Объясните что такое моделирование текстурирование рендеринг
Перейти к содержимому

Объясните что такое моделирование текстурирование рендеринг

  • автор:

Что такое 3D-графика, для чего она нужна и почему актуальна

Ангелина Аникеева

Научитесь создавать моушн-графику для брендов, рекламы, телевидения, IT-продуктов, кино и видеоигр за 16 месяцев.

  • Трехмерная графика, 3D-моделирование и CGI
  • Эволюция 3D-графики
  • Виды компьютерной графики
  • Основные компоненты 3D-графики
  • Скульптинг как метод работы с компьютерной графикой
  • Этапы создания 3D-изображений

Посмотрите на эти изображения. Перед вами фотографии или компьютерная графика?

Это 3D-графика — работа студентки годовой программы «Моушн-дизайнер».

Разбираемся, где сегодня используется 3D-графика, как она появилась и как создаются 3D-объекты.

Что такое трехмерная графика, 3D-моделирование и CGI

3D-графика — одно из направлений CGI (Computer Generated Imagery), сгенерированных компьютером изображений. К CGI относят любые изображения, созданные компьютером: 2D- и 3D-модели, и моушн-дизайн, и статичные изображения.

Здание, нарисованное в 3D

3D-модели — то, что создали в трех измерениях. Если у 2D-изображения два измерения (длина и высота), то для появления объема нужно добавить третье — глубину.

Наша способность видеть и ощущать мир в трех измерениях называется восприятием глубины. Все предметы, которые окружают нас, — от чашки до смартфона — объемные: с шириной, высотой и длиной. Но если для нас естественно воспринимать пространство, то компьютер надо этому обучить. Поэтому и появилось 3D-моделирование — создание трехмерных объектов с помощью специальных компьютерных программ.

Задача 3D-дизайнера: прорисовать объект, персонажа или пространство, продумать композицию кадра, освещение, цветопередачу так, чтобы создать полноценное объемное изображение.

Если вы создаете такие 3D-модели, то вы 3D-дизайнер, а если приводите их в действие, то 3D-аниматор. Это отдельная область CGI. И 3D-дизайнеры, и 3D-аниматоры могут заниматься созданием игр, брендингом, рекламой, работать с IT-продуктами или в кинематографе.

Профессия «Моушн-дизайнер»

Научитесь создавать трехмерные модели, анимацию и визуальные эффекты для фильмов, видеоигр, рекламных кампаний и цифровых продуктов. Освоите инструменты для работы с 2D и 3D.

Эволюция 3D-графики

Создавать трехмерные изображения и передавать ощущение объемного пространства на плоскости человечество научилось давно. А вот делать это с помощью компьютера учится до сих пор.

Бум персональных компьютеров, появление мощных ноутбуков и широкая доступность интернета дали толчок к развитию и популярности 3D-графики в наши дни. Сравните графику 1994 и 2023 годов.

Основные компоненты 3D-графики

Полигоны

Фигуры, из которых в трехмерной графике строится 3D-изображение, называются полигоны. Они состоят из вершин, граней и ребер:

  1. Вершины — это точки.
  2. Ребра — линии, которые их соединяют.
  3. Грани — плоскости, которые появляются, когда мы соединяем вершины ребрами.

Чтобы построить 3D-картинку, необходимо сложить из полигонов нужную фигуру.

Пример полигонов

При создании предметов в 3D-графике используют полигоны с тремя и четырьмя вершинами. Полигоны с большим количеством углов сложно сглаживать (устранять эффект зубчатости и мерцания), текстурировать (накладывать текстуры на объект) и шейдить (добавлять света, тени и блики).

Полигональная сетка

Посмотрите на этот воздушный шар, он кажется гладким.

Пример 3D-графики

На самом деле он гладкий только для нашего глаза. Для компьютера он состоит из граней, ребер и вершин, то есть из полигонов.

Пример полигональной сетки

Такой этап отрисовки предмета называется полигональной сеткой. На профессиональном сленге — меш.

Изменяя положение полигонов, можно создавать объекты разной формы. Чтобы точно задавать форму модели, в процессе работы используется режим отображения сетки (wire frame). Все объекты до рендеринга «сетчатые».

Чем сложнее объект, тем точнее детализация и больше вершин. Но объекты с большим количеством вершин сложно обрабатывать и сохранять, поэтому часто количество полигонов задано стандартом. Процесс выбора подходящего числа полигонов называется оптимизацией, а сам процесс организации сетки — топология.

Программы

Основные программы, в которых вы можете попробовать сделать трехмерное изображение уже сейчас.

Autodesk 3ds Max — профессиональная программа для создания трехмерной графики, визуализации и анимации. Попробовать можно бесплатно, а для полноценной работы нужно оформить подписку.

Autodesk Maya — включает все современные функции, необходимые при работе с 3D-графикой. Есть бесплатная версия, которая позволяет учиться и делать некоммерческие проекты.

Cinema 4D — универсальная программа. Позволяет моделировать, делать рендеринг, текстурирование и анимацию. Есть бесплатный пробный период.

ZBrush — программа с широким набором инструментов. Наиболее удобна для работы со скульптингом — технологией, позволяющей вылепливать модель.

Скульптинг как метод работы с компьютерной графикой

Если твердые предметы удобно создавать из граней — той технологии, что мы описали выше, — то для рисовки персонажей чаще применяют скульптинг. Это популярная при создании игр и кино технология. Процесс похож на лепку из пластилина: у художника есть изначально заданная форма, которую он вытягивает, сжимает, добавляет или убирает объем, идя от общего к частному.

Изображение, созданное таким образом, более сложно устроено, чем при классическом моделировании, так как имеет большее количество вершин. Чтобы их упростить, существует процесс ретопологии или оптимизации, когда лишние полигоны убирают, и модель из высокополигональной (high poly) становится низкополигональной (low poly).

Пример ретопологии персонажа

Если вы мечтаете работать с персонажами и применять свои навыки в игровой и киноиндустрии, можете попробовать создать своего первого персонажа с помощью одной из этих программ:

  1. Autodesk Mudbox.
  2. ZBrush.
  3. Blender.

Можно использовать и стандартные программы — 3ds Max, Maya, SketchUp, Cinema 4D — но в них удобно работать только с моделями с минимальным количеством полигонов.

Этапы создания 3D-изображения

Моделирование в 3D-графике

Первый этап, на котором создается форма 3D-объекта. Принцип создания моделей из полигонов мы подробно расписали выше. Он устроен чуть более сложно, включает baking (запекание текстур), составление текстурных карт, карт нормалей и другие аспекты. После этапа моделирования ваш предмет будет похож на каркас.

Анимация и композиция

Объекты готовы? Теперь надо продумать их взаимодействие между собой и с пространством.

Пространство, на котором представлены 3D-объекты, называется сценой. Чтобы компьютер показал зрителю, что происходит на этой сцене, ему нужно выбрать точку зрения. Это похоже на процесс съемки камерой.

Компьютер по-разному освещает сцену, анализирует свет, цвет и текстуру каждого полигона и выдает нам видимый объект на плоскости проекции — той области монитора, которую мы с вами видим.

На этом этапе и создается композиция. Если трехмерные изображения должны двигаться, добавляется анимация. Для этого можно использовать техники кадрирования, обратной кинематики, захвата движения и их комбинации.

Пример 3D-графики

Процесс работы целиком выглядит так:

Препродакшн:

  • общение с заказчиком и работа с брифом;
  • определение задачи проекта;
  • создание концепции проекта;
  • сбор референсов и мудборда.

Продакшн:

  • создание моделей и анимации;
  • создание текстур и световых схем.

Постпродакшн:

  • монтаж и работа со звуком, если это 3D-ролик;
  • доработка проекта;
  • финальный рендер.

Отработать все этапы на практике можно на курсе «Моушн-дизайнер».

Курс «Моушн-дизайн и CG. Введение в профессию»

Пять вебинаров от практикующих специалистов, чтобы познакомиться с миром моушн-графики и дизайна. Освойте профессию и работайте из любой точки земного шара.

Резюмируя

Развитие технологий сделало 3D-графику доступной. Сейчас без нее не обходятся промышленность, кино, игры, реклама и маркетинг.

Компьютерная 3D-графика позволяет творить настоящую магию, создавая иллюзии и новые реальности. Поэтому 3D — это не только новая популярная техника работы на компьютере, но и безграничная возможность для творчества.

Если вы только планируете начать, не пугайтесь сложных терминов и обширной области применения. Помните, 3D-графика — один из способов выразить свои идеи и поделиться оригинальным взглядом на мир.

Полезные ресурсы для дальнейшего изучения 3D-графики

BBE: моушн-дизайн и CGI — канал нашей школы, посвященный моушн-дизайну и CG.

Несколько полезных постов:

Как работает рендеринг 3D-игр: обработка вершин

image

В этом посте мы рассмотрим этап работы с вершинами. То есть нам придётся снова достать учебники по математике и вспомнить линейную алгебру, матрицы и тригонометрию. Ура!

Мы выясним, как преобразуются 3D-модели и учитываются источники освещения. Также мы подробно объясним разницу между вершинными и геометрическими шейдерами, и вы узнаете, на каком этапе находится место для тесселяции. Чтобы облегчить понимание, мы используем схемы и примеры кода, демонстрирующие, как в игре выполняются вычисления и обрабатываются значения.

На скриншоте в начале поста показана игра GTA V в каркасном (wireframe) режиме отображения. Сравните её с намного менее сложным каркасным отображением Half-Life 2. Изображения созданы thalixte при помощи ReShade.

Что такое точка?

В мире математики точка — это просто место в геометрическом пространстве. Нет ничего меньше точки, она не имеет размера, поэтому точки можно использовать для точного задания местоположения начала и конца таких объектов, как отрезки прямых, плоскости и объёмы.

Для 3D-графики такая информация критически важна, от неё зависит внешний вид всего, потому что все объекты отображаются как наборы отрезков прямых, плоскостей и т.п. На изображении ниже показан скриншот из игры Bethesda 2015 года Fallout 4:

Возможно, вам будет непросто увидеть, что это всего лишь огромная куча точек и линий, поэтому мы покажем, как та же сцена выглядит в режиме wireframe. В таком режиме движок 3D-рендеринга пропускает текстуры и эффекты, выполняемые на этапе пикселей, и отрисовывает только разноцветные линии, соединяющие точки.

Теперь всё выглядит совершенно иначе, но мы видим, как все линии объединяются, образуя различные объекты, окружения и фон. Некоторые состоят всего лишь из десятков линий, например, камни на переднем плане, другие же содержат столько линий, что выглядят сплошными.

Каждая точка в начале и конце каждой линии обработана выполнением целой кучи вычислений. Некоторые вычисления очень просты и быстры, другие намного сложнее. Обрабатывая точки группами, особенно в виде треугольников, можно добиться значительного роста производительности, поэтому давайте внимательнее приглядимся к ним.

Что же нужно для треугольника?

Название треугольник даёт нам понять, что фигура имеет три внутренних угла; для этого ей нужны три угловых точки и три соединяющих их отрезка. Правильно называть угловую точку вершиной (vertex) (во множественном числе — vertices); каждая вершина задаётся точкой. Так как мы находимся в трёхмерном геометрическом мире, то для точек используется декартова система координат. Обычно координаты записываются в виде трёх значений, например, (1, 8, -3), или обобщённо (x, y, z).

Далее мы можем добавить ещё две вершины, чтобы образовать треугольник:

Учтите, что показанные линии не обязательны — мы можем задать точки и сказать системе, что эти три вершины образуют треугольник. Все данные вершин хранятся в непрерывном блоке памяти, который называется буфером вершин (vertex buffer); информация об образуемой ими фигуре или закодирована непосредственно в программе рендеринга, или хранится в ещё одном блоке памяти, называемом буфером индексов (index buffer).

Если информация закодирована в программе рендеринга, то различные фигуры, которые могут образованы вершинами, называются примитивами. Direct3D предлагает использовать для них список (list), полосы (strips) и «вееры» (fans) в форме точек, линий и треугольников. При правильном использовании полосы треугольников используют вершины более чем для одного треугольника, что позволяет повысить производительность. В показанном ниже примере мы видим, что для создания соединённых вместе двух треугольников нужно всего четыре вершины — если они разделены, то нам понадобится шесть вершин.

Слева направо: список точек, список линий и полоса треугольников

Если нам нужно обрабатывать больший набор вершин, например, в модели игрового NPC, то лучше использовать объект под названием меш (mesh) — ещё один блок памяти, но состоящий из нескольких буферов (вершин, индексов и т.д.) и ресурсов текстур модели. В онлайн-документации Microsoft есть краткое объяснение того, как использовать эти буферы.

Пока давайте сосредоточимся на том, что происходит с этими вершинами в 3D-игре при рендеринге каждого нового кадра. Если вкратце, то с ними выполняется одна из двух операций:

  • Вершина перемещается в новую позицию
  • Меняется цвет вершины

На сцене появляется вектор

Представьте, что у вас на экране есть треугольник и вы нажимаете клавишу, чтобы переместить его влево. Естественно, мы ожидаем, что числа (x, y, z) каждой вершины будут соответствующим образом меняться; так и происходит, однако довольно неожиданно выглядит способ реализации изменений. Вместо простого изменения координат подавляющее большинство систем рендеринга 3D-графики использует особый математический инструмент: мы имеем в виду векторы.

Вектор можно представить как стрелку, направленную в определённую точку пространства и имеющую нужную длину. Вершины обычно задаются при помощи векторов на основе декартовых координат:

Заметьте, что синяя стрелка начинается в одном месте (в данном случае это точка начала координат (origin)) и растягивается до вершины. Для задания вектора мы использовали запись в столбец, но вполне можно применять и запись в строку. Вы могли заметить, что есть ещё одно, четвёртое, значение, обычно называемое w-компонентом. Оно используется для того, чтобы показать, что обозначает вектор: позицию точки (вектор позиции) или общее направление (вектор направления). В случае вектора направления это будет выглядеть следующим образом:

Этот вектор указывает в том же направлении и имеет ту же длину, что и предыдущий вектор позиции, то есть значения (x, y, z) будут такими же; однако w-компонент равен не 1, а нулю. Применение векторов направлений мы объясним позже, а пока запомните тот факт, что все вершины в 3D-сцене будут описываться таким образом. Почему? Потому что в таком формате гораздо проще их перемещать.

Математика, математика, и ещё раз математика

Вспомним, что у нас есть простой треугольник и мы хотим переместить его влево. Каждая вершина описывается вектором позиции, поэтому «математика перемещения» (называемая преобразованиями) должна работать с этими векторами. Появляется новый инструмент: матрицы (matrices) (matrix в единственном числе). Это массив значений, записанный в формате, похожем на электронную таблицу Excel, со строками и столбцами.

Для каждого типа преобразований существует соответствующая матрица, и для преобразования достаточно просто перемножить матрицу преобразования и вектор позиции. Мы не будем вдаваться в подробности того, как и почему это происходит, а просто посмотрим, как это выглядит.

Перемещение вершины в 3D-пространстве называется переносом (translation) и для него требуется следующий расчёт:

Значения x0, и т.д. представляют исходные координаты вектора; значения deltax представляют величину, на которую нужно переместить вершину. Перемножение матрицы и вектора приводит к тому, что они просто суммируются (заметьте, что w-компонент остаётся неизменным, чтобы готовый ответ по-прежнему оставался вектором позиции).

Кроме перемещения нам также может понадобиться поворачивать треугольник или изменять его масштаб — для этих операций тоже существуют преобразования.

Это преобразование поворачивает вершину вокруг оси z в плоскости XY

А это используется, если нужно изменить масштаб фигуры

Мы можем воспользоваться графическим инструментом на основе WebGL с сайта Real-Time Rendering, чтобы визуализировать эти вычисления для всей фигуры. Давайте начнём с прямоугольного параллелепипеда в стандартной позиции:

В этом онлайн-инструменте model point является вектором позиции, world matrix — матрицей преобразования, а world-space point — вектором позиции для преобразованной вершины.

Давайте применим к параллелепипеду различные преобразования:

На показанном выше изображении фигура была перенесена на 5 единиц по каждом из осей. Эти значения можно видеть в последнем столбце средней большой матрицы. Исходный вектор позиции (4, 5, 3, 1) остаётся таким же, как и должен, но преобразованная вершина теперь перенесена в (9, 10, 8, 1).

В это преобразовании всё было отмасштабировано на коэффициент 2: теперь стороны параллелепипеда стали в два раза длинее. Наконец, посмотрим на пример поворота:

Параллелепипед был повёрнут на угол 45°, но в матрице используются синус и косинус этого угла. Проверив на научном калькуляторе, мы можем увидеть, что sin(45°) = 0.7071. что округляется до показанного значения 0.71. Тот же ответ мы получим для значения косинуса.

Матрицы и векторы использовать не обязательно; популярной альтернативой для них, особенно в случае обработки сложных поворотов, является использование комплексных чисел и кватернионов. Эти вычисления сильно отличаются от векторов, поэтому мы не будем их рассматривать, продолжив работать с преобразованиями.

Мощь вершинного шейдера

На этом этапе нам нужно уяснить, что всем этим занимаются люди, программирующие код рендеринга. Если разработчик игр использует сторонний движок (например, Unity или Unreal), то всё это уже сделано за него; но если кто-то делает свой движок с нуля, то ему придётся выполнять все эти вычисления с вершинами.

Но как всё это выглядит с точки зрения кода?

Чтобы понять это, мы воспользуемся примерами с потрясающего веб-сайта Braynzar Soft. Если вы хотите самостоятельно начать работу с 3D-программированием, то это подходящее место для изучения основ, а также более сложных вещей…

Это пример преобразования «всё в одном». Он создаёт соответствующие матрицы преобразования на основании ввода с клавиатуры, а затем применяет их к исходному вектору позиции за одну операцию. Заметьте, что это всегда выполняется в заданном порядке (масштабирование — поворот — перенос), потому что любой другой способ совершенно испортит результат.

Такие блоки кода называются вершинными шейдерами (vertex shaders), их сложность и размер могут варьироваться в огромных масштабах. Показанный выше пример прост, это только вершинный шейдер, не использующий полной программируемой природы шейдеров. Более сложная последовательность шейдеров могла бы преобразовывать объекты в 3D-пространстве, обрабатывать их внешний вид с точки зрения камеры сцены, а затем передавать данные на следующий этапе процесса рендеринга. Рассматривая порядок обработки вершин, мы изучим и другие примеры.

Разумеется, они могут использоваться для гораздо большего, поэтому, играя в 3D-игру, не забывайте, что всё движение, которое вы видите, выполнено графическим процессором, исполняющим команды вершинных шейдеров.

Однако так было не всегда. Если вернуться в середину-конец 1990-х, то графические карты той эпохи не имели возможности самостоятельно обрабатывать вершины и примитивы, всем этим в одиночку занимался центральный процессор.

Одним из первых процессоров, имеющих собственное аппаратное ускорение данного процесса, был Nvidia GeForce, выпущенный в 2000 году, и эту функциональность назвали Hardware Transform and Lighting (сокращённо Hardware TnL). Процессы, которые могло обрабатывать это оборудование, были очень ограниченными с точки зрения команд, но с выходом новых чипов ситуация быстро менялась. Сегодня не существует отдельного оборудования для обработки вершин и одно устройство занимается всем сразу: точками, примитивами, пикселями, текстурами и т.д.

К слову, об освещении (lighting): стоит заметить, что мы видим всё благодаря свету, поэтому давайте посмотрим, как его можно обрабатывать на этапе вершин. Для этого нам нужно воспользоваться тем, о чём мы говорили ранее.

Свет, камера, мотор!

Представьте такую картину: игрок стоит в тёмной комнате, освещённой одним источником света справа. В середине комнаты висит огромный чайник. Возможно, для этого вам понадобится помощь, поэтому давайте воспользуемся веб-сайтом Real-Time Rendering, и увидим, как это будет выглядеть:

Не забывайте, что этот объект является набором соединённых вместе плоских треугольников; то есть плоскость каждого треугольника будет направлена в определённую сторону. Некоторые из них направлены в сторону камеры, некоторые — в другую, некоторые будут искажены. Свет от источника падает на каждую плоскость и отражается от неё под определённым углом.

В зависимости от того, куда отразился свет, могут меняться цвет и яркость плоскости, и чтобы цвет объекта выглядел правильно, всё это нужно вычислить и учесть.

Начнём с того, что нам нужно узнать, куда направлена каждая плоскость, и для этого нам потребуется вектор нормали (normal vector) плоскости. Это ещё одна стрелка, но в отличие от вектора позиции, её размер не важен (на самом деле после вычисления масштаб векторов нормалей всегда уменьшается чтобы они имели длину 1), и она всегда направлена перпендикулярно (под прямым углом) к плоскости.

Нормаль к плоскости каждого треугольника вычисляется определением векторного произведения двух векторов направления (показанных выше p и q), образующих стороны треугольника. На самом деле лучше вычислять их для каждой вершины, а не для треугольника, но поскольку первых всегда больше, чем вторых, быстрее будет вычислять нормали для треугольников.

Получив нормаль к поверхности, можно начать учитывать источник освещения и камеру. В 3D-рендеринге источники освещения могут быть разного типа, но в этой статье мы будем рассматривать только направленные источники, например, прожекторы. Как и плоскость треугольника, прожектор и камера будут указывать в определённом направлении, примерно так:

Вектор источника освещения и вектор нормали можно использовать для вычисления угла, под которым свет падает на поверхность (используя отношение между скалярным произведением векторов и произведением их размеров). Вершины треугольника будут содержать дополнительную информацию о своём цвете и материале. Материал описывает, что происходит со светом, когда он падает на поверхность.

Гладкая металлическая поверхность будет отражать почти весь падающий свет под тем углом, под которым он упал, и едва изменит цвет объекта. Шероховатый матовый материал рассеивает свет менее предсказуемым образом и немного меняет цвет. Чтобы учесть это, нужно добавить вершинам дополнительные значения:

  • Исходный базовый цвет
  • Атрибут материала Ambient — значение, определяющее, сколько «фонового» освещения может поглотить и отразить вершина
  • Атрибут материала Diffuse — ещё одно значение, но на этот раз определяющее «шероховатость» вершины, что, в свою очередь, влияет на величину поглощения и отражения рассеянного света
  • Атрибуты материала Specular — два значения, задающие величину «блеска» вершины

Один направленный источник освещения освещает множество различных материалов из демо Nvidia

Мы опустили многие подробные детали, и на то есть уважительная причина: откройте любой учебник по 3D-рендерингу, и вы увидите, что этому процессу посвящены целые главы. Однако в современных играх основная часть всех вычислений освещения и эффектов материалов выполняется на этапе обработки пикселей, поэтому мы вернёмся к ним в следующей статье.

Пример кода B. Anguelov, показывающий, как в вершинном шейдере можно обрабатывать модель отражения света по Фонгу.

Всё, что мы рассматривали выше, выполняется вершинными шейдерами, и кажется, что для них нет ничего невозможного; к несчастью, это не так. Вершинные шейдеры не могут создавать новых вершин и каждый шейдер должен обрабатывать каждую отдельную вершину. Было бы удобно, если бы можно было использовать код для создания новых треугольников между тех, которые мы уже имеем (для повышения визуального качества), и иметь шейдер, обрабатывающий целый примитив (чтобы ускорить обработку). Ну, в современных графических процессорах мы можем это сделать!

Пожалуйста, сэр, мне хочется ещё (треугольников)

Современные графические чипы чрезвычайно мощны и способны каждую секунду выполнять миллионы матрично-векторных вычислений; они с лёгкостью справляются с огромной кучей вершин за раз. С другой стороны, создание высокодетализированных моделей для рендеринга — это очень долгий процесс, и если модель будет находиться на каком-то расстоянии от сцены, то все эти детали пропадут впустую.

То есть нам нужно каким-то образом приказать процессору разбить большой примитив, например, один плоский треугольник на набор меньших треугольников, расположенных внутри исходного. Такой процесс называется тесселяцией (tesselation) и графические чипы уже научились выполнять его очень хорошо; за годы развития увеличивалась степень контроля, которым обладают программисты над этим процессом.

Чтобы посмотреть на это в действии, мы воспользуемся инструментом бенчмарка Heaven движка Unigine, потому что он позволяет нам применять к используемым в тесте моделям различные величины тесселяции.

Для начала давайте возьмём место в бенчмарке и изучим его без применения тесселяции. Заметьте, что булыжники на земле выглядят очень неестественными — использованная текстура эффективна, но кажется неправильной. Давайте применим к сцене тесселяцию: движок Unigine применяет её только к отдельным частям, но различие будет значительным.

Земля, края зданий и дверь выглядят намного реалистичнее. Мы можем увидеть, как это было достигнуто, запустив процесс заново, но на этот раз с выделением всех примитивов (то есть в режиме wireframe):

Чётко видно, почему земля выглядит так странно — она совершенно плоская! Дверь сливается со стенами, а края здания представляют собой простые параллелепипеды.

В Direct3D примитивы можно разделить на группу из более мелких частей (этот процесс называется подразделением (sub-division)), выполнив трёхэтапный процесс. Сначала программисты пишут шейдер поверхности (hull shader) — по сути, этот код создаёт структуру под названием патч геометрии (geometry patch). Можно воспринимать её как карту, сообщающую процессору, где внутри начального примитива будут появляться новые точки и линии.

Затем блок-тесселятор внутри графического процессора применяет этот патч к примитиву. В конце выполняется доменный шейдер (domain shader), вычисляющий позиции всех новых вершин. Эти данные при необходимости можно передать обратно в буфер вершин, чтобы можно было заново выполнить вычисления освещения, но на этот раз с более качественными результатами.

Как же это выглядит? Давайте запустим каркасную версию тесселированной сцены:

Честно говоря, мы задали довольно высокую степень тесселяции, чтобы объяснение процесса было нагляднее. Как бы ни были хороши современные графические чипы, такое не стоит проделывать в каждой сцене — посмотрите, например, на фонарь рядом с дверью.

В изображениях с отключенным режимом wireframe вы бы с трудом нашли отличия на этом расстоянии, и мы видим, что такой уровень тесселяции добавил столько треугольников, что их сложно отделить друг от друга. Однако при правильном применении эта функция обработки вершин может создавать фантастические визуальные эффекты, особенно при симуляции столкновений мягких тел.

Давайте посмотрим, как это может выглядеть с точки зрения кода Direct3D; для этого мы используем пример с ещё одного замечательного веб-сайта, RasterTek.

Вот простой зелёный треугольник, тесселированный на множество крошечных треугольничков…

Обработка вершин выполняется тремя отдельными шейдерами (см. пример кода): вершинным шейдером, подготавливающим треугольник к тесселяции, шейдером поверхности, генерирующим патч, и доменным шейдером, обрабатывающим новые вершины. Результат достаточно понятен, но пример с движком Unigine демонстрирует и потенциальные преимущества, и опасности повсеместного использования тесселяции.

«Железо» этого не выдержит!

Помните, мы говорили, что вершинные шейдеры всегда обрабатывают каждую отдельную вершину в сцене? Несложно понять, что тесселяция может стать здесь серьёзной проблемой. И существует множество визуальных эффектов, где нужно обрабатывать различные версии одного примитива, но без создания их с самого начала, например, волосы, мех, трава и частицы взрывов.

К счастью, специально для таких вещей существует ещё один шейдер — геометрический шейдер. Это более ограниченная версия вершинного шейдера, но он может быть применён к целому примитиву. В сочетании с тесселяцией он создаёт программистам повышенный контроль над большими группами вершин.

UL Benchmark’s 3DMark Vantage — геометрические шейдеры обрабатывают частицы и флаги

Direct3D, как и все современные графические API, позволяет выполнять с вершинами большое множество вычислений. Готовые данные могут быть или переданы на следующий этап процесса рендеринга (растеризацию), или вернуться в пул памяти для повторной обработки или считывания центральным процессором для других целей. Как сказано в документации Microsoft по Direct3D, это можно реализовать как поток данных:

Этап вывода потока (stream output) необязателен, особенно потому, что он может передавать обратно в цикл рендеринга только целые примитивы (а не отдельные вершины), но он полезен для эффектов, требующих большого количества частиц. Такой же трюк можно провернуть при помощи изменяемого или динамического вершинного буфера, но буферы входящих данных лучше хранить неизменными, потому что при их открытии для изменения снижается производительность.

Обработка вершин — это критически важная часть рендеринга, потому что она определяет, как будет выглядеть сцена с точки зрения камеры. В современных играх для построения миров могут использоваться миллионы треугольников, и каждая из этих вершин каким-то образом преобразуется и освещается.

Треугольники. Их миллионы.

Обработка всех этих вычислений и математики может показаться логистическим кошмаром, но графические процессоры (GPU) и API разрабатываются с учётом всего этого — представьте идеально работающую фабрику, пропускающую через производственный конвейер по одному изделию за раз.

Опытные программисты рендеринга 3D-игр имеют фундаментальные знания в области математики и физики; они используют все возможные трюки и инструменты для оптимизации операций, сжимая этап обработки вершин всего до нескольких миллисекунд. А ведь это только самое начало построения 3D-кадра — следующим идёт этап растеризации, затем чрезвычайно сложная обработка пикселей и текстур, и уже потом изображение попадает на монитор.

  • рендеринг графики
  • rendering pipeline
  • вершинные шейдеры
  • gpu
  • vertex shaders
  • графические процессоры
  • Работа с 3D-графикой
  • Разработка игр
  • Видеокарты

Моделирование текстурирования рендеринг: основы и применение

uchet-jkh.ru

В мире компьютерной графики текстурирование является одним из ключевых элементов, позволяющих создавать реалистичные и выразительные изображения. Оно позволяет наносить на поверхность объекта разнообразные изображения, имитируя такие эффекты, как фактура, цвет, отражение света и т. д.

Процесс текстурирования состоит из нескольких этапов, включающих моделирование, создание текстуры и рендеринг. На этапе моделирования мы создаем геометрическую модель объекта, на которую впоследствии будут нанесены текстуры. Затем следует этап создания текстуры, где мы разрабатываем изображение, которое будет использоваться для нанесения на объект. Наконец, рендеринг объединяет две предыдущие стадии, создавая окончательное изображение, которое будет отображаться на экране.

Основные принципы текстурирования включают выбор правильной текстуры, определение способа наложения текстуры на поверхность, настройку освещения и множество других факторов. Кроме того, существуют различные методы текстурирования, такие как процедурное текстурирование, текстурирование на основе изображений и т. д.

Текстурирование — это не просто нанесение изображений на объекты, это процесс, который позволяет воплотить в жизнь самые невероятные идеи и создать невероятно реалистичные виртуальные миры.

В этой статье мы рассмотрим важность текстурирования в компьютерной графике, основные принципы и методы его реализации, а также примеры использования текстурирования в различных приложениях и индустриях.

Моделирование текстур и его значение

Моделирование текстур – это процесс создания и визуализации поверхностей с имитацией тактильных и визуальных свойств материалов. Оно играет важную роль в компьютерной графике, визуальном искусстве, игровой индустрии, архитектуре и дизайне.

Моделирование текстур позволяет создавать реалистичные изображения, которые могут быть восприняты зрителем так, будто они были сделаны из реальных материалов, таких как дерево, камень, ткань или металл. Текстуры могут добавлять детали и глубину визуальному представлению объектов и окружающей среды.

Главной целью моделирования текстур является создание убедительных и реалистичных изображений. Это достигается с помощью различных техник, таких как шумовые функции, бамп-мэппинг, нормал-мэппинг и др. Моделирование текстур также может включать в себя создание сложных паттернов, повторяющихся изображений и текстурных координат.

Значение моделирования текстур состоит в том, что оно позволяет повысить качество визуального представления объектов и сцен. Оно помогает создавать более реалистичные и привлекательные изображения, что особенно важно в областях, таких как фильмы, видеоигры, архитектура и реклама.

Моделирование текстур также имеет применение в научных исследованиях и виртуальных симуляциях. Оно может служить для визуализации различных материалов и их взаимодействия с окружающей средой. Такие модели могут быть использованы для изучения физических свойств материалов, разработки новых материалов и оптимизации процессов проектирования и производства.

В заключение, моделирование текстур является важным инструментом в области компьютерной графики и дизайна. Оно позволяет создавать убедительные и реалистичные изображения, повышая качество визуального представления объектов и сцен, а также находит применение в научных исследованиях и виртуальных симуляциях.

Различные подходы к моделированию текстур

При моделировании текстур в рендеринге существует несколько основных подходов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим некоторые из них:

  1. Процедурное моделирование – при этом подходе текстуры создаются на основе математических алгоритмов. Простейший пример процедурного моделирования – шум Перлина, который может быть использован для создания реалистичной текстуры мрамора или дерева. Процедурное моделирование позволяет создавать текстуры со сложной структурой и высокой детализацией, однако оно требует больших вычислительных ресурсов и времени.
  2. Фотографическое моделирование – в этом случае текстуры создаются на основе фотографий реальных объектов или материалов. Фотографические текстуры могут быть очень реалистичными и детализированными, так как они имеют реальные данные. Однако фотографическое моделирование имеет свои ограничения, например, оно применимо только для уже существующих материалов и объектов, и не позволяет создавать текстуры с высокой степенью абстракции.
  3. Геометрическое моделирование – этот подход основан на использовании геометрических примитивов и форм для создания текстур. Например, можно использовать поверхности с заданной формой и структурой в качестве основы для текстур. Геометрическое моделирование позволяет создавать текстуры с уникальными формами и структурами, но требует большого количества вычислительных ресурсов и может быть сложным для создания.

Каждый из этих подходов имеет свои особенности и может быть применим в разных ситуациях. Комбинирование нескольких подходов может помочь достичь наилучшего результата при моделировании текстур в рендеринге.

Алгоритмы текстурирования и их роль в рендеринге

Текстурирование является важным аспектом рендеринга компьютерной графики. Оно позволяет создавать реалистичные и детализированные изображения, придающие объектам на экране визуальный контекст и ощущение покрытия определенным материалом.

Для выполнения текстурирования, широко используются различные алгоритмы. Эти алгоритмы определяют, как именно текстура будет применяться к поверхности объекта.

Один из основных алгоритмов текстурирования — это алгоритм UV-координат. В этом алгоритме, каждая точка поверхности объекта соответствует определенной координате в текстуре. Проекции объекта на экране вычисляются на основе этих координат, и затем текстура отображается соответствующим образом.

Еще одним распространенным алгоритмом является алгоритм сопоставления точек. В этом алгоритме, используются некоторые особые точки на поверхности объекта, называемые метками. Эти метки затем сопоставляются с точками в текстуре, чтобы определить, какой участок текстуры должен быть применен к данной точке поверхности.

Часто применяется также алгоритм перекрашивания. Он позволяет изменять цвета пикселей текстуры перед их применением к поверхности объекта. Это позволяет создавать эффекты старения, истирания и других изменений текстур.

Роль алгоритмов текстурирования в рендеринге состоит в создании визуального реализма и детализации изображений. Они позволяют добавить на объекты на экране детали, которые не были бы возможны без использования текстур.

Текстуры могут быть использованы для создания различных эффектов, таких как текстуры деревьев, камней, стен, травы и многих других материалов, которые встречаются в реальном мире. Благодаря текстурированию, объекты на экране выглядят более реалистичными и приятными для восприятия пользователем.

Как видно из вышеуказанного, алгоритмы текстурирования играют важную роль в создании визуально привлекательных и реалистичных изображений в компьютерной графике. Они позволяют разработчикам и художникам создавать более интересные и эмоциональные визуальные впечатления, делая процесс рендеринга более эффективным.

Методы создания и использования текстурных карт

Текстурные карты являются важным инструментом в процессе создания реалистичных 3D-моделей и реализации текстурирования в рендеринге. Существует несколько методов создания и использования текстурных карт, которые позволяют добавить детализацию, цветность и реалистичность объектам.

Приближенное текстурирование

Одним из методов создания текстурных карт является использование приближенного текстурирования. Этот метод основан на создании изображений, которые могут быть применены к поверхности объектов. При текстурировании с использованием приближенного метода моделируется их внешний вид, включая цвет, текстуру и освещение.

Шумы и процедурная генерация текстур

Для создания разнообразных и уникальных текстур можно использовать шумы и процедурную генерацию. Шумы представляют собой случайно распределенные значения, которые могут быть использованы для создания естественных или абстрактных текстур. Процедурная генерация позволяет создавать текстуры на основе математических алгоритмов, что позволяет создавать сложные и реалистичные текстуры.

Фотографические текстуры

Еще одним способом создания текстурных карт является использование фотографических текстур. Данный метод основывается на использовании реальных фотографий, которые могут быть применены к объектам. Это позволяет создать очень реалистичные текстуры с высокой степенью детализации.

Повторяющиеся текстуры

Повторяющиеся текстуры – это текстуры, которые могут быть повторены бесконечное количество раз на различных поверхностях без заметных переходов или деформаций. Для создания таких текстур можно использовать техники клонирования или редактирования существующих текстурных карт.

Смешивание текстурных карт

Смешивание текстурных карт – это метод, который позволяет создавать новые текстуры путем комбинирования нескольких уже существующих текстурных карт. Этот метод позволяет получить сложные и уникальные эффекты, такие как переходы, наложения, расширение цветовой палитры и т. д.

Использование текстурных карт в рендеринге

Текстурные карты могут быть использованы в процессе рендеринга для придания реалистичности и детализации объектов. Они могут быть применены к различным поверхностям, таким как стены, полы, объекты, при использовании различных методов текстурирования, таких как UV-развёртка или процедурное текстурирование.

Заключение

Текстурные карты играют важную роль в моделировании, текстурировании и рендеринге 3D-объектов. Различные методы создания и использования текстурных карт позволяют создать разнообразные и реалистичные текстуры, которые придают объектам жизнь и привлекательность.

Принципы выбора и создания подходящих текстур

Выбор и создание подходящих текстур является важным этапом процесса текстурирования в компьютерной графике и 3D-моделировании. Правильно выбранные текстуры могут значительно повысить реализм и качество визуализации.

1. Учитывайте цель и задачу моделирования.

Перед выбором или созданием текстуры необходимо понять, какую цель вы преследуете и какая задача стоит перед вами. Например, если вы моделируете природу, то вам может потребоваться текстура, имитирующая траву или листву деревьев. Если вы моделируете интерьер, то текстуры могут включать в себя обои, текстиль или деревянные поверхности.

2. Используйте высококачественные и подходящие источники текстур.

Выбирайте текстуры высокого качества, с хорошим разрешением и детализацией. Существует множество онлайн-библиотек, где вы можете найти готовые текстуры, а также программы для создания своих собственных текстур.

3. Учитывайте масштаб и пропорции объекта.

Текстура должна соответствовать масштабу и пропорциям объекта, которому она будет применена. Если текстура слишком мелкая или слишком большая, она может выглядеть искаженной или неестественной.

4. Учитывайте освещение и тени.

Текстуры могут играть важную роль в создании освещения и теней на объекте. При выборе или создании текстуры учтите, как она будет взаимодействовать с источниками света и создавать эффекты теней.

5. Создавайте уникальные и оригинальные текстуры.

Хотя готовые текстуры удобны, иногда может потребоваться создать собственную уникальную текстуру, чтобы добавить особенности и характер вашей модели. Используйте программы для создания текстур для создания собственных уникальных материалов.

6. Используйте слои и маски для контроля и вариативности текстуры.

Используйте слои и маски для контроля и изменения различных аспектов текстуры, таких как цвет, отражение, блики и т.д. Это поможет вам добавить вариативности и реализма в вашей модели.

В заключение, выбор и создание подходящих текстур требуют внимания к деталям, искусства и опыта. Большую роль играет практика и эксперименты с различными текстурами для достижения наилучшего результата визуализации.

Инструменты для моделирования текстур

Моделирование текстур – это процесс создания реалистичных поверхностей для объектов в компьютерной графике. Для достижения эффектов текстурирования используются различные инструменты и программы, разработанные специально для этой цели.

Ниже представлены некоторые из наиболее распространенных инструментов для моделирования текстур:

1. Фотографии

Одним из самых простых и эффективных способов создания текстур является использование реальных фотографий. С помощью камеры или скачанных изображений вы можете захватить или найти множество различных поверхностей. Затем используйте фотографию как основу для создания текстуры в программе моделирования.

2. Генераторы шума

Генераторы шума – это програмное обеспечение, которое создает текстуры, основываясь на определенных математических алгоритмах. Они могут воспроизводить различные виды шума, такие как перлиновый шум, фрактальный шум или шум Вороного. Генераторы шума позволяют создавать сложные и интересные текстуры с множеством деталей.

3. Графические редакторы

Графические редакторы, такие как Adobe Photoshop или GIMP, предоставляют широкий спектр инструментов и функций для создания и редактирования текстур. Они позволяют работать с изображениями, добавлять слои, применять различные фильтры и эффекты, что делает их полезными инструментами для моделирования текстур.

4. Текстурные редакторы

Существуют специализированные текстурные редакторы, такие как Substance Designer или Mari, которые предназначены специально для создания и редактирования текстур. Они обеспечивают более продвинутый и управляемый подход к моделированию текстур, предлагая различные инструменты для работы с материалами и слоями.

5. Утилиты для сканирования

Для создания реалистичных текстур можно использовать специальные утилиты для сканирования. Они позволяют создавать текстуры, основываясь на реальных объектах или поверхностях. Например, 3D-сканеры позволяют захватывать геометрию и текстуры объектов в реальном времени.

6. Программы для моделирования

Некоторые программы для моделирования, такие как Blender или 3ds Max, также предоставляют инструменты для создания и редактирования текстур. Они обеспечивают возможность создавать и применять сложные материалы, добавлять текстуры с помощью расширенных инструментов текстурирования и маппинга.

Это лишь небольшой перечень инструментов для моделирования текстур, доступных для художников или дизайнеров. Выбор конкретных инструментов зависит от ваших предпочтений, потребностей и уровня опыта.

Практическое применение моделирования текстур в рендеринге

Моделирование текстур – это процесс создания визуальных эффектов, которые придают объектам на изображении или виртуальной среде различные характеристики поверхности, такие как цвет, шероховатость, рельеф и т.д. Эти эффекты могут быть созданы с помощью специальных алгоритмов и методов, используемых в программных пакетах для 3D-моделирования и рендеринга.

Практическое применение моделирования текстур в рендеринге имеет широкий спектр применений в различных областях:

  • Компьютерные игры: моделирование текстур позволяет создавать реалистичные окружения, поверхности объектов и персонажей, что способствует улучшению иммерсии игрового процесса и повышает качество графики.
  • Киноиндустрия: создание текстур помогает визуальным эффектам выглядеть более реалистично и естественно. Например, текстуры позволяют создать различные виды поверхностей, такие как металл, кожа, дерево и прочие.
  • Архитектура и дизайн: моделирование текстур используется для создания визуализаций архитектурных проектов и интерьеров. Это позволяет программам для дизайна и архитектуры представлять свои идеи клиентам в более реалистическом виде.

Процесс моделирования текстур включает в себя создание или использование существующих изображений, называемых текстурами, которые накладываются на поверхность объекта. Текстуры могут быть созданы вручную или получены из фотографий с помощью специальных программ и приложений.

Важно понимать, что моделирование текстур – это искусство, которое требует креативности и мастерства. Компетентные профессионалы, имеющие опыт в данной области, способны создавать впечатляющие визуальные эффекты и оживлять объекты на экране.

Примеры моделирования текстур

Как видно из примеров выше, моделирование текстур имеет огромный потенциал и значимость в различных областях. Это не только придаёт реалистичность изображению, но и помогает передать нужные эмоциональные и эстетические характеристики объектов и сред.

Вопрос-ответ

Можете объяснить, что такое текстурирование в компьютерной графике?

Текстурирование в компьютерной графике — это процесс применения изображения, называемого текстурой, на поверхность модели. Это позволяет добавить детализацию и визуальное ощущение реальности к 3D-моделям. Текстуры могут содержать цвета, тени, освещение и другие визуальные эффекты, которые имитируют реальные материалы или создают абстрактные визуальные стили.

Какие методы используются для создания текстур в компьютерной графике?

Для создания текстур в компьютерной графике используются различные методы. Некоторые из них включают рисование текстур вручную с использованием графического редактора, фотографирование реальных объектов, использование процедурного текстурирования (алгоритмическое создание текстуры) и использование специализированных программных инструментов и библиотек. Каждый метод имеет свои преимущества и подходит для разных ситуаций и задач.

Какие принципы следует учитывать при текстурировании и рендеринге моделей?

При текстурировании и рендеринге моделей следует учитывать несколько принципов. Во-первых, необходимо выбрать подходящую текстуру, которая соответствует задуманному стилю и виду объекта. Во-вторых, важно правильно настроить координаты текстуры, чтобы она корректно накладывалась на модель. Также необходимо учитывать освещение и тени при рендеринге модели с текстурой, чтобы создать визуальный реализм. И, наконец, правильное мапирование текстурных координат и оптимизация процесса рендеринга способствуют достижению высокого качества видеовизуализации.

3D-моделирование: виды, принципы, инструменты

3D-моделирование чаще всего ассоциируется с компьютерными играми или киноиндустрией, однако это направление востребовано и в других сферах деятельности. Специалисты по 3D должны уметь создавать любой объект, будь то герой игры или деталь на производстве.

В связи с этим можно решить, что вход в профессию открыт только для профессиональных художников с высшим образованием и опытом. Однако это не совсем так, и стать 3D-моделистом может почти каждый. В нашей статье мы расскажем, где востребовано 3D-моделирование, по каким правилам в нем создают объекты и что нужно, чтобы освоить данное направление.

Что такое 3D-моделирование

3D-моделирование – это построение модели объекта в трехмерном пространстве. Данный способ представления объектов начал применяться в 1960-х годах, когда этим занимались специалисты компьютерной инженерии. Современные технологии 3D-моделирования позволяют конструировать сложные и объемные модели, проводить тестирование и вносить в них изменения на различных уровнях.

Хотя программное обеспечение для 3D-моделирования основано на сложных математических расчетах, все вычисления проводятся автоматически с предоставлением удобного пользовательского интерфейса. Создание трехмерной модели довольно затруднительно и представляет собой своего рода искусство. Для достижения реалистичности необходимо разбираться в особенностях моделирования и правильно проводить расчеты в течение всего процесса моделирования.

Обработка самого файла осуществляется специальной программой, которая называется слайсером и разделяет объект на несколько двухмерных слоев, после чего он преобразуется в особый код.

Преимущества 3D-моделирования

Главный минус двухмерной графики в том, что наброски и чертежи не могут дать полного представления о том, как будет выглядеть объект в реальности. Как следствие, чертежи обычно дополняют макетом, показывающим внешний вид будущего проекта. Таким образом, при наличии ошибок в вычислениях приходится вносить изменения в уже готовый объект, что сильно усложняет процесс осуществления замысла.

Системы 3D-моделирования позволяют получить модель объекта еще до изготовления пробных образцов и, следовательно, разглядеть слабые стороны проекта и определить его соответствие первоначальной задумке.

Еще одним, но также довольно существенным плюсом 3D-моделирования является крайняя степень убедительности и наглядности трехмерных картинок и видео. Если следовать утверждению, что лучше один раз увидеть, чем тысячу раз услышать, то презентация в 3D длительностью 30 секунд дает тот же результат, что и двухчасовое выступление.

Чтобы получить представление о внешнем виде будущего здания на основе одних лишь зарисовок, нужно иметь хорошее воображение. Намного большего эффекта можно достичь благодаря технологиям трехмерной графики, которые позволяют увидеть итоговый результат проекта еще на стадии разработки.

Узнай, какие ИТ — профессии
входят в ТОП-30 с доходом
от 210 000 ₽/мес
Павел Симонов
Исполнительный директор Geekbrains

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:

Павел Симонов - исполнительный директор Geekbrains

Павел Симонов
Исполнительный директор Geekbrains

Топ-30 самых востребованных и высокооплачиваемых профессий 2023

Поможет разобраться в актуальной ситуации на рынке труда

Подборка 50+ бесплатных нейросетей для упрощения работы и увеличения заработка

Только проверенные нейросети с доступом из России и свободным использованием

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

Список проверенных ресурсов реальных вакансий с доходом от 210 000 ₽

Получить подборку бесплатно
Уже скачали 27956

Трехмерная графика используется практически во всех сферах деятельности, начиная с разработки логотипа и заканчивая масштабными проектами на уровне строительства жилого комплекса или района.

Сферы применения 3D-моделирования

Кинематограф, компьютерные игры и анимация

Создание виртуальных миров и вымышленных персонажей стало возможным благодаря особой технике использования полигонов. Они представляют собой простые геометрические фигуры с тремя или четырьмя гранями, образующие путем соединения под разными гулами один объект.

Чтобы заставить его двигаться, следует проводить с ними различные манипуляции – растягивание, перемещение, вращение. Так как они вместе представляют единое целое, это напоминает натяжение паутины – деформация одного элемента приводит к изменениям в остальных.

Чем меньшую площадь занимает каждый отдельный сегмент, тем их больше в совокупности, а значит, больше четкость изображения. Здесь используется такое понятие как качество графики – в различных играх ее можно регулировать. Это имеет смысл тогда, когда компьютер не обладает достаточными ресурсами для быстрого отображения всех фрагментов.

Нельзя утверждать, что использование моделей с большим количеством полигонов всегда является преимуществом. Если анимационный персонаж относится к второстепенным или мало выделяется на фоне других, его бывает достаточно изобразить в общих чертах. Главный герой обычно изображается более детально. Окончательный вариант получается путем наложения текстур на графические фигуры.

Визуализация в медицине

Существует две основные области ее применения:

  • точечная или комплексная томография;
  • конструирование и создание протезов.

Благодаря 3D-сканированию сейчас удается обнаружить повреждения органов и тканей, которые невидимы для обычного рентгеновского аппарата. Подобные технологии дают возможность установить точный диагноз тогда, когда это не получалось сделать при предыдущих обследованиях. Они находят широкое применение в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. В дополнение к виртуальным макетам при внедрении новых технологий многие учреждения здравоохранения приобретают также специальные 3D-принтеры.

Используя наглядное представление результата томографии, можно создать имплант, такой как зуб, который будет полностью соответствовать размерам пациента. На более продвинутом уровне можно осуществить моделирование протеза, слухового аппарата и т.д., вплоть до сердечного клапана. Новой и постоянно совершенствуемой технологией становится биопечать, когда краска заменяется живыми клетками человека.

В любом случае начальный этап проектирования ведется с применением компьютерных программ. Здесь, как и при создании анимированных персонажей, в процессе моделирования используются полигоны. По степени искривления можно судить о дефектах тканей. Воздействуя на сегменты, можно получить трехмерное изображение подходящего импланта, а приводя их в движение, можно смоделировать поведение протеза конечности.

Методы промышленного проектирования

Основная потребность в этом возникает у специалистов из технических областей – инженеров, электриков, строителей и т.д. Они работают с твердотельными или полыми объектами, характеристики которых имеют строго определенное значение.

Для вас подарок! В свободном доступе до 05.05 —>
Скачайте ТОП-10 нейросетей, которые помогут облегчить
вашу работу
Чтобы получить подарок, заполните информацию в открывшемся окне

Соответственно, для этой группы пользователей важно в первую очередь не изобразить модель, а тщательно все рассчитать с применением формул, разработать чертежи и осуществлять контроль в ходе всего проектирования. Другими словами, их основная цель – не визуальное представление объекта, а получение конкретных сведений о нем.

Чтобы работать в Системах Автоматизированного Проектирования (САПР), необходимо специальное образование. Достижение результата здесь связано не только с представлением образа, но и со знанием множества деталей, таких как материал для изготовления изделия, сфера его применения.

Поэтому необходимое программное обеспечение с широким функционалом и большим набором инструментов компании приобретают с расчетом на весь отдел. Также оно используется для обучения в технических и архитектурных вузах, чтобы выработать у студентов навыки конструирования в комфортной среде.

Дарим скидку от 60%
на обучение «Моушн-дизайнер» до 05 мая
Уже через 9 месяцев сможете устроиться на работу с доходом от 150 000 рублей

Работа в САПР ведется с электронно-геометрической моделью. Представление об этом понятии 3D-моделирования можно получить из списка действий, которые с ней можно произвести:

  • Нарисовать чертежи любого сечения, в любом изображении под нужным углом. Благодаря этому множество графиков заменяются одним макетом. Поэтому один файл с использованием разных слоев может одновременно редактироваться разными сотрудниками и даже подразделениями.
  • Скорректировать параметры всего изделия, изменив значение одной конкретной величины.
  • Определить значение любого показателя, как в текущий момент, так и в прогнозируемом варианте.
  • Осуществить программное управление станком или другим оборудованием с ЧПУ.
  • Создать объемную модель для презентации с использованием 3D-принтера.
  • Визуализировать макет путем рендеринга, то есть наложения текстур для представления окончательного внешнего вида.

2 принципа 3D-моделирования

Создание трехмерных моделей основано на двух основных принципах:

  • Наглядность.
  • Информативность.

Наглядность – это свойство изображения, состоящее в правильном и четком представлении о моделируемом объекте. Наглядность достигается путем внешнего оформления трехмерной модели, которое включает в себя цвета, обозначения, форму и размер элементов, текстуру, то есть наглядность предполагает возможность восприятия зрителем форм, размеров и содержания трехмерной модели.

Чем детальнее модель, тем больше она включает элементов с большими подробностями. При этом наглядность изображения повышается путем оптимизации данных, то есть скрытия объектов, являющихся несущественными.

Информативность – это свойство трехмерных изображений, зависящее, в первую очередь, от количества содержащихся в них различных пространственных характеристик. Наибольшая информативность трехмерного изображения достигается при всестороннем представлении внешнего вида, положения в пространстве, размеров и форм всех значимых элементов модели.

Чтобы оценить выбранный вариант достижения поставленных целей, следует получить сведения не только о плановом положении и высоте объектов, но и о достоверности этих данных. Одним из самых надежных источников для исходного материала является аэросъемка, благодаря которой можно создать высокоточную трехмерную модель с возможностью проведения измерений.

Виды 3D-моделирования

Различают два главных вида 3D-моделирования: полигональное и параметрическое.

Полигональное 3D-моделирование

Полигональное моделирование заключается в построении трехмерной фигуры на основе плоской поверхности, которая размечается сеткой. Сетка состоит из линий, называемых ребрами, которые пересекаются в точках, называемых вершинами. Ребра делят поверхность на отдельные полигоны.

На программном уровне осуществляются действия с ребрами и вершинами до тех пор, пока объект не примет нужную форму, при этом происходит смещение полигонов относительно друг друга под различными углами. Число полигонов может достигать огромных значений. По мере его увеличения сетка все сильнее напоминает контуры создаваемого объекта, и он все более становится таким, как задумывалось.

Это аналогично тому, как правильный многоугольник при увеличении числа ребер принимает форму круга.

Также в качестве полигонов могут выступать отдельные двухмерные фигуры, называемые сплайнами. Они могут выглядеть как простые фигуры, отдельные фигуры и линии, так и составные. Вместе они соединяются в одну трехмерную фигуру. Такой способ моделирования уместен, если автор хочет, чтобы зритель увидел элементы, образующие 3D-фигуру.

Параметрическое 3D-моделирование

В ходе параметрического моделирования вначале создается эскиз, с которым впоследствии происходят изменения. В основе лежит математическая модель с подходящими параметрами, меняя значения которых, можно создать множество фигур. С помощью изменения параметров можно добиться необходимого вида модели.

Параметрическое моделирование появилось раньше полигонального как совершенствование стандартной инженерной графики, способствует лучшему пониманию чертежей и зрительному восприятию разрабатываемых объектов.

Поскольку оба вида моделирования предполагают разные способы создания 3D-моделей, то и применяются они в разных сферах. Полигональное моделирование встречается чаще всего и используется в таких областях как:

  • наука;
  • архитектура;
  • компьютерные игры;
  • дополненная и виртуальная реальности;
  • 3D-печать;
  • графические элементы для веб-интерфейса (смайлы, кнопки);
  • спецэффекты в фильмах;
  • скульптинг (статуи, скульптуры).

Только до 6.05
Скачай подборку материалов, чтобы гарантированно найти работу в IT за 14 дней
Список документов:

ТОП-100 площадок для поиска работы от GeekBrains

20 профессий 2023 года, с доходом от 150 000 рублей

Чек-лист «Как успешно пройти собеседование»

Чтобы зарегистрироваться на бесплатный интенсив и получить в подарок подборку файлов от GeekBrains, заполните информацию в открывшемся окне

Параметрическое моделирование используется обычно в промышленности.

Этапы 3D-моделирования

Создание 3D-модели состоит из нескольких этапов.

  • Создание геометрии модели

На первом этапе создается пространственная геометрическая модель объекта, не учитывающая его физические характеристики. Производятся расчет размеров и построение формы предмета. Используются методы вращения, выдавливания, наращивания, полигонального моделирования.

  • Создание текстуры объекта

На данной стадии определяется, из каких материалов будет построен объект, разрабатывается его текстура. Именно в этот момент задается степень реалистичности создаваемой модели.

На данном этапе возникают сложности, поскольку от указанных параметров зависит восприятие модели, насколько она будет правдоподобной. Указываются тон освещения, степень яркости, резкости, насыщенность теней.

  • 3D-визуализация или рендеринг

На заключительной стадии 3D-моделирования осуществляется уточнение настроек отображения модели, в частности, добавление специальных эффектов вроде бликов, тумана и т.д. При наличии анимации корректируются ее параметры. Также определяются параметры визуализации (число кадров в секунду, формат конечного видео). Если в результате получается двухмерное изображение, следует выбрать его формат и разрешение.

По окончании процесса 3D-моделирования в готовый материал можно включить спецэффекты с использованием программных средств, таких как Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro, Adobe Illustrator и т.д. Другими словами, происходит постпродакшн, когда итоговый результат улучшается с применением различных технологий.

Методы визуализации в 3D-моделировании

Scanline

Сканлайн рендер благодаря своей скорости применяется в видеоиграх и интерактивных сценах. При наличии мощного видеоадаптера с его помощью можно получить четкое изображение с частотой больше 30 кадров в секунду.

Популярные статьи

Действие рендера основано на реализации принципа «ряд за рядом». Вначале необходимые полигоны располагаются по наибольшей вертикальной координате. После этого каждый ряд изображения формируется посредством пересечения с ближайшим к виртуальной камере полигоном. В процессе перехода между рядами происходит удаление полигонов, которые исчезают из поля зрения.

Raytrace (метод трассировки лучей)

Целью данного метода является получение изображения с максимальным разрешением подробной детализацией. При этом рендеринг занимает много времени и не подходит для создания анимированной графики в реальном времени.

При использовании рейтрейс-метода от виртуальной камеры для каждого пикселя на воображаемом экране проводятся лучи до ближайшего трехмерного объекта. Цвет точки определяется исходя из того, с каким объектами сталкивается воображаемый луч.

Raycasting (метод бросания лучей)

При этом способе происходит то же самое, что и в предыдущем случае, но здесь рассчитывается только первая поверхность, на которую упадет луч. В зависимости от характеристик объекта и освещенности определяется цвет пикселя изображения. Дальнейшая обработка отраженных от объекта лучей в таком случае не происходит.

Radiosity

Смысл такого рендеринга состоит в том, что поверхность объекта освещается не только прямыми источниками света, но и остальными поверхностями, отражающими свет. При этом точка обзора не имеет значения, что увеличивает нагрузку, но полученное изображение характеризуется высоким качеством и реалистичностью. Наилучшего результата можно достичь, используя для рендеринга методы Radiosity и Raytrace одновременно.

Программное обеспечение для 3D-моделирования

В настоящее время применяются разнообразные программы для 3D-моделирования. С каждым годом их становится все больше, так как производители программного обеспечения стремятся удовлетворить потребности широкого круга пользователей, поэтому при возникновении новых запросов они выпускают новые продукты. Встречаются как платные, так и бесплатные программы для 3D-моделирования. Изучим более подробно наиболее популярные из них:

  • 3D Max – широко распространенная программа, подходит для профессиональной работы и предоставляет внушительный функционал. С ее помощью можно создавать анимацию и трехмерную графику, имеются возможности для рисования сложных моделей. Получаемые в результате объекты детально проработаны и затем могут анимироваться. Кроме платной версии программы есть бесплатная версия для студентов.
  • Maya – профессиональная программа, используемая при съемках фильмов и создании игр. Она обладает широкими возможностями для создания реалистичных моделей высокого качества.
  • AutoCad – инструмент для эффектного 2D и 3D-моделирования, имеет многоязычный интерфейс, разобраться в котором можно даже без специальных навыков. С его помощью можно вначале нарисовать двухмерную модель, а затем перевести ее в трехмерное изображение. Также можно создавать отдельные объекты и большие конструкции, а также игровые текстуры.
  • Cinema 4D – многофункциональная программа для трехмерного моделирования и анимации. Отличается понятным интерфейсом и также переведена на русский язык, благодаря чему получила распространение в русскоязычной среде.
  • Компас 3D – программное обеспечение для создания объемных моделей. Оно основано на математических расчетах и является отличным вариантом для осуществления инженерных проектов. Возможности программы включают не только построение модели, но и математические расчеты для последующего ее изготовления.
  • Rhinoceros – применяется в архитектуре, кораблестроении, дизайне, а также мультимедийных технологиях. Получила распространение вследствие объемного функционала и возможности импорта и экспорта разнообразных типов файлов.
  • Blender – программа, позволяющая проводить рендеринг, анимацию, монтаж и последующую обработку. Представленный функционал можно расширить с использованием плагинов. Годится для обучения основам 3D-моделирования.
  • Wings 3D – элементарная программа для трехмерного моделирования, позволяющая работать с простыми моделями. Простой и незамысловатый интерфейс серьезно упрощает задачу начинающим специалистам. Также исходный код программы открыт для модификации.
  • Google SketchUp – позволяет создавать и изменять множество видов моделей, дополняя их новыми элементами и текстурами. Имеет обширный функционал для работы над объектами различной сложности.

Требования к компьютеру для 3D-моделирования

Выбор компьютерных комплектующих обусловлен сложностью проектов, которые вы будете осуществлять. Так, моделирование с большим числом полигонов и работа в САПРах приводят к значительным затратам ресурсов компьютера.

Ниже представлен минимальный набор характеристик, которыми должен обладать компьютер для 3D-моделирования, чтобы обеспечить нормальную работу с большинством программ:

  • Full HD монитор 1920х1080.
  • Процессор — 4 ядра от 3 GHz.
  • Оперативная память — 8 Гб.
  • Видеокарта — с поддержкой OpenGL 4.3 на 4 Гб памяти.
  • Свободное место на диске — 50 Гб (допускается и меньший объем, но предпочтительнее иметь дополнительное свободное место, которое будут занимать плагины, файлы материалов, текстур и собственно проектов).

Безусловно, этим не следует ограничиваться. Так будет выглядеть оптимальная сборка, обладающая высокой скоростью на любых проектах:

  • Процессор — AMD Ryzen 9 5950X.
  • Оперативная память — 32 Гб (Patriot Viper Steel — 2х16 Гб).
  • Видеокарта — NVidia RTX 3080 Ti на 12 Гб.
  • Материнская плата — MSI MPG B550 GAMING CARBON WIFI.
  • Накопители — SSD Samsung 980 Pro 1 TB и HDD Seagate Backup Plus Hub
  • Блок питания — Deepcool DQ850.
  • Система охлаждения — MSI MAG CORELIQUID 360R.
  • Корпус — Cooler Master MasterBox MB511 RGB.

Впрочем, и стоит подобная сборка недешево – порядка 3700 долларов.

При желании можно снизить затраты по крайней мере в 2 раза и приобрести удачную сборку, подходящую для работы над большинством проектов. Она может иметь следующий вид:

  • Процессор — AMD Ryzen 7 3700X.
  • Оперативная память — 32 Гб (Corsair Vengeance LPX — 2х16 Гб).
  • Видеокарта — GeForce RTX 2070.
  • Материнская плата — GIGABYTE X570 GAMING X.
  • Накопитель — SSD Samsung 970 PRO.
  • Блок питания — Corsair CX550.
  • Система охлаждения — AMD Wraith Prism.
  • Корпус — Phanteks Full Tower Case ATX.

Прежде всего, в целях экономии не стоит покупать готовые комплекты. Существует риск переплаты или присутствия в такой сборке старенькой детали. Лучше обратитесь за помощью к знакомому, разбирающемуся в комплектующих, либо в особую контуру за персональной сборкой, а лучше – вникните во все сами.

И еще один момент – ноутбук также пригоден для моделирования, если он удовлетворяет минимальным требованиям программ.

Навыки и задачи специалиста в 3D-моделировании

Хороший специалист пользуется огромным спросом, ведь ему по силам нарисовать что угодно.

Вот основные навыки:

  • Работа со специфическим программным обеспечением, постоянное совершенствование своих умений.
  • В случае с анимированными персонажами – знание основ анатомии для придания реалистичности движениям.
  • Способность на приличном уровне рисовать от руки. Если у вас совсем плохо с рисованием, то и лезть в такую профессию не стоит.

Следует внимательно относиться к деталям – любая мелочь из повседневной жизни, будучи перенесенной в проект, придает объекту реалистичный вид.

В данной профессии важна усидчивость, готовность часами разбираться в особенностях работы тех или иных программ. Специалист по 3D-моделированию должен быть внимательным к деталям, скрупулезным и даже несколько педантичным.

Распространено мнение, что моделирование подходит лишь художникам и дизайнерам. Но, как показывает практика, есть много талантливых моделлеров без художественного образования и, вообще, самоучек – всю информацию сейчас легко найти в интернете. Безусловно, важно понимать основы композиции, компоновки тела и размещения света, но эти аспекты по силам изучить без специальной подготовки.

Эту современную профессию может освоить любой человек, который заинтересован в этой области. Не обязательно вначале учиться на программиста, художника или дизайнера. На курсах 3D-моделирования происходит обучение с нуля – студенты приобретают базовые навыки, остальные же они развивают самостоятельно или приступают к продвинутому изучению 3D-моделирования онлайн в специальной школе.

Обучение 3D-моделированию в GeekBrains

  • Факультет 3D-художник в играх

Вы с нуля изучите востребованную профессию 3D-художника в области создания игр. Получите удаленную работу по 3D-моделированию в международных компаниях и сможете рассчитывать на хороший заработок.

Курс 3D-моделирования для начинающих: вы изучите азы моделирования, создания текстур и рендера, познакомитесь с программами для рисования в 3D, создания компьютерной графики и анимации. Научитесь созданию моделей игровых персонажей и окружающих предметов.

  • Факультет 3D-моделирования и визуализации

Изучите 3D Max, AutoCAD , Photoshop и другие программы. Научитесь создавать и визуализировать трехмерные объекты любой сложности. Соберете портфолио и подготовитесь к трудоустройству.

  • 3D-моделирование для детей

Ребенок сможет почувствовать себя 3D-моделлером в играх, анимации, дизайне и архитектуре, получит необходимые навыки работы и изучит специализированное ПО для моделирования.

Курс для ребят, которые:

  • Проявляют интерес к творчеству и технологиям.
  • Любят воображать места, героев, помещения.
  • Хотят изучить профессиональные инструменты моделирования.

Освоение трехмерной графики приводит в движение целые направления в промышленности, а также приносит динамику в нашу жизнь. Мы не сомневаемся, что будущее 3D-моделирования ничем не ограничено, что эти передовые технологии скоро увеличат свою доступность, востребованность и незаменимость!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *