Реалистичность трехмерного изображения. Трехмерная графика в современном мире

Реалистичное изображение – компьютерное изображение изделия с высоким качеством (фотографическим), которое может быть использовано в различных сценах. Обычно используется для рекламы изделий, которые еще только спроектированы, но не изготовлены. Подсистема создания реалистичных изображений изделий на основании их твердотельных моделей(например, Photo Works) позволяет: задавать свойства поверхностей (цвет, текстуру, коэффициент отражения, прозрачность с использованием библиотеки материалов (библиотека может быть пополнена пользователем самостоятельно) или присоединением текстуры (картинок, логотипов), задавать декорации (каждая модель связывается со сценой, для которой можно задавать свойства: освещение, тени, фон). На основе информации о расставленных источниках света генерируются тени и полутени, придающие необычайную достоверность компьютерному изображению еще не существующей реально конструкции.

Автоматизированное создание прототипов проектируемых изделий (Rapid Prototyping)

Эти методы предназначены для создания реальных моделей изделий с помощью их компьютерных моделей за короткое время с целью проверки их работоспособности перед запуском их в производство и с целью использования этих моделей в производстве изделий (например, в качестве моделей литейных форм).

Принцип заключается в создании трехмерной модели изделия и представлении ее в виде отдельных поперечных двухмерных профилей, так называемых, срезов малой толщины (0,1-0,5 мм), параметры которых передаются в систему ЧПУ специального комплекса, с помощью которого формируется реальная модель каждого среза, набор которых образует реальную модель изделия – его прототип. Создание прототипа осуществляется на специальном основании (подложке), которое после изготовления каждого среза опускается на толщину среза. На основании этого метода разработан ряд способов изготовления прототипов:

Стереолитографии;

Покрытие твердой массой;

Из слоев специальной бумаги или фольги;

Селективное спекание с помощью лазера;

Наплавлением.

Стереолитография (Stereolithography - STL) . Прототип изготавливается на подложке в емкости, заполненной жидким полимером (так называемым, фотополимером), который затвердевает под воздействием лазерного луча. Лазер установлен рабочем органе, управление перемещением которого осуществляется от системы ЧПУ. Программа перемещения лазера составляется на основании сечений отдельных слоев трехмерной твердотельной модели изделия. Лазер сканирует очередной слой, в результате чего на этом участке полимер затвердевает, после чего подложка опускается на толщину среза и этот процесс выполняется для последующего сечения до тех пор, пока не будет изготовлен прототип изделия.

Способ покрытия твёрдой массой (Solid Ground Curing - SGC) не требует использования лазера и включает выполнение двух параллельно выполняемых процесса: создание маски и нанесение слоя фотополимера. Создание маски осуществляется для каждого среза трехмерной твердотельной модели методом электростатического осаждения материала, не прозрачного для прохождения ультрафиолетового излучения на прозрачную пластину маски. Затем на подложку наносится жидкий полимер затвердевающий под влиянием ультрафиолетового излучения. Пластина с маской помещается над подложкой с фотополимером и осуществляется освещение фотополимера ультрафиолетовым излучением через маску, в результате чего освещенный участок фотополимера затвердевает. Затем незатвердевший фотополимер удаляется, а на его место наносится слой легкоплавящегося материала, (например, воска) с целью уменьшения коробления. С пластины удаляется маска и создается следующая маска, соответствующая сечению последующего слоя модели. Процесс повторяется. По окончании цикла изготовления прототипа изделия слой легкоплавящегося материала удаляется горячей жидкостью.

Процесс создания объектов из слоёв специальной бумаги или фольги (Laminated Objekt manufacturing – LOM), покрытой клеевым составом, требует применения лазера. Каждый слой создается путем подачи бумаги в рабочую зону, вырезания контура соответствующего среза лазерным лучем и склеивания его с предыдущим слоем в результате обкатки горячим роликом. Материал: синтетическая фольга, алюминиевая фольга, керамическая фольга, ткань из углеродистого волокна.

Селективное спекание с помощью лазера (Selective Laser Sintering - SLS) заключается в последовательном нанесении слоев порошка из термопластичного материала и спекания каждого слоя под воздействием лазерного луча программно-управляемого лазера. Используется порошковый материал, в качестве чего принципиально могут использоваться все термопластичные материалы, как например, термопласты, воск для точного литья, металлы, формопесок.

Создание объектов наплавлением (Fused Deposition Modelling - FDM) не требует применения лазера и заключается в создании каждого слоя наплавлением термопластичного материала с помощью нагреваемого сопла, перемещение которого осуществляется с помощью устройства с ЧПУ.

Материал: термопластичная пластмасса, специальный воск для точного литья.

Использование трехмерных моделей для расчета изделий методами имитационного моделирования

Имитационное моделирование заключается в создании модели проектируемого объекта и экспериментирования с ней при реальных условиях и ограничениях.

Имитация в САПР осуществляется путем создания модели проектируемого объекта и наблюдения за его функционированием до реального его изготовления с целью нахождения его рациональных параметров. Различают кинематическую и динамическую имитацию.

Кинематическая имитация осуществляется с целью проверки работоспособности объекта в процессе движения его элементов (проверка коллизий, например, столкновений). Примеры: контрольные сборки, работа движущегося механизма.

Динамическая имитация осуществляется путем исследования поведения объекта при изменении действующих на него нагрузок и температур. Определяются теплонапряженное состояние и деформации элементов объекта. Применение при таких расчетах аналитических моделей, полученных методами математической физики, применительно к сложным по конфигурации объектам, в настоящее время невозможно, так как при этом необходимо принимать ограничения, которые зачастую нарушают адекватность математической модели объекта. Поэтому для решения задач динамической имитации в САПР используют приближенные методы: метод конечных элементов (МКЭ) и метод конечных разностей (МКР). Как показала практика, МКЭ является самым эффективным методом решения задач имитационного моделирования в САПР. В основе этого метода лежит представление объекта исследования в виде набора некоторых простых с геометрической точки зрения фигур, называемых конечными элементами, взаимодействующими между собой только в узлах. Расположенные определенным образом (в зависимости от конструкции объекта) и закрепленные в соответствии с граничными условиями конечные элементы, форма которых определяется особенностями моделируемого объекта, позволяют описать все многообразие механических конструкций и деталей.

При выполнении инженерных расчетов на прочность неизбежен этап создания моде­лей прочностной надежности элементов конструкций. С помощью таких моделей возмож­но выбрать материал и необходимые размеры конструкций и оценить ее сопротивление внешним воздействиям.

Надежностью называют свойство изделия выполнять свои функции в заданных пре­делах в течение требуемого промежутка времени. Прочностной надежностью называют отсутствие отказов, связанных с разрушением или с недопустимыми деформациями, или, вообще, с наступлением предельного состояния в определенном смысле. Основной мерой надежности является вероятность безотказной работы изделия.

Другой, более распространенной величиной оценки прочностной надежности являет­ся запас прочности. Пусть р - параметр работоспособности изделия (например, дейст­вующее усилие, давление, эквивалентное напряжение в опасной точке и т. п.). Тогда запа­сом прочности называют отношение

где Ркр-критическое (предельное) значение параметра Р, нарушающее нормальную работу изделия, Рмах - наибольшее значение параметра в рабочих условиях. Условие прочностной надежности записывается в виде:

где [n] - допустимое значение запаса прочности. Допустимый запас прочности назна­чают на основании инженерного опыта эксплуатации подобных конструкций (прототи­пов). Ряд отраслей техники имеют нормы прочности, в которых допустимые запасы проч­ности регламентированы для разных условий эксплуатации. Обычный диапазон изме­нений [n] колеблется от 1, 3 (при стабильных условиях нагружения) до 5 и более (при пе­ременных и динамических нагрузках). В практике расчетов используют как аналитические, так и численные методы. Первые базируются на математических методах решения краевых задач, обычно сложных и тру­доемких, и зачастую ограничены достаточно простыми геометрическими формами тел и схем нагружения. Численные методы, к которым относятся, в частности, метод конечных разностей, метод граничных интегральных уравнений, метод граничных элементов, метод конечных элементов и другие методы, напротив, не ограничены ни формой тел, ни спосо­бом приложения нагрузки. Это, наряду с повсеместным распространением мощной вы­числительной техники, способствует их распространению в инженерной среде.

Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину (перемещение, температура, давление и т. п.) можно аппроксимировать моделью, состоящей из отдельных элементов (участков).

Объект представляется в виде набора простых (с геометрической точки зрения) фигур, называемых конечными элементами (для плоской задачи-прямоугольники, треугольники, для объемной задачи-параллепипеды, призмы, тетраэдры), которые взаимодействуют между собой в узлах. Элементы могут быть линейными и параболическими (имеющие узлы в серединах ребер). На каждом из этих элементов исследуемая непрерывная величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится на значениях исследуемой непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемого элемента. Для этого используются линейная (первого порядка) или параболическая (второго порядка) функции.

К узлам прикладываются граничные условия: кинематические (закрепления, перемещения) и статические (нагрузки), в результате чего тело деформируется. Условие равновесия каждого элемента:

где Р-вектор усилий, U-вектор перемещений, -матрица жесткости конечного элемента, в которую входят модуль упругости (Юнга) E, характеризующий сопротивление материала упругой деформации (отношение напряжения к вызванной им упругой деформации) и коэффициент Пуассона μ (отношение поперечной деформации к продольной).

Матрицы жесткости всех конечных элементов объединяются в глобальную матрицу жесткости [K], перемещения и усилия в узлах объединяются соответственно в общие столбцы перемещений [U] и усилий [P].

В результате создается система линейных уравнений, в которой неизвестными являются перемещения:

Решается система уравнений с вычислением перемещений каждого узла. Это стало возможным, когда в 1963 г. было доказано, что этот МКЭ можно рассматривать как один из вариантов известного в строительной механике метода Рэлея-Ритца, который путем минимизации потенциаль­ной энергии позволяет свести задачу к системе линейных уравнений равновесия. То есть полученное решение соответствует минимуму потенциальной энергии деформированной упругой системы.

Перемещения связаны с соответствующими напряжениями законом Гука:

Для визуальной оценки полученных результатов расчета распределение значений полученных параметров (напряжений, деформаций) представляется в виде изолиний (на которых значение параметра постоянно), цвет и насыщенность которых изменяется в зависимости величины параметра. Кроме того, для визуальной качественной оценки деформированного состояния объекта, деформации показываются искаженно.

3D-моделирование и визуализация необходимы при производстве продуктов или их упаковки, а также при создании прототипов изделий и создании объемной анимации.

Таким образом, услуги по 3D-моделированию и визуализации предоставляются тогда, когда:

• нужна оценка физических и технических особенностей изделия еще до его создания в оригинальном размере, материале и комплектации;
• необходимо создать 3D-модель будущего интерьера.

В таких случаях вам точно придется прибегнуть к услугам специалистов в области 3д-моделирования и визуализации.

3D-модели - неотъемлемая составляющая качественных презентаций и технической документации, а также - основа для создания прототипа изделия. Особенность нашей компании - в возможности проведения полного цикла работ по созданию реалистичного 3D-объекта: от моделирования и до прототипирования. Поскольку все работы можно провести в комплексе, это существенно сокращает время и затраты на поиск исполнителей и постановку новых технических заданий.

Если речь идет о продукте, мы поможем вам выпустить его пробную серию и наладить дальнейшее производство, мелкосерийное или же промышленных масштабов.

Определение понятий «3D-моделирование» и «визуализация»

Трехмерная графика или 3D-моделирование - компьютерная графика, сочетающая в себе приемы и инструменты, необходимые для создания объемных объектов в техмерном пространстве.

Под приемами стоит понимать способы формирования трехмерного графического объекта - расчет его параметров, черчение «скелета» или объемной не детализированной формы; выдавливание, наращивание и вырезание деталей и т.д.

А под инструментами - профессиональные программы для 3D-моделирования. В первую очередь - SolidWork, ProEngineering, 3DMAX, а также некоторые другие программы для объемной визуализации предметов и пространства.

Объемный рендеринг - это создание двухмерного растрового изображения на основе построенной 3d-модели. По своей сути, это максимально реалистичное изображение объемного графического объекта.

Области применения 3D-моделирования :

• Реклама и маркетинг

Трехмерная графика незаменима для презентации будущего изделия. Для того, чтобы приступить к производству необходимо нарисовать, а затем создать 3D-модель объекта. А, уже на основе 3D-модели, с помощью технологий быстрого прототипирования (3D-печать, фрезеровка, литье силиконовых форм и т.д.), создается реалистичный прототип (образец) будущего изделия.

После рендеринга (3D-визуализации), полученное изображение можно использовать при разработке дизайна упаковки или при создании наружной рекламы , POS-материалов и дизайна выставочных стендов.

• Городское планирование

С помощью трехмерной графики достигается максимально реалистичное моделирование городской архитектуры и ландшафтов - с минимальными затратами. Визуализация архитектуры зданий и ландшафтного оформления дает возможность инвесторам и архитекторам ощутить эффект присутствия в спроектированном пространстве. Что позволяет объективно оценить достоинства проекта и устранить недостатки.

• Промышленность

Современное производство невозможно представить без допроизводственного моделирования продукции. С появлением 3D-теxнологий производители получили возможность значительной экономии материалов и уменьшения финансовых затрат на инженерное проектирование. С помощью 3D-моделирования дизайнеры-графики создают трехмерные изображения деталей и объектов, которые в дальнейшем можно использовать для создания пресс-форм и прототипов объекта.

• Компьютерные игры

Технология 3D при создании компьютерных игр используется уже более десяти лет. В профессиональных программах опытные специалисты вручную прорисовывают трехмерные ландшафты, модели героев, анимируют созданные 3D-объекты и персонажи, а также создают концепт-арты (концепт-дизайны).

• Кинематограф

Вся современная киноиндустрия ориентируется на кино в формате 3D. Для подобных съемок используются специальные камеры, способные снимать в 3D-формате. Кроме того, с помощью трехмерной графики для киноиндустрии создаются отдельные объекты и полноценные ландшафты.

• Архитектура и дизайн интерьеров

Технология 3д-моделирования в архитектуре давно зарекомендовала себе с наилучшей стороны. Сегодня создание трехмерной модели здания является незаменимым атрибутом проектирования. На основании 3d модели можно создать прототип здания. Причем, как прототип, повторяющий лишь общие очертания здания, так и детализированную сборную модель будущего строения.+

Что же касается дизайна интерьеров, то, с помощью технологии 3d-моделирования, заказчик может увидеть, как будет выглядеть его жилище или офисное помещение после проведения ремонта.

• Анимация

С помощью 3D-графики можно создать анимированного персонажа, «заставить» его двигаться, а также, путем проектирования сложных анимационных сцен, создать полноценный анимированный видеоролик.

Этапы разработки 3D-модели

Разработка 3D-модели осущеcтвляется в несколько этапов :

1. Моделирование или создание геометрии модели

Речь идет о создании трехмерной геометрической модели, без учета физических свойств объекта. В качестве приемов используется:

• выдавливание;
• модификаторы;
• полигональное моделирование;
• вращение.

2. Текстурирование объекта

Уровень реалистичности будущей модели напрямую зависит от выбора материалов при создании текстур. Профессиональные программы для работы с трехмерной графикой практически не ограничены в возможностях для создания реалистичной картинки.

3. Выставление света и точки наблюдения

Один из самых сложных этапов при создании 3D-модели. Ведь именно от выбора тона света, уровня яркости, резкости и глубины теней напрямую зависит реалистичное восприятие изображения. Кроме того, необходимо выбрать точку наблюдения за объектом. Это может быть вид с высоты птичьего полета или масштабирование пространства с достижением эффекта присутствия в нем - путем выбора вида на объект с высоты человеческого роста.+

4. 3D-визуализация или рендеринг

Завершающий этап 3D-моделирования. Он заключается в детализации настроек отображения 3D-модели. То есть добавление графических спецэффектов, таких, как блики, туман, сияние и т.д. В случае видео-рендеринга, определяются точные параметры 3D-анимации персонажей, деталей, ландшафтов и т.п. (время цветовых перепадов, свечения и др.).

На этом же этапе детализируются настройки визуализации: подбирается нужное количество кадров в секунду и расширение итогового видео (например, DivX, AVI, Cinepak, Indeo, MPEG-1, MPEG-4, MPEG-2, WMV и т.п.). В случае необходимости получить двухмерное растровое изображение, определяется формат и разрешение изображения, в основном - JPEG, TIFF или RAW.

5. Постпродакшн

Обработка отснятых изображений и видео с помощью медиа-редакторов - Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro (или Final Cut Pro/ Sony Vegas), GarageBand, Imovie, Adobe After Effects Pro, Adobe Illustrator, Samplitude, SoundForge, Wavelab и др.

Постпродакшн заключается в придании медиа-файлам оригинальных визуальных эффектов, цель которых - взбудоражить сознание потенциального потребителя: впечатлить, вызвать интерес и запомниться на долго!

3D-моделирование в литейном производстве

В литейном производстве 3D-моделирование постепенно становится незаменимой технологической составляющей процесса создания изделия. Если речь идет о литье в металлические пресс формы, то 3D-модели таких пресс-форм создаются с помощью технологий 3D-моделирования, а также 3D-прототипирования.

Но не меньшую популярность сегодня набирает литье в силиконовые формы. В данном случае - 3D-моделирование и визуализация помогут вам создать прототип объекта, на основе которого будет сделана форма из силикона либо другого материала (дерево, полиуретан, алюминий и т.д.).

Методы 3D-визуализации (рендеринг)

1. Растеризация.

Один из самых простых методов рендеринга. При его использовании не учитываются дополнительные визуальные эффекты (например, цвет и тень объекта относительно точки наблюдения).

2. Рейкастинг.

3D-модель осматривается с определенной, заранее заданной точки - с высоты человеческого роста, высоты птичьего полета и т.д. Из точки наблюдения направляются лучи, которые определяют светотени объекта, когда происходит его рассмотрения в привычном формате 2D.

3. Трассировка лучей.

Данный метод рендеринга подразумевает то, что, при попадании на поверхность, луч разделяется на три компонента: отраженный, теневой и преломленный. Собственно это и формирует цвет пиксела. Помимо этого, от количества разделений напрямую зависит реалистичность изображения.

4. Трассировка пути.

Один из самых сложных методов 3D-визуализации. При использовании данного метода 3D-рендеринга распространение световых лучей максимально приближено к физическим законам распространения света. Именно это и обеспечивает высокую реалистичность конечного изображения. Стоит отметить, что данный метод отличается ресурсоемкостью.

Наша компания предоставит вам полный спектр услуг в области 3D-моделирования и визуализации. Мы располагаем всеми техническими возможностями для создания 3D-моделей различной сложности. А также имеем большой опыт работы в 3d-визуализации и моделировании, в чем можно лично убедиться, изучив наше портфолио, или другие наши работы, пока не представленные на сайте (по запросу).

Бренд-агентство KOLORO окажет вам услуги по выпуску пробной серии продукции или ее мелкосерийному производству . Для этого наши специалисты создадут максимально реалистичную 3D-модель нужного вам объекта (упаковки, логотипа, персонажа, 3D-образца любого изделия, формы для литья и мн. др.), на основе которого будет создан прототип изделия. Стоимость нашей работы напрямую зависит от сложности объекта 3D-моделирования и обсуждается в индивидуальном порядке.

Для повышения реалистичности отображения наложенных на полигоны текстур используются различные технологии:

· сглаживания (Anti-aliasing);

· MIP – mapping;

· текстурной фильтрации.

Технология сглаживания (Anti-aliasing)

Anti-aliasing – это технология, использующаяся в обработке изображений с целью устранения эффекта «ступенчатых» краев (Aliasing) объектов. При растровом методе формирования изображения оно состоит из пикселей. Из-за того, что пиксели имеют конечный размер, на краях трехмерных объектов можно различить так называемую лестницу или ступенчатые края. Чтобы минимизировать эффект лестницы проще всего увеличить разрешение экрана, уменьшив тем самым размер пикселей. Но этот путь не всегда возможен. Если избавиться от ступенчатого эффекта за счет повышения разрешения монитора нельзя, можно использовать технологию Anti-aliasing, которая позволяет визуально сгладить эффект лестницы. Наиболее часто используемая для этого техника – это создание плавного перехода от цвета линии или края к цвету фона. Цвет точки, лежащей на границе объектов, определяется как среднее значение цветов двух граничных точек.

Существует несколько базовых технологий Anti-aliasing. Наиболее качественный результат впервые дала технология полноэкранного сглаживания FSAA (Full Screen Anti-Aliasing). В некоторых литературных источниках эта технология носит название SSAA. Суть данной технологии заключается в том, что процессор рассчитывает кадр изображения в гораздо большем разрешении, чем разрешение экрана, а затем при выводе на экран усредняет значения группы пикселей до одного; количество усредненных пикселей соответствует разрешению экрана монитора. Например, если кадр с разрешением 800х600 сглаживается с помощью FSAA, изображение будет рассчитываться в разрешении 1600х1200. При переходе к разрешению монитора цвета четырех рассчитанных точек, соответствующих одному пикселю монитора, усредняются. В результате у всех линий появляются плавные цветовые границы переходов, что визуально устраняет эффект лестницы.

FSAA делает много лишней работы, загружая графический процессор, сглаживая не границы, а изображение целиком, что является его главным недостатком. Для устранения данного недостатка был разработан более экономная технология - MSSA.

Суть технологии MSSA аналогична технологии FSAA, но над пикселями, находящимися внутри полигонов, никаких расчетов не проводится. Для пикселей на границах объектов в зависимости от уровня сглаживания рассчитывается 4 и более дополнительных точек, по которым и определяется итоговый цвет пикселя. Эта технология наиболее распространена в настоящее время.

Известны индивидуальные разработки производителей видеоадаптеров. Например, NVIDIA разработала технологию Coverage Sampling (CSAA), которая поддерживается только видеоадаптерами GeForce, начиная с 8-ой серии (8600 – 8800, 9600 – 9800). Компания ATI ввела в графический процессор R520 и все последующие адаптивное сглаживание ААА (Adaptive Anti-Aliasing).

Технология MIP mapping

Технология используется для улучшения качества текстурирования трехмерных объектов. Для придания реалистичности трехмерному изображению необходимо учитывать глубину сцены. По мере удаления от точки наблюдения накладываемая текстура должна выглядеть всё более размыто. Поэтому при текстурировании даже однородной поверхности чаще всего используется не одна, а несколько текстур, что позволяет корректно учитывать перспективные искажения трехмерного объекта.

Например, необходимо изобразить брусчатую мостовую, уходящую вглубь сцены. Если попытаться использовать всего одну текстуру по всей длине, то по мере удаления от точки наблюдения может появиться рябь или просто один сплошной цвет. Дело в том, что в этой ситуации сразу несколько пикселей текстуры (текселов) попадает в один пиксель на мониторе. Возникает вопрос: в пользу какого одного тексела сделать выбор при отображении пикселя?

Эта задача и решается с помощью технологии MIP mapping, которая подразумевает возможность применения набора текстур с различной степенью детализации. На базе каждой текстуры создается набор текстур с меньшим уровнем детализации. Текстуры такого набора называются MIP – картами (MIP map).

В простейшем случае наложения текстуры для каждого пикселя изображения определяется соответствующая ему MIP – карта согласно таблицы детализации LOD(Level of Detail). Далее из MIP – карты выбирается только один тексел, цвет которого присваивается пикселю.

Технологии фильтрации

Как правило, технология MIP mapping используется в сочетании с технологиями фильтрации, призванными исправить артефакты MIP –текстурирования. Например, при удалении объекта всё дальше от точки наблюдения происходит переход от низкого MIP map-уровня к более высокому MIP map-уровню. В момент нахождения объекта в переходном состоянии от одного MIP map-уровня к другому появляется особый тип ошибок визуализации: явно различимые границы перехода от одного MIP map-уровня к другому.

Идея фильтрации состоит в том, что цвет пикселей объекта рассчитывается по соседним точкам текстуры (текселам).

Первым способом фильтрации текстур был так называемый point sampling, который в современной 3D-графике не используется. Следующей была разработана билинейная фильтрация. При билинейной фильтрации для отображения точки поверхности берется взвешенное среднее значение четырех смежных текстурных пикселей. При такой фильтрации качество медленно вращающихся или медленно двигающихся объектов с гранями (типа куба) низкое (размытые грани).

Более высокое качество дает трилинейная фильтрация, при которой для определения цвета пикселя берётся среднее значение цвета восьми текселов, по четыре из двух соседних структур, и в результате семи операций смешивания определяется цвет пикселя.

С ростом производительности графических процессоров была разработана анизотропная фильтрация, которая успешно применяется до сих пор. При определении цвета точки она использует большое количество текселей и учитывает положение полигонов. Уровень анизотропной фильтрации определяется числом текселей, которые обрабатываются при вычислении цвета пикселя: 2х (16 текселей), 4х (32 текселя), 8х (64 текселя), 16х (128 текселей). Данная фильтрация обеспечивает высокое качество выводимого движущегося изображения.

Все эти алгоритмы реализует графический процессор видеокарты.

Интерфейс прикладного программирования (API)

Для ускорения выполнения этапов 3D-конвейера ускоритель трехмерной графики должен обладать определенным набором функций, т.е. аппаратно, без участия центрального процессора, производить операции, необходимые для построения 3D-изображения. Набор этих функций является важнейшей характеристикой 3D-акселератора.

Поскольку 3D-акселератор имеет собственную систему команд, его эффективное применение возможно лишь в том случае, когда прикладная программа использует эти команды. Но, поскольку различных моделей 3D-акселераторов много, так же как и различных прикладных программ, формирующих объемные изображения, возникает проблема совместимости: невозможно написать такую программу, которая бы одинаково хорошо использовала низкоуровневые команды различных акселераторов. Очевидно, что и разработчики прикладного программного обеспечения и производители 3D-акселераторов нуждаются в специальном пакете служебных программ, который выполняет следующие функции:

эффективное преобразование запросов прикладной программы в оптимизированную последовательность низкоуровневых команд 3D-акселератора с учетом особенностей его аппаратного построения;

программную эмуляцию запрошенных функций, если в используемом акселераторе отсутствует их аппаратная поддержка.

Специальный пакет служебных программ для выполнения этих функций называется интерфейсом прикладного программирования (ApplicationProgram Interface = API ).

API занимает промежуточное положение между высокоуровневыми прикладными программами и низкоуровневыми командами акселератора, которые генерируются его драйвером. Использование API избавляет разработчика прикладной программы от необходимости работать с низкоуровневыми командами акселератора, облегчая процесс создания программ.

В настоящее время в 3D существует несколько API, области применения которых довольно четко разграничены:

DirectX , разработанный фирмой Microsoft, используемый в игровых приложениях, работающих под управлением операционных систем Windows 9X и более поздних версий;

OpenGL , используемый в основном в профессиональных приложениях (системы автоматизированного проектирования, системы трехмерного моделирования, тренажеры-симуляторы и т.п.), работающих под управлением операционной системы Windows NT;

Фирменные (native – родные) API , создаваемые производителями 3D-акселераторов исключительно для своих Chipset с целью наиболее эффективного использования их возможностей.

DirectX является жестко регламентированным, закрытым стандартом, который не допускает изменений до выхода в свет своей очередной, новой версии. Это, с одной стороны, ограничивает возможности разработчиков программ и особенно производителей акселераторов, однако значительно облегчает пользователю настройку программного и аппаратного обеспечения для 3D.

В отличие от DirectX, API OpenGL построен на концепции открытого стандарта, имеющего небольшой базовый набор функций и множество расширений, реализующих более сложные функции. Производитель Chipset 3D-акселератора обязан создать BIOS и драйверы, выполняющие базовые функции Open GL, но не обязан обеспечивать поддержку всех расширений. Это порождает ряд проблем, связанных с написанием производителями драйверов для своих изделий, которые поставляются как в полном, так и в усеченном виде.

Полная версия OpenGL-совместимого драйвера носит название ICD (Installable Client Driver – драйвер приложения – клиента). Он обеспечивает максимальное быстродействие, т.к. содержит низкоуровневые коды, обеспечивающие поддержку не только базового набора функций, но и его расширений. Естественно, что с учетом концепции OpenGL создание подобного драйвера исключительно сложный и трудоемкий процесс. Это одна из причин более высокой стоимости профессиональных 3D-акселераторов по сравнению с игровыми.

Работы, выполненные с использованием трехмерной компьютерной графики, одинаково привлекают к себе внимание и ЗD-дизайнеров, и тех, кто имеет довольно смутное представление о том, как это было сделано. Наиболее удачные трехмерные работы невозможно отличить от реальных съемок. Такие работы, как правило, порождают вокруг себя жаркие споры о том, что же это - фотография или трехмерная подделка.
Вдохновленные работами именитых ЗD-художников, многие берутся за изучение трехмерных редакторов, полагая, что освоить их так же легко, как Photoshop. Между тем программы для создания ЗD-графики являются довольно сложными в освоении, и их изучение отнимает много времени и сил. Однако даже изучив инструментарий трехмерного редактора, добиться реалистичного изображения начинающему дизайнеру нелегко. Попав в ситуацию, когда сцена выглядит «неживой», он не всегда может найти этому объяснение. В чем же дело?
Основная проблема создания фотореалистичного изображения заключается в трудности точной имитации окружающей среды. Картинка, которая получается в результате просчета (визуализации) в трехмерном редакторе, является результатом математических вычислений по заданному алгоритму. Разработчикам программного обеспечения трудно подобрать алгоритм, который помогал бы описать все физические процессы реальной жизни. По этой причине моделирование окружающей среды лежит на плечах самого ЗD-художника.
С каждым днем увеличиваются аппаратные возможности рабочих станций, что дает возможность еще более эффективно использовать инструментарий для работы с трехмерной графикой. Одновременно с этим совершенствуется арсенал средств редакторов трехмерной графики.
Существует определенный набор правил создания реалистичного трехмерного изображения. Вне зависимости от того, в каком трехмерном редакторе вы работаете и сцены какой сложности создаете, они остаются неизменными. Выполнение этих требований не гарантирует того, что полученная картинка будет похожа на фотографию. Однако их игнорирование наверняка станет причиной неудачи.
Создать фотореалистичное изображение, работая над трехмерным проектом в одиночку, - невероятно сложная задача. Как правило, те, кто посвящают себя трехмерной графике и работают с ней профессионально, выполняют только один из этапов создания трехмерной сцены. Одни знают все тонкости моделирования, другие умоют мастерски создавать материалы, третьи «видят» правильное освещение сцен и т. д. По этой причине, начиная работать с трехмерной графикой, постарайтесь найти ту область, в которой вы себя чувствуете наиболее уверенно, и развивать свои таланты.
Как вы знаете, результатом работы в трехмерном редакторе является статический файл или анимация. В зависимости от того, каким будет конечный продукт в вашем случае, подходы к созданию реалистичного изображения могут различаться.

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

Не забудьте о деталях
При работе над трехмерным проектом нужно всегда принимать во внимание то, насколько объект виден в сцене, насколько он освещен и т. д. В зависимости от этого объект должен иметь большую или меньшую степень детализации. Трехмерный мир - это виртуальная реальность, где все напоминает театральные декорации. Если вы не будете видеть заднюю часть объекта - не моделируйте ее. Если у вас есть болт с накрученной ганкой, не стоит моделировать резьбу под гайкой, если в сцене будет виден фасад дома, не нужно моделировать интерьер, если вы создаете сцену ночного леса, основное внимание стоит уделить лишь тем объектам, которые находятся на переднем плане. Деревья, расположенные на заднем плане, на визуализированном изображении видны почти не будут, поэтому не имеет смысла моделировать их с точностью до листика.
Часто при создании трехмерных моделей едва ли не главную роль играют небольшие детали, которые делают объект более реалистичным.
Если у вас не получается добиться реалистичности в сцене, попробуйте повысить степень детализации объектов. Чем больше мелких деталей будет содержать сцена, тем более правдоподобно будет выглядеть финальное изображение. Вариант с увеличением детализации сцены практически беспроигрышен, но имеет один недостаток - большое количество полигонов, что ведет к увеличению времени просчета.
Убедиться в том, что реалистичность сцепы напрямую зависит от степени детализации, можно на простом примере. Если создать в сцене три модели травинки и визуализировать их, то на зрителя изображение не произведет никакого впечатления. Однако если эту группу объектов многократно клонировать, то изображение будет смотреться эффектнее.
Управлять детализацией можно двумя способами: так, как это описано выше (увеличивая количество полигонов в сцене), или повышая разрешение текстуры.
Во многих случаях имеет смысл больше внимания уделить созданию текстуры, нежели самой модели объекта. При этом вы сэкономите системные ресурсы, требуемые на просчет сложных моделей, уменьшим тем самым время визуализации. Лучше делать более качественную текстуру, чем увеличивать количество полигонов. Прекрасным примером разумного использования текстуры может служить стена дома. Вы можете моделировать каждый кирпичик по отдельности, что займет и время, и ресурсы. Гораздо проще использовать фотографию кирпичной стены.

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

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

В отличие от двумерной анимации, где многое может быть нарисовано от руки, в трехмерной объекты слишком гладкие, их форма слишком правильная и движутся они по слишком "геометрическим" траекториям. Правда, эти проблемы преодолимы. В анимационных пакетах улучшаются средства визуализации, обновляются инструменты для создания спецэффектов и увеличиваются библиотеки материалов. Для создания "неровных" объектов, например, волос или дыма, используется технология формирования объекта из множества частиц. Вводится инверсная кинематика и другие техники оживления, возникают новые методы совмещения видеозаписи и анимационных эффектов, что позволяет сделать сцены и движения более реалистичными. Кроме того, технология открытых систем позволяет работать сразу с несколькими пакетами. Можно создать модель в одном пакете, разрисовать ее в другом, оживить в третьем, дополнить видеозаписью в четвертом. И, наконец, функции многих профессиональных пакетов можно сегодня расширить с помощью дополнительных приложений, написанных специально для базового пакета.

3D Studio и 3D Studio MAX

Один из самых известных пакетов 3D-анимации на IBM - это 3D Studio фирмы Autodesk. Программа работает под DOS, обеспечивает весь процесс создания трехмерного фильма: моделирование объектов и формирование сцены, анимацию и визуализацию, работу с видео. Кроме того, существует широкий спектр прикладных программ (IPAS-процессов), написанных специально для 3D Studio. Новая программа той же фирмы под названием 3D Studio MAX для Windows NT создавалась в течение нескольких последних лет и претендует на роль конкурента мощным пакетам для рабочих станций SGI. Интерфейс новой программы един для всех модулей и обладает высокой степенью интерактивности. 3D Studio MAX реализует расширенные возможности управления анимацией, хранит историю жизни каждого объекта и позволяет создавать разнообразные световые эффекты, поддерживает 3D-акселераторы и имеет открытую архитектуру, то есть позволяет третьим фирмам включать в систему дополнительные приложения.

TrueSpace, Prisms, Three-D, RenderMan, Crystal Topas

Electric Image, SoftImage

Для создания трехмерной анимации на компьютерах IBM и Macintosh удобно пользоваться и пакетом Electric Image Animation System, включающим большой комплекс анимационных средств, спецэффекты, инструментарий для работы со звуком и генератор шрифтов с настраиваемыми параметрами. Хотя у этой программы нет средств моделирования, но зато есть возможность импорта свыше тридцати различных форматов моделей. Пакет также поддерживает работу с иерархическими объектами и средствами инверсной кинематики. В свою очередь, программа Softimage 3D фирмы Microsoft работает на платформах SGI и Windows NT. Она поддерживает моделирование на базе полигонов и сплайнов, создание спецэффектов, работу с частицами и технологию переноса движения с живых актеров на компьютерных персонажей.