Что такое 3d-графика и как она устроена / skillbox media

Активное 3D

Эта технология «присутствия» может реализоваться в домашнем телевидением, она достаточно сложна и будет работать только с использованием специальных затворных очков.

Реализуется она путем динамичной смены различных картинок.

Когда очки надеты на зрителя, он в один момент может видеть изображение только одним глазом, затем – только вторым (используются специальные затемнители в очках).

Но за счет того, что картинки и затемнители меняются очень быстро, зритель этого мигания не замечает.

Реализация этого достаточно сложная – нужны не только очки, но и телевизор, поддерживающий такую систему построения изображения.

При этом, важно, чтобы очки точно синхронизировались с телевизором (чаще всего – по блютуз), а если этого не происходит, то качество картинки будет очень низким. Интересной особенностью технологии является то, что мигание и затемнение линз приводит к общему субъективному затемнению картинки в очках, потому изображения в таких фильмах делается немного более ярким

Интересной особенностью технологии является то, что мигание и затемнение линз приводит к общему субъективному затемнению картинки в очках, потому изображения в таких фильмах делается немного более ярким.

Его можно, но не слишком приятно смотреть без очков.

<Рис. 4 Очки с затвором>

История создания трехмерной графики

Инструменты для работы с трехмерной графикой были созданы задолго до появления компьютеров. Ярким примером является стереоскоп, при использовании которого человек наблюдал за двумя одинаковыми картинками, которые были получены с различных мест съемки. В конечном итоге две двухмерные картинки преобразовывались в одну трёхмерную.

Первые фотокамеры, которые могли создавать стереоизображения, были изобретены в начале 20-го столетия. Такие устройства имели два объектива, располагавшихся на расстоянии 6,5 см друг от друга, что равнялось среднему расстоянию между зрачками человека. Именно с момента создания этих камер и стереоскопа и началась история 3D-кинематографа.

Демонстрация трёхмерных видео осуществлялась посредством двух проекторов, между которыми было определенное расстояние. В 1952 году начали использовать стереоскопическую пленку с красной и синей поляризацией.

В 1960-х годах произошел резкий скачок в развитии трехмерной компьютерной графики. Иваном Сазерлендом была изобретена первая в истории программа, с помощью которой можно было создавать основные трёхмерные фигуры. Чуть позже Сахерленд совместно с доктором Дэвидом Эвансом организовал первую кафедру компьютерной графики, открытую в университете Юты. Впоследствии студенты этого учебного заведения очень сильно повлияли на развитие 3D-графики.

Первым человеком, разработавшим 3D-модель на компьютере (1972 год), является Эд Катмул, который по сей день занимает должность технического директора Pixar. Образцом для создания модели была кисть руки самого Катмула. В 1973 году Берри Веслер стал, автором первой 3D-анимации человеческого тела в движении. Через год после этого Фред Парк разработал модель говорящей головы. Этот изобретатель также был студентом кафедры Сазерленда.

ТОП-30 IT-профессий 2022 года с доходом от 200 000 ₽

Команда GeekBrains совместно с международными специалистами по развитию карьеры
подготовили материалы, которые помогут вам начать путь к профессии мечты.

Подборка содержит только самые востребованные и высокооплачиваемые специальности
и направления в IT-сфере. 86% наших учеников с помощью данных материалов определились
с карьерной целью на ближайшее будущее!

Скачивайте и используйте уже сегодня:

Александр Сагун
Исполнительный директор Geekbrains

Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2022

Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда

Подборка 50+ ресурсов об IT-сфере

Только лучшие телеграм-каналы, каналы Youtube, подкасты, форумы и многое другое для того, чтобы узнавать новое про IT

ТОП 50+ сервисов и приложений от Geekbrains

Безопасные и надежные программы для работы в наши дни

Получить подборку бесплатно

pdf 3,7mb
doc 1,7mb

Уже скачали 15320

Такие открытия внесли огромный вклад в развитие анимационных технологий и их использование в сфере кино. Картина под названием «Futureworld», выпущенная в 1975 году, представляет собой один из первых фильмов, в котором была представлена анимация лица человека. В те же годы вышли первые программы для создания трёхмерной графики. Очень быстро развивался так называемый полигональный способ создания трехмерных моделей, а также технологии освещения, текстурирования и рендеринга сцен.

С этого момента 3D-графика начала развиваться с бешеными темпами. Были выпущены специальные программы, а кинофирмы стали нанимать специалистов в данной области, руками которых создавалось великое множество всевозможных эффектов. В начале 80-х годов пользователи ПК могли установить программу «3D Art Graphics», которая давала возможность использовать набор самых разных 3D объектов и эффектов.

Благодаря прогрессу в сфере программно-аппаратного обеспечения после 80-х годов зрители смогли впервые увидеть фильмы с 3D-персонажами и спецэффектами. Отличный пример таких фильмов — «Джуманджи» 1995 года выпуска. На экране вместе с реальными актерами выступали смоделированные трехмерные животные.

Развитие 3D-графики не останавливается до сих пор. На данный момент трехмерные модели стали настолько реалистичны, что их можно с лёгкостью спутать с фотографиями.

Особенности 2D изображения

2D (от англ. Two dimension «два измерения») – это двухмерная графика или двухмерное изображение. Вспомнив стандартную систему координат, знакомую ещё с детства. Она имеет две оси: икс и игрек. На этой основе и построено двухмерное изображение. Это привычные нам картинки, которые мы рисовали на уроках ИЗО.

2d графика делится на:

векторную;
растовую;
фрактальную.

Векторное изображение построено на основе примитивных геометрических фигур: квадрат, линия, треугольник и др. Растовое представляет собой набор пикселей. Фрактальное состоит, соответственно, из фракталов – частиц, имеющих одинаковую структуру. Чтобы легче понять суть фрактальной графики, представьте кристалл.

Все эти подвиды дают нам плоское отображение, а его трёхмерность додумывает наше воображение. 2d широко используется в киноиндустрии.

2д в киноиндустрии

Двухмерная графика в киноиндустрии нашла своё применение для рисования мультфильмов. Изначально все мультипликационные произведения были в таком формате. Это привычные нам рисованные плоские картинки, основанные на примитивных геометрически фигурах, фракталах или пикселях. Немного по-другому обстоят дела с фильмами в формате 2d.

Отснятое кино, априори, не может быть плоским подобно мультфильму. В этом случае стоит сказать о двухмерном изображении в сравнении с 3д. Фильм в формате 2d не имеет эффекта присутствия и столь большой глубины, как 3д. Кадры проецируются с одной частотой, так что наши глаза улавливают обычную картинку. Такую же мы воспринимаем и в повседневной жизни.

Особенности 3D изображения

По аналогии с предыдущим видом графики 3d (от англ. Third dimension «три измерения») – это трёхмерная графика. Если в координатной плоскости к уже имеющимся осям икс и игрек добавить ещё одну, которая будет уходить вглубь, получим трёхмерное изображение (три вектора). Параметры такой картинки имеют ширину, высоту и глубину, за счёт чего она кажется объёмной. 3d графика широко используется в киноиндустрии и создании компьютерных игр.

3D в киноиндустрии

Первая часть использования трёхмерной графики – это рисованные мультфильмы. Они строятся по описанному выше принципу. Объекты такого изображения кажутся нам выпуклыми, а картинка глубокой.

Часто говоря о 3d подразумевают не графику, а способ трансляции. Проще говоря, это то 3д, для которого нам в кинотеатрах выдают специальные очки. В этом случае создаётся эффект присутствия, и 2д картинка кажется нам объёмной. Это достигается благодаря специальному способу трансляции фильма. Благодаря очкам кадры улавливаются с разной частотой для каждого глаза, поэтому мы видим объёмный фильм.

Виртуальная и дополненная реальность

Очевидным продолжением развития технологии объемного изображения стала весьма удачная попытка разработчиков погрузить человека в виртуальную или дополненную реальность. Вероятно, именно эти две технологии продолжат стремительно развиваться и внедряться во все сферы человеческой жизни в ближайшие десятилетия.

Виртуальная реальность уже не удивляет, и стала даже относительно доступной для большинства людей. К примеру, с помощью современных VR шлемов с контроллерами человек может достигнуть максимального погружения, вплоть до потери контакта с окружающей его реальной обстановкой. Что в свою очередь поражает массу развлекательно контента.

А вот дополненная реальность (AR, англ. augmented reality) только набирает темп развития. Технология работает следующим образом. Когда вы видите все тоже, что и в обычной жизни, на реальные объекты проецируются ещё какие-либо дополнительные виртуальные элементы. К примеру, маски в Instagram. В ближайшее время технология обещает взрывной рост и внедрение в массы. Даже Apple приобщилась к этой движухе анонсировав ожидаемую новинку Apple Glass.

По идее, очки должны будут позволить пользователю взаимодействовать с информационным полем, окружающего человека объектов и явлений. К примеру, можно будет проложить маршрут до необходимой точки в городе, передвигаясь к нему по маркерам, отображаемым в реальном времени, на реальных объектах, как бы подсвечивая нужный маршрут. Что из этого получится, покажет время.

https://youtube.com/watch?v=dD0CfuzSQGk

Displair

Этот интерактивный безэкранный дисплей позволяет не только выводить прямо в воздух любое изображение, но и взаимодействовать с ним по средствам технологии мультитач. Название технология получила из двух английских слов, отражающих её суть — «display» и «air», иначе говоря «воздушный дисплей». Кстати, несмотря на английское название технология имеет корни в России. Изображение получается поддерживать с помощью стабилизированного потока воздуха с мельчайшими частицами воды, созданным методом кавитации.

Однако, несмотря на резвый старт и довольно значимые инвестиции привлеченные стартапом, компания имеет не простую историю, которая официально заканчивается в январе 2014 года.

Более детальный обзор технологии можно посмотреть ниже.

Где применяют создание трехмерных моделей

3д моделирование применяется в различных областях. Наиболее популярные – дизайн, индустрия развлечения, кинематограф, реклама. Остановимся на каждой области подробнее.

Индустрия развлечения: компьютерные игры, кинематограф, анимация

Все вымышленные герои и виртуальные пространства созданы при помощи полигональной техники. Чем меньше площадь каждого полигона, тем реальней поверхность. В этом случае говорят о качестве графики – высокая и низкая.

3д моделирование при создании фильмов или игр позволяет значительно снизить стоимость финального продукта. Гораздо проще создать виртуальный мир или массовку, чем создавать реальные декорации и приглашать актеров.

Медицина

3д визуализация развивается в двух направлениях: компьютерная томография и протезирование. Сканирование в 3д формате помогает обнаружить те дефекты тканей, органов, которые не были замечены при проведении других обследований.

Протезирование позволяет создавать идеальный имплант, который подходит по всем параметрам без дополнительных изменений. Кроме этого, такая технология помогает смоделировать слуховой аппарат, протез конечности и даже искусственный сердечный клапан.

Дизайн

Сейчас разрабатывать новые проекты гораздо удобнее. Независимо от направления дизайна каждая деталь может быть представлена в виде объемных изображений.

Дизайн и разработка новых модных коллекций в настоящее время производится в компьютерных программах. Очень удобно продумать форму и крой каждого элемента одежды.

Презентация проекта по ландшафтному или внутреннему дизайну помещения уже не обходится без 3д визуализации. Это удобно и для заказчика, и для дизайнера. Можно посмотреть каждую деталь проекта под разными углами.

Наука и промышленность

В этих направлениях не обходятся без трехмерного моделирования. Любая научная гипотеза или новый механизм обязательно проходят проверку на такой модели.

Уже на этапе построения небольших элементов будут видны все недочеты в проектах или идеях. Их гораздо проще исправить виртуально, наблюдая за изменениями, чем после выпуска новых изделий дорабатывать в сжаты сроки и нести убытки.

Аэрозольный экран

Ну и конечно же, начиная рассказ о современных технологиях, мы не могли упустить шанса начать с проекционных технологий. В частности, речь идет так называемом туманном экране (Fogscreen).

В рамках этой технологии изображение проецируется с помощью проектора, одновременно, на переднюю и заднюю сторону генерируемого тумана. Таким образом, смотрящий может не только видеть объемное и динамическое изображение, но и проходить сквозь него без какого-либо вреда для себя и установки. Туманный экран широко используется в сфере рекламы и маркетинга, а также при организации живых представлений и концертов. С его работой можно ознакомиться в видео чуть ниже.

Ответы на вопросы

Как будет проходить обучение?

Все уроки можно просмотреть в записи в своем личном кабинете. Дополнительно проводится живой вебинар с ответами на текущие вопросы. Тренер оставляет обратную связь по каждому выполненному заданию.

Смогу ли я совмещать обучение с основной работой?

Каждый студент выполняет задания в своем темпе. Для качественного обучения необходимо выделять 2-4 часа в день.

Не могу оплатить всю сумму сразу. Есть ли программа рассрочки?

Каждый студент может приобрести курс в рассрочку. Это позволит спланировать семейный бюджет и немного сэкономить.

Я никогда не занимался 3D-моделированием. Получится ли у меня?

Обучение построено таким образом, что даже новичок в профессии сможет освоить все тонкости работы. Кроме этого, всегда можно получить помощь от кураторов, тренеров.

Сравнительная характеристика технологий

В настоящее время производители техники не пришли к однозначному мнению о том, какая из двух технологий оптимальнее и лучше отвечает потребностям потребителя, потому одинаково активно реализуются устройства обоих типов.

Хотя спрос на пассивное объемное изображение выше за счет более дешевой стоимости оборудования при не слишком сниженном качестве изображения.

В таблице ниже приведены преимущества и недостатки обеих технологий для сравнения.

Таблица 1. Сравнительные характеристики технологий активного и пассивного 3D
Активное	Пассивное
Очки стоят достаточно дорого, как и телевизор с такой технологией	В целом технология получается дешевле, чем при активном построении объемного изображения
Не всегда удобно смотреть телевизор в очках
Может не подходить некоторым людям, страдающим мигренью
Нужно следить за зарядом очков, так как они имеют собственный блок питания	Чаще всего очков много в комплекте, они дешевые, выполняют лишь механическую функцию фильтра
Высокое качество изображения	Чуть более низкое качество изображения
Высокая нагрузка на глаза	Полная безопасность для глаз по мнению специалистов, или нагрузка достаточно низкая
Мигание и смена картинки отнимает, пусть и минимально, время – в динамичных сценах это может быть достаточно сильно заметно	Высокое качество картинки дают только телевизоры, которые стоят достаточно дорого
Даже несмотря на попытки производителей оптимизировать яркость, фильмы все равно будут немного темнее, чем в оригинале	Нельзя смотреть кино на близком расстоянии – минимальное расстояние от экрана до зрителя для построения качественной картинки – 3 м.

Вне зависимости от технологии, важное значение имеет качество цветопередачи – если оно низкое, то оцени качество объемного видео все равно не получится. Также большое значение, особенно при активном построении картинки имеет частота обновления экрана

Также большое значение, особенно при активном построении картинки имеет частота обновления экрана.

Все эти факторы существенно влияют на цену оборудования, часто настолько, что ценовая граница между устройствами с пассивной и активной технологией почти полностью стирается.

Совет. Нужно учесть, что фильм тоже должен быть обработан для воспроизведения в объемном формате. Хотя количество такого контента постепенно растет, в настоящее время его все еще немного. Особенно такого, который выполнен действительно качественно.

<Рис. 6 Пассивное построение>

Голографическая связь и гаптоклон

Ну и завершим нашу подборку, на первый взгляд, фантастической разработкой. Представьте, что Вы общаетесь по скайпу, но при этом видите перед собой человека не на мониторе, а в полный рост, стоящим совсем рядом с Вами. Именно к этому идёт компания Microsoft занимающиеся разработкой новой технологии видеосвязи Room2Room. А также ряд иных компаний, который пытаются реализовать технологию наиболее эффективным способом.

Ещё более футористичной идея голографических звонков кажется на фоне развивающейся технологии гаптоклон. Гаптоклон – проект, ориентированный на создание осязаемых тактильных голограмм. Создатели проектора считают, что со временем смогут создать технологию, благодаря которой Вы сможете, скажем, не только увидеть своего собеседника в полной рост, воспользовавшись голографическим телефоном, но и пожать ему руку! Принцип работы подобной технологии пока остается открытым. Одним из вариантов достижения цели может стать использование вспышек лазера, порождающих небольшие пучки плазмы в необходимых местах. Либо системы излучения ультразвука, с параллельным отслеживанием движения человека, что при взаимодействии с виртуальным предметом позволит высчитать силу давления, так если бы это был реальный объект.

Современный мир не стоит на месте и очень приятно осознавать, что прямо сегодня мы можем наблюдать, как технический и научный прогресс меняют его и наступает будущие. А проекторы и проекционные технологии принимают в этой истории непосредственное участие

«3D рисунок» — право термина на существование

Анаморфозы — так называемые уродливые изображения предметов, нарисованные таким образом, что при рассматривании их с определенного места или с помощью известного оптического приспособления, они кажутся правильными и не искривленными. Т.е. анаморфозы представляют собой целое семейство различных оптических иллюзий, каждое из которых заслуживает отдельного внимания. В этом семействе выделяются и так называемые в современном ненаучном обществе 3D рисунки.

На вопрос места и времени изобретения анаморфоза нет единого мнения. Одни считают, что анаморфоз был изобретен в Китае и позже завезён в Европу, другие – что его родиной является Европа. При этом не исключено, что аналогичные изобретения могли быть придуманы независимо друг от друга в любое время. Самым ранним известным анаморфозом в Европе считается работа Леонардо да Винчи (1452 — 1519) в Атлантическом кодексе (Codex atlanticus), представляющая собой искаженное лицо ребенка, которое воспринимается правильно только с определенной точки зрения. Возможно, именно Леонардо «изобрел» анаморфоз. По своей сущности данное творение является не чем иным, как 3D рисунком. Другим ранним европейским анаморфозом, представляющим собой 3D рисунок, является работа художника Ханса Гольбейна младшего «Посланники», созданная в 1533 году и выставленное в настоящее время в Лондоне. (рисунок 1)

3D рисунок – это новый термин, введенный в оборот в ХХ веке. Первое его упоминание в сети интернет России мы обнаружили в 2008 году «Синонимами термина можно считать 3d street painting, Madonnari , chalk art , 3D drawing (дословно «3D рисунок») , 3D изображения , трехмерные и объемные рисунки .

С нашей точки зрения, «3D рисунок» — это изображение объекта, построенное с применением центрального проецирования, на одной или нескольких плоскостях, которое только с единственной заданной точки зрения кажется неискаженным, что создает оптическую иллюзию трехмерности».

В ходе обсуждения прошлогоднего доклада «3D рисунок как способ построения наглядного изображения» ключевым вопросом стал вопрос об использование самого термина «3D рисунок». Были высказаны различные точки зрения, но вопрос остался открытым. В данной статье мы поделимся мнением по поводу термина и также областью применения 3D рисунков.

Очевидно, данный термин пришел из народа, а не из научного сообщества. Несмотря на то, что подобные изображения имеют научное название «анаморфизм», такой вид рисунка требует уточнение.

С нашей точки зрения термин имеет право на существование, и вот почему. В отличие от традиционных видов построения наглядного изображения, таких как аксонометрические проекции и перспективы за редким исключением, плоскость, на которой, изображен объект, представляет собой некий экран, демонстрирующий совершенно иное пространство, вроде окна в другой мир. Например, человек, работающий в программе 3D max, все происходящее на мониторе прекрасно отделяет от реального пространства, т.к. оно визуально, скажем так, не является частью реального пространства, несмотря на то, что сами объекты в программе являются 3D моделями.

Большее количество 3D рисунков визуально являются частью реального пространства, из-за чего возникает иллюзия присутствия изображенного объекта в пространстве.

Сам по себе термин 3D (англ. 3-dimensional) подразумевает, что некий объект имеет 3 пространственных измерения. Любой рисунок сам по себе – 2D, но если он воспринимается человеком как объемным пространственный объект, то, я думаю, такой рисунок, как минимум, смело можно назвать псевдо 3D рисунком.

Безусловно, нельзя трактовать 3D рисунок буквально, точно так же, как нельзя буквально трактовать такие термины, как 3D-звук, 3D-очки, 3D-фильмы, 3D-модель (компьютерная), да и в целом все термины с использованием «3D», которые не подразумевают фактическую объемность. Но такие допущения имеют место быть для упрощения терминологии, а порой – и понимания явлений, сохраняя при этом и истинное значение термина.

Определение

Как же расшифровывается 3D, что означает данное сокращение? D в данном контексте – это первая буква слова dimensions, которое означает «измерения».

Таким образом, аббревиатура 3D обозначает три измерения, именно этим сочетание может заменяться выражение трехмерная графика, а также объемное изображение.

Изначально данная аббревиатура стала употребляться именно относительно графики.

Такой способ изображения, по мере развития компьютерных технологий, пришел на смену привычному двухмерному построению картинки.

Особенно часто выражение «объемная графика» применяется к компьютерным играм, которые создают для пользователя, в большей или меньшей степени, эффект присутствия, позволяют реалистично обходить объекты, осматривать их с разных сторон.

Также данное выражение имеет широкое распространение, когда речь идет о фильмах и телевизорах. Некоторые фильмы в некоторых кинотеатрах могут быть показаны в системе Некоторые фильмы в некоторых кинотеатрах могут быть показаны в системе 3D, с эффектом присутствия, некоторые телевизоры оснащены такой функцией. Здесь имеет место несколько иная технология, чем в компьютерной графике – обе эти технологии будут подробно рассмотрены ниже.

<Рис. 1 Трехмерное изображение>

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:

На монитор транслируется отрисованная сцена.
Положение объектов на ней немного меняется.
И на экран выводится обновлённое изображение.

Большинство современных мониторов могут выводить 60 картинок (кадров) в секунду (англ. Frames Per Second, FPS), благодаря чему создаётся ощущение плавности.

Сравнение плавности движения в играх при 30 FPS и 60 FPS

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):