В этой игре нужно было управлять примитивным трехмерным танком и сражаться на поле боя с другими танками.
ТОП 5 ПРОГРАММ ДЛЯ СОЗДАНИЯ 3D МОДЕЛЕЙ
Игра Battlezone с трехмерным танком
Но со временем компьютеры становились более доступными, а значит появлялись и игры для них, в том числе 3D и псевдо-3D — DOOM, Quake, Descent, Wing Commander III. Правда, качество графики тогда оставляло желать лучшего. Поэтому для улучшения игрового опыта были разработаны первые видеокарты, а точнее графические ускорители, которые работали в паре с обычной 2D-видеокартой. Сейчас их параметры выглядят довольно смешно — например, у культовой 3Dfx Voodoo, выпущенной в 1996 году, был графический процессор на 50 МГц и 4 Мб памяти. Но тогда это был прорыв: ускорители заметно улучшали качество картинки, отображали более детализированные текстуры, просчитывали несложный свет.
Half-Life 3D-ускорителем 3Dfx Voodoo (справа) и без него (слева )
Параллельно с играми развивалось и компьютерное 3D-проектирование — как в области развлечений, так и для других задач, например инженерных. Одной из значимых фигур в этой индустрии был Патрик Хэнретти, первопроходец в создании компьютерных систем проектирования САПР. Он создал первую коммерчески успешную программу Аnvil-4000 — именно она стала предшественницей хорошо знакомого нынешним проектировщикам AutoCAD (он появился почти на 10 лет позднее Anvil — в 1982-м). В 1990-м вышел легендарный 3Ds Max, написанный под операционную систему DOS; позже его адаптировали под Windows, а с 2005 он стал частью компании Autodesk.
ANVIL-4000 — самое начало САПР
Одна из самых важных составляющих 3D-графики, благодаря которой индустрия во многом стала такой, какая она есть сейчас — это трассировка лучей. Под ней подразумевается компьютерный просчет взаимодействия света с поверхностями трехмерной сцены: падение, отражение, преломление, рассеивание лучей от одного или нескольких источников света. Чем точнее просчитывается это взаимодействие, тем более реалистичной получается картинка. Методы, используемые при трассировке лучей в 3D, были позаимствованы у физиков-ядерщиков и производителей оптических систем.
Игра «Portal With RTX» без трассировки лучей (вверху) и с трассировкой (внизу)
До недавнего времени трассировка лучей в программах трехмерного моделирования была возможна только при рендеринге — то есть при финальном просчете сцены, превращающем компьютерную модель в готовую картинку. Однако в 2018 году компания NVIDIA совершила прорыв, выпустив видеокарты с архитектурой Turing, оснащенные специальными процессорами для трассировки лучей — ядрами RT.
Они способны рассчитывать перемещение 10 миллиардов лучей в секунду, то есть, фактически, производить трассировку в реальном времени. Но самое интересное, что такие видеокарты получили не только десктопы, но и ноутбуки. Например лэптоп ConceptD 3 Ezel созданный специально для творчества, оснащен видеокартой NVIDIA GeForce RTX 3050 Ti. Это уже второе поколение видеокарт с ядрами RT — на архитектуре Ampere. Такие видеокарты еще больше ускоряют трассировку лучей, как в играх, так и в 3D-моделировании.
Ноутбук ConceptD 3 Ezel с видеокартой GeForce RTX 3050 Ti на архитектуре Ampere с RT-ядрами второго поколения
Очень интересно сравнивать этот ноутбук с первыми компьютерамиами, на которых создавалась 3D графика. Неповоротливые шкафы, занимавшие пол-комнаты, всего за полвека превратились в изящные и компактные устройства, на которых можно создавать любые трехмерные проекты в реальном времени. Впрочем, играть в компьютерные игры на таких ноутбуках тоже классно — как в новые типа Control, так и в обновленные классические, например, Minecraft RTX с трассировкой лучей. А еще ConceptD 3 Ezel официально доступен для покупки в России.
778 0 850 8
Хорошая статья, только ощущение, что на скриншоте к Half-Life и слева тоже задействован ускоритель, потому как не бросаются в глаза квадраты на стенах. Помню, играл без ускорителя, квадраты хорошо заметны были, как и в большинстве игр тех времен. Ну или может это качество картинки так пересжато, что ничего не видно 🙂
Как ненавящево рекламка в конце затесалась)
Ken_Zin Как ненавящево рекламка в конце затесалась)
Ну как-то странно было бы ожидать чего-то другого в посте блога Эйсеров, это как раз нормально, для этого у них и блог. Ну и в целом эйсеры молодцы, техника у них интересная, стараются держать марку, выходить за скучные рамки.
Мятный Дворецкий
Ну как-то странно было бы ожидать чего-то другого в посте блога Эйсеров, это как раз нормально, для этого у них и блог. Ну и в целом эйсеры молодцы, техника у них интересная, стараются держать марку, выходить за скучные рамки.
Тут почти ничего не сказано, тема не раскрыта, мне не понравилось. Наверное, это сейчас модно, упоминать только самое яркое, а детали пропускать. В итоге имеем неполную картину, которая искажает реальную историю. А 3ds Max для DOS я помню, у меня был такой. Я тогда так и не понял, что с ним делать 🙂
Сергей Хозяинов (Gazer)
Тут почти ничего не сказано, тема не раскрыта, мне не понравилось. Наверное, это сейчас модно, упоминать только самое яркое, а детали пропускать. В итоге имеем неполную картину, которая искажает реальную историю. А 3ds Max для DOS я помню, у меня был такой. Я тогда так и не понял, что с ним делать 🙂
И я в 3ds Studio для DOS тоже начинал. Тоже сначала мало чего понимал пока с товарищем в гости к его знакомому в Москве не зашли. Он уже вполне приличные для 90-х анимации делал. Но DOS не по мне был. Потому лицензию 3DS мах 1.2 купил .
Источник: render.ru
История развития трехмерного моделирования
Любой человек, хоть немного работающий за компьютером, так или иначе сталкивается с трехмерной графикой. Многие просто не обращали на это внимания: наличие красивых элементов оформления, 3D-моделей и анимированных сцен давно считается нормой практически во всех коммерческих программных пакетах, приложениях Интернета, презентациях и рекламных роликах. Это неудивительно – ведь мы живем в мире, измеряемом тремя координатами. Нас окружают объемные объекты со свойственными им визуальными особенностями: цветом, прозрачностью, блеском и пр. Закономерно, что создатели компьютерных приложений стараются как можно больше приблизить элементы интерфейса и само изображение на экране к условиям реального мира – так оно и красивее, и привычнее для восприятия.
На сегодня использование трехмерной графики вышло далеко за пределы сферы информационных технологий. Кинематограф, компьютерные игры, машиностроение, архитектура и строительство – это далеко не полный перечень областей, в которых широко применяется 3D-графика. Некоторые отрасли человеческой деятельности (например, дизайн, инженерные расчеты, мультипликация, игры) уже просто невозможно представить без реалистичных 3D-изображений. Кажется, что так было всегда, но качественная графика, доступная широкому кругу пользователей ПК, появилась не так давно.
За кулисами 3D спрятан очень серьезный математический аппарат, реализованный в ядре графической системы и производящий трехмерные изображения. Математические зависимости, описывающие формирование цифровой модели реальных объектов, а также алгоритмы для просчета освещения трехмерных сцен (областей виртуального пространства, содержащих трехмерные объекты и источники света), были разработаны еще в 1960-х годах.
Однако слабые возможности аппаратного обеспечения не позволяли в то время создавать даже совсем несложные 3D-изображения. Первые компьютерные программы, формирующие простые трехмерные модели на основе эскизов, были созданы в 1960-х годах в университете города Юты (США) Иваном Сазерлендом и Дэвидом Эвансом.
Начиная с середины 1970-х годов их последователи Эд Катмулл, Джим Блинн, Би Тюн Фонг (все трое были студентами все той же кафедры компьютерной графики в Юте) продолжили развивать технологии работы с 3D-графикой и анимацией. Сначала мало кто воспринимал всерьез студенческие и аспирантские работы по формированию объемных изображений на экране компьютера. Однако фундаментальные исследования, проведенные в этот период, стали началом развития мощнейшей технологии, которая коренным образом изменила представление о возможностях применения компьютерной графики. До сих пор при визуализации используются материал Blinn, созданный Блинном, специальная модель освещения Phong Shading, основанная на расчете интенсивности света в каждой точке поверхности объекта и разработанная Фонгом, а также многое другое.
Со временем геометрические формы создаваемых на экране моделей усложнялись: наряду с простыми геометрическими примитивами и их комбинациями (куб, сфера, тор, различные тела, описываемые несложными алгебраическими уравнениями) появилась возможность поверхностного моделирования. При этом формируемая модель представляет собой поверхность, которая может состоять из множества полигонов (чаще всего треугольников).
Развитие поверхностного моделирования стало большим шагом вперед и позволило создавать модели практически любой формы, включая модели живых организмов: людей, растений и т. п. Параллельно со сложностью форм 3D-моделей всегда стоял вопрос их реалистичности. Кроме собственно математического описания геометрии модели, которое бы максимально отвечало форме моделируемого и отображаемого объекта, требовалось его хорошее визуальное представление. Вот здесь очень кстати пришлись достижения ученых-физиков, изучающих оптику и различные формы излучения. Результаты их работ, касающиеся преломления, отражения, поглощения световых лучей, были положены в основу различных методов визуализации.
Стабильный рост производительности персональных компьютеров в начале 1990-х годов дал толчок развитию относительно недорогих приложений для трехмерного моделирования. Появление таких программных пакетов сделало 3D доступной для простых пользователей.
При этом само моделирование перестало быть привилегией небольших групп ученых, занимающихся скучными исследованиями, или кинематографистов, имеющих доступ к мощным графическим станциям. Легкость в освоении, относительно небольшие требования к аппаратному обеспечению и поистине удивительные возможности таких систем обеспечили им быстрое распространение и большую популярность. Кроме того, развитие графических библиотек существенно способствовало популяризации программирования 3D-приложений, что еще более ускорило развитие и распространение трехмерной графики. В области дизайна и анимации вместе с производителями таких известных программ, как 3ds Max, Maya, SOFTIMAGE/XSI, LightWave 3D, на рынке появляются компании, занимающиеся разработкой узконаправленных специализированных модулей (плагинов) (Digimation, HABWare и пр.). В инженерном 3D-моделировании у «тяжелых» САПР-пакетов (CATIA, Unigraphics, Pro/ENGINEER) инициативу перехватывают более «легкие» и простые в освоении 3D-пакеты нового поколения: SolidWorks, Solid Edge, Inventor.
Следом за дизайном трехмерная графика незаметно проникла и в инженерное проектирование. Исторически сложилось так, что сфера промышленного проектирования жестко ограничена требованиями стандартов, которые касаются лишь плоского черчения. По этой причине переход на трехмерное моделирование в машиностроительном или архитектурном проектировании не был безболезненным. Однако богатство возможностей по созданию моделей сложных форм, легкость в проектировании и планировке, намного лучшие возможности для выявления ошибок на этапе проектирования и, самое главное, более наглядное представление объекта проектирования сделали свое дело. С середины 1990-х годов трехмерная графика стала широко применяться в инженерии.
Львиную долю среди программных средств для автоматизации инженерного проектирования занимают графические CAD-системы (Computer Aided Design – полуавтоматическое компьютерное проектирование). Они служат для создания трехмерных моделей машиностроительных агрегатов, изделий, зданий и т. п., формирования и оформления комплекта чертежей вместе с полным набором конструкторской документации, необходимой для выпуска изделия или построения объекта.
Помимо лучшего визуального представления (по сравнению с плоским изображением), трехмерные модели очень удобно использовать в инженерных расчетах. Для этого существует другой класс инженерных систем проектирования – CAE-системы (Computer Aided Engineering – автоматизированные инженерные расчеты).
Расчет на прочность, кинематика и динамика, проливаемость пресс-форм, аэродинамические и гидравлические расчеты, имитация краш-тестов и многое другое стало простым и доступным с появлением программ такого класса. Инженер-конструктор получает просто фантастический инструмент: трехмерное представление напряжений в изделии, объемное распределение температур, пространственное моделирование потоков газов, смесей и жидкостей. И все это просто и наглядно – никаких «трехэтажных» формул, плоских графиков, диаграмм или приблизительных вычислений! Кроме того, любая трехмерная модель всегда точнее описывает объект, чем самое подробное двухмерное изображение. Да и формирование набора чертежей по построенной модели отнимет у вас не более двух-трех минут в любой современной CAD-системе.
Системы моделирования
Существует четыре основных системы моделирования: полигональная, сплайновая, кусочная и параметрическая. Во многих программах поддерживаются все четыре вида, поскольку каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Полигональное моделирование — это основной тип моделирования, при котором трехмерные объекты рассматриваются только как группы многоугольников.
Сплайновая технология более замысловата, но она предоставляет возможность работать с объектами независимо от их разрешения. Кусочное моделирование прекрасно подходит для создания органических объектов, а параметрическое — для быстрого и удобного изменения параметров объекта в процессе моделирования. Хотя в каждой отдельной программе реализуются различные подходы, в большинстве случаев поддерживаются две или более системы, что делает программу более многофункциональной.
Полигональное моделирование
Полигональное моделирование (polygonal modeling) — это самая первая разновидность трехмерного моделирования, которая появилась в те времена, когда для определения точек в трехмерном пространстве приходилось вводить вручную с клавиатуры координаты X, Y и Z. Как известно, если три или более точек координат заданы в качестве вершин и соединены ребрами, то они формируют многоугольник (полигон), который может иметь цвет и текстуру. Соединение группы таких полигонов позволяет смоделировать практически любой объект. Недостаток полигонального моделирования состоит в том, что все объекты должны состоять из крошечных плоских поверхностей, а полигоны должны иметь очень малый размер, иначе края объекта будут иметь ограненный вид (рис. 3.1). Это означает, что если для объекта на сцене предполагается увеличение, его необходимо моделировать с большим количеством полигонов (плотностью) даже несмотря на то, что большинство из них будут лишними при удалении от объекта.
Благодаря росту мощности процессоров и графических адаптеров, в графических программах наблюдается переход с полигонов на сплайны, и на данный момент уже существуют программы, абсолютно не поддерживающие полигональное моделирование. Тем не менее, благодаря огромной популярности трехмерных игр реального времени, полигональному моделированию было воздано по заслугам, поэтому многофункциональные средства редактирования полигонов постепенно преобразовываются в инструменты для работы со сплайнами.
Сплайновое моделирование
Пользователи, работавшие с такими программами двухмерного моделирования, как Illustrator или CorelDraw, наверняка знакомы с одним из основных средств, используемых в этих программах — сплайнами. Говоря техническим языком, сплайн (spline) — это, как правило, кривая линия, задаваемая контрольными точками.
Одно из главных преимуществ сплайнового моделирования состоит в том, что оно не зависит от разрешения объекта, то есть теоретически существует возможность приближаться сколь угодно близко к объекту, не опасаясь эффекта ступенчатости. Сплайновое моделирование прекрасно подходит для создания сложных органических форм, таких как лица людей ли модели инопланетных летающих тарелок. Это связано с тем, что при подобном методе построения форм используются сглаженные и естественные кривые, а не ступенчатые и искусственные полигональные формы. Существует несколько видов сплайнов, к самым распространенным из которых относятся В-сплайны, сплайны Безье (Bezier) и NURBS.
Кусочное моделирование
При кусочном моделировании (patch modeling) для задания и изменения формы куска, представляющего собой пространственную решетку из сплайнов или полигонов, применяется сеть контрольных точек. Эти точки управления, также известные как контрольные вершины (control vertices — CV) оказывают на гибкую поверхность куска подобное магнитному влияние, при котором поверхность растягивается в том или ином направлении. Кроме того, куски можно и дальше подразделять на элементы для достижения большего разрешения и «сшивать» друг с другом, тем самым создавая сложные объемные поверхности. Так же, как и сплайновые, кусочные модели используются при создании органических форм.
Источник: infopedia.su
История создания 3D-моделирования и его актуальность
Любой человек, хоть немного работающий за компьютером, так или иначе сталкивается с трехмерной графикой. Многие просто не обращали на это внимания: наличие красивых элементов оформления, 3D-моделей и анимированных сцен давно считается нормой практически во всех коммерческих программных пакетах, приложениях Интернета, презентациях и рекламных роликах. Это неудивительно — ведь мы живем в мире, измеряемом тремя координатами.
На сегодня использование трехмерной графики вышло далеко за пределы сферы Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.. Кинематограф, компьютерные игры, машиностроение, архитектура и строительство — это далеко не полный перечень областей, в которых широко применяется 3D-графика.
За кулисами 3D спрятан очень серьезный математический аппарат, реализованный в ядре графической системы и производящий трехмерные изображения. Математические зависимости, описывающие формирование цифровой модели реальных объектов, а также алгоритмы для просчета освещения трехмерных сцен (областей виртуального пространства, содержащих трехмерные объекты и источники света), были разработаны еще в 1960-х годах.
Однако слабые возможности аппаратного обеспечения не позволяли в то время создавать даже совсем несложные 3D-изображения. Первые компьютерные программы, формирующие простые трехмерные модели на основе эскизов, были созданы в 1960-х годах в университете города Юты (США) Иваном Сазерлендом и Дэвидом Эвансом. Начиная с середины 1970-х годов их последователи Эд Катмулл, Джим Блинн, Би Тюн Фонг (все трое были студентами все той же кафедры компьютерной графики в Юте) продолжили развивать технологии работы с 3D-графикой и анимацией. Сначала мало кто воспринимал всерьез студенческие и аспирантские работы по формированию объемных изображений на экране компьютера. Однако фундаментальные исследования, проведенные в этот период, стали началом развития мощнейшей технологии, которая коренным образом изменила представление о возможностях применения компьютерной графики.
Таким образом, получив свое начало в не таком далеком прошлом, компьютерная графика успела освоить большой и тернистый путь. Все началось с банальных или весьма экзотических мотивов, которые легли в основу и положили важнейшие инструментарии настоящего компьютерной графики, без которой уже немыслима цивилизация. Началось все с проектов некоторых энтузиастов из области науки и применении компьютера при проектировании в целом для бизнеса, медицины, экологии, средств массовой информации, а закончилось проникновением во все сферы деятельности человека, даже в простую бытовую жизнь человека.
Источник: studwood.net