Realistyczny obraz 3D. Grafika 3D we współczesnym świecie

Realistyczny obraz to wysokiej jakości (fotograficzny) wygenerowany komputerowo obraz produktu, który można wykorzystać w różnych scenach. Zwykle używany do reklamowania produktów, które nie zostały jeszcze zaprojektowane, ale nie zostały wyprodukowane. Podsystem tworzenia realistycznych obrazów produktów na podstawie ich modeli bryłowych (np. Photo Works) pozwala na: ustawienie właściwości powierzchni (kolor, tekstura, odbicia, przezroczystość za pomocą biblioteki materiałów (bibliotekę może uzupełniać samodzielnie użytkownik ) lub dołączając teksturę (obrazki, logotypy) ustawiamy scenerię (każdy model jest powiązany ze sceną dla której można ustawić właściwości: oświetlenie, cienie, tło). Na podstawie informacji o umieszczonych źródłach światła generowane są cienie i półcienie , dając niezwykłą wiarygodność komputerowemu obrazowi konstrukcji, która w rzeczywistości jeszcze nie istnieje.

Automatyczne tworzenie prototypy projektowanych produktów (Rapid Prototyping)

Metody te mają na celu tworzenie prawdziwych modeli produktów przy użyciu ich modele komputerowe w krótkim czasie w celu sprawdzenia ich wydajności przed wprowadzeniem do produkcji oraz w celu wykorzystania tych modeli w produkcji wyrobów (np. jako modele form odlewniczych).

Zasadą jest stworzenie trójwymiarowego modelu produktu i przedstawienie go w postaci oddzielnych poprzecznych dwuwymiarowych profili, tzw. nacięć o małej grubości (0,1-0,5 mm), których parametry przenoszone są na System CNC specjalnego kompleksu, za pomocą którego powstaje rzeczywisty model każdego cięcia, którego zestaw tworzy rzeczywisty model produktu - jego prototyp. Tworzenie prototypu odbywa się na specjalnym podłożu (podłożu), które po wykonaniu każdego cięcia obniża się o grubość cięcia. W oparciu o tę metodę opracowano szereg metod wytwarzania prototypów:

stereolitografia;

Powłoka w postaci stałej masy;

Z warstw specjalnego papieru lub folii;

Selektywne spiekanie laserem;

Spawalniczy.

stereolitografia( stereolitografia - STL). Prototyp powstaje na podłożu w pojemniku wypełnionym ciekłym polimerem (tzw. fotopolimerem), który twardnieje pod wpływem wiązki laserowej. Laser jest zainstalowany na korpusie roboczym, którego ruch jest kontrolowany przez system CNC. Program ruchu laserowego jest opracowywany na podstawie przekrojów poszczególnych warstw trójwymiarowego modelu bryłowego produktu. Laser skanuje kolejną warstwę, w wyniku czego polimer krzepnie w tym obszarze, po czym podłoże jest obniżane do grubości cięcia, a proces ten prowadzony jest dla kolejnej sekcji aż do wykonania prototypu produktu.

Stała metoda powlekania(Solid Ground Curing – SGC) nie wymaga użycia lasera i polega na realizacji dwóch równoległych procesów: tworzenia maski oraz nakładania warstwy fotopolimeru. Tworzenie maski jest przeprowadzane dla każdego cięcia trójwymiarowego modelu bryłowego przez osadzanie elektrostatyczne materiału, który nie jest przezroczysty dla przechodzenia promieniowania ultrafioletowego na przezroczystą płytkę maski. Następnie na podłoże nakładany jest ciekły polimer, który twardnieje pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. Płytkę z maską nakłada się na podłoże z fotopolimerem i przez maskę naświetla się fotopolimer promieniowaniem ultrafioletowym, w wyniku czego oświetlany obszar fotopolimeru twardnieje. Nieutwardzony fotopolimer jest następnie usuwany i zastępowany warstwą materiału topliwego (takiego jak wosk) w celu zmniejszenia wypaczania. Maska jest zdejmowana z płyty i tworzona jest kolejna maska ​​odpowiadająca przekrojowi kolejnej warstwy modelu. Proces się powtarza. Pod koniec cyklu produkcyjnego prototypu produktu warstwa materiału o niskiej temperaturze topnienia jest usuwana za pomocą gorącej cieczy.

Proces tworzenie obiektów z warstw specjalnego papieru lub folii(produkcja laminowanych obiektów – LOM) pokryta klejem wymaga użycia lasera. Każda warstwa powstaje poprzez podanie papieru w obszar roboczy, wycięcie wiązką lasera konturu odpowiedniego cięcia i sklejenie go z poprzednią warstwą w wyniku najazdu gorącym wałkiem. Materiał: folia syntetyczna, folia aluminiowa, folia ceramiczna, tkanina z włókna węglowego.

Selektywne spiekanie laserem(Selective Laser Sintering - SLS) polega na sukcesywnym nakładaniu warstw proszku z materiału termoplastycznego i spiekaniu każdej warstwy pod wpływem wiązki laserowej lasera sterowanego programowo. Stosowany jest materiał proszkowy, do którego zasadniczo można stosować wszystkie materiały termoplastyczne, takie jak tworzywa termoplastyczne, wosk do odlewania precyzyjnego, metale, piasek formierski.

Tworzenie połączonych obiektów(Fused Deposition Modeling – FDM) nie wymaga użycia lasera i polega na tworzeniu każdej warstwy poprzez stapianie materiału termoplastycznego za pomocą rozgrzanej dyszy, która poruszana jest za pomocą urządzenia CNC.

Materiał: termoplastyczny, specjalny wosk do precyzyjnego odlewania.

Wykorzystanie modeli trójwymiarowych do obliczania produktów metodami symulacyjnymi

Symulacja jest stworzenie modelu projektowanego obiektu i eksperymentowanie z nim, gdy prawdziwe warunki i ograniczenia.

Symulacja w CAD odbywa się poprzez stworzenie modelu projektowanego obiektu i obserwację jego funkcjonowania aż do faktycznego wytworzenia w celu znalezienia jego racjonalnych parametrów. Rozróżnij symulację kinematyczną i dynamiczną.

Symulacja kinematyczna jest wykonywany w celu sprawdzenia funkcjonalności obiektu w procesie przesuwania jego elementów (sprawdzanie kolizji np. kolizji). Przykłady: zespoły sterujące, działanie mechanizmu ruchomego.

Symulacja dynamiczna Przeprowadza się go poprzez badanie zachowania obiektu, gdy zmieniają się działające na niego obciążenia i temperatury. Określany jest stan naprężenia cieplnego i odkształcenia elementów obiektu. Wykorzystanie modeli analitycznych uzyskanych metodami fizyki matematycznej do takich obliczeń w odniesieniu do obiektów o złożonych konfiguracjach jest obecnie niemożliwe, ponieważ konieczne jest przyjęcie ograniczeń, które często naruszają adekwatność modelu matematycznego obiektu. Dlatego do rozwiązywania problemów symulacji dynamicznej w CAD stosuje się metody przybliżone: metoda elementów skończonych (MES) i metoda różnic skończonych (FDM). Jak pokazała praktyka, MES jest najbardziej skuteczna metoda rozwiązywanie problemów modelowania symulacyjnego w CAD. Metoda ta polega na przedstawieniu przedmiotu badań w postaci zestawu kilku geometrycznie prostych figur, zwanych elementami skończonymi, oddziałujących ze sobą tylko w węzłach. Elementy skończone usytuowane w określony sposób (w zależności od konstrukcji obiektu) i ustalone zgodnie z warunkami brzegowymi, których kształt determinują cechy modelowanego obiektu, pozwalają na opisanie całej różnorodności konstrukcji mechanicznych i części.

Podczas wykonywania obliczeń inżynierskich wytrzymałościowych etap tworzenia modeli niezawodności wytrzymałościowej elementów konstrukcyjnych jest nieunikniony. Za pomocą takich modeli można wybrać materiał i wymagane wymiary konstrukcji oraz ocenić jego odporność na wpływy zewnętrzne.

Niezawodność jest właściwością produktu do pełnienia swoich funkcji w określonych granicach przez wymagany okres czasu. Niezawodność wytrzymałościowa to brak uszkodzeń związanych z destrukcją lub niedopuszczalnymi odkształceniami lub ogólnie z wystąpieniem stanu granicznego w pewnym sensie. Główną miarą niezawodności jest prawdopodobieństwo bezawaryjnej pracy produktu.

Inną, bardziej powszechną wartością oceny niezawodności wytrzymałości jest margines bezpieczeństwa. Niech p będzie parametrem wydajności produktu (na przykład działającą siłą, ciśnieniem, równoważnym napięciem w niebezpiecznym punkcie itp.). Wtedy margines bezpieczeństwa nazywany jest stosunkiem

gdzie Pcr jest wartością krytyczną (graniczną) parametru P, która zakłóca normalną pracę produktu, Pmax jest największą wartością parametru w warunkach eksploatacyjnych. Warunek niezawodności wytrzymałościowej jest zapisany jako:

gdzie [n] jest dopuszczalną wartością współczynnika bezpieczeństwa. Dopuszczalny margines bezpieczeństwa wyznaczany jest na podstawie doświadczenia inżynierskiego w eksploatacji podobnych konstrukcji (prototypów). Szereg gałęzi technologii posiada normy wytrzymałościowe, w których dopuszczalne marginesy bezpieczeństwa są regulowane dla różnych warunków pracy. Zwykły zakres zmian [n] waha się od 1, 3 (w stabilnych warunkach obciążenia) do 5 lub więcej (pod zmiennymi i dynamicznymi obciążeniami). W praktyce obliczeń stosuje się zarówno metody analityczne, jak i numeryczne. Pierwsze oparte są na metody matematyczne rozwiązywanie problemów z wartościami brzegowymi, które są zwykle złożone i czasochłonne, a często ograniczają się do dość prostych geometrycznych kształtów ciał i schematów obciążenia. Metody numeryczne, do których zalicza się w szczególności metodę różnic skończonych, metodę równań całkowych brzegowych, metodę elementów brzegowych, metodę elementów skończonych i inne metody, nie są natomiast ograniczone ani kształtem ciała lub sposób przyłożenia obciążenia. To, wraz z wszechobecnością potężnych technologii obliczeniowych, przyczynia się do ich rozprzestrzeniania się w środowisku inżynierskim.

Główną ideą metody elementów skończonych jest to, że dowolną wartość ciągłą (przemieszczenie, temperaturę, ciśnienie itp.) można aproksymować modelem składającym się z pojedynczych elementów (przekrojów).

Obiekt jest reprezentowany jako zbiór prostych (z geometrycznego punktu widzenia) figur, zwanych elementami skończonymi (dla problemu płaskiego - prostokąty, trójkąty, dla zagadnienia trójwymiarowego - równoległościany, graniastosłupy, czworościany), które oddziałują na siebie inne w węzłach. Elementy mogą być liniowe i paraboliczne (mające węzły pośrodku krawędzi). Na każdym z tych elementów badana wielkość ciągła jest aproksymowana funkcją odcinkowo ciągłą, która opiera się na wartościach badanej wielkości ciągłej w skończonej liczbie punktów rozpatrywanego elementu. W tym celu wykorzystywane są funkcje liniowe (pierwszego rzędu) lub paraboliczne (drugiego rzędu).

Na węzły stosowane są warunki brzegowe: kinematyczne (mocowania, przemieszczenia) i statyczne (obciążenia), w wyniku czego ciało ulega deformacji. Warunek równowagi dla każdego pierwiastka:

gdzie P to wektor siły, U to wektor przemieszczenia, to macierz sztywności elementu skończonego, która zawiera moduł Younga E, charakteryzujący odporność materiału na odkształcenie sprężyste (stosunek naprężenia do odkształcenia sprężystego wywołanego przez it) i współczynnik Poissona μ (stosunek odkształcenia poprzecznego do podłużnego).

Macierze sztywności wszystkich elementów skończonych są łączone w globalną macierz sztywności [K], przemieszczenia i siły w węzłach są łączone we wspólne kolumny przemieszczeń [U] i sił [P].

Rezultatem jest system równania liniowe, w którym przemieszczenia są nieznane:

Układ równań rozwiązywany jest poprzez obliczenie przemieszczeń każdego węzła. Stało się to możliwe, gdy w 1963 roku udowodniono, że ten MES można uznać za jeden z wariantów znanej w mechanice konstrukcji metody Rayleigha-Ritza, która poprzez minimalizację energii potencjalnej pozwala sprowadzić problem do układu równań równowagi liniowej . Oznacza to, że otrzymane rozwiązanie odpowiada minimalnej energii potencjalnej odkształconego układu sprężystego.

Przemieszczenia są powiązane z odpowiednimi naprężeniami przez prawo Hooke'a:

W celu wizualnej oceny otrzymanych wyników obliczeń rozkład wartości uzyskanych parametrów (naprężeń, odkształceń) przedstawiony jest w postaci izolinii (na których wartość parametru jest stała), których kolor i nasycenie zmienia się w zależności od na wartość parametru. Dodatkowo, w celu wizualnej jakościowej oceny stanu odkształcenia obiektu, deformacje są pokazane jako zniekształcone.

Modelowanie i wizualizacja 3D są niezbędne przy produkcji produktów lub ich opakowań, a także przy tworzeniu prototypów produktów i animacji 3D.

Dlatego usługi modelowania i wizualizacji 3D są świadczone, gdy:

• ocena właściwości fizycznych i technicznych produktu jest potrzebna jeszcze przed utworzeniem go w oryginalnym rozmiarze, materiale i konfiguracji;
• konieczne jest stworzenie modelu 3D przyszłego wnętrza.

W takich przypadkach na pewno będziesz musiał skorzystać z usług specjalistów z zakresu modelowania i wizualizacji 3D.

Modele 3D- integralna część wysokiej jakości prezentacji i dokumentacji technicznej, a także - podstawa do stworzenia prototypu produktu. Specyfiką naszej firmy jest możliwość przeprowadzenia pełnego cyklu prac nad stworzeniem realistycznego obiektu 3D: od modelowania po prototypowanie. Ponieważ wszystkie prace można wykonać kompleksowo, znacznie skraca to czas i koszty pozyskania wykonawców oraz wyznaczania nowych zadań technicznych.

Jeśli chodzi o produkt, pomożemy wypuścić jego serię próbną i rozpocząć dalszą produkcję na małą skalę lub na skalę przemysłową.

Definicja pojęć „modelowanie 3D” i „wizualizacja”

grafika 3D lub modelowanie 3d- grafika komputerowa, która łączy techniki i narzędzia niezbędne do tworzenia obiektów trójwymiarowych w przestrzeni technicznej.

Techniki należy rozumieć jako sposoby formowania trójwymiarowego obiekt graficzny- obliczenie jego parametrów, rysunek „szkieletu” lub wolumetrycznej nieszczegółowej formy; wytłaczanie, budowanie i wycinanie części itp.

A pod narzędziami - profesjonalne programy do modelowania 3D. Przede wszystkim - SolidWork, ProEngineering, 3DMAX, a także kilka innych programów do wolumetrycznej wizualizacji obiektów i przestrzeni.

Renderowanie objętości to tworzenie dwuwymiarowego obrazu rastrowego na podstawie skonstruowanego modelu 3d. W istocie jest to najbardziej realistyczny obraz trójwymiarowego obiektu graficznego.

Zastosowania modelowania 3D:

• Reklama i marketing

Grafika trójwymiarowa jest niezbędna do prezentacji przyszłego produktu. Aby rozpocząć produkcję, należy narysować, a następnie stworzyć model 3D obiektu. I już na podstawie modelu 3D, z wykorzystaniem technologii szybkiego prototypowania (druk 3D, frezowanie, odlewanie form silikonowych itp.) powstaje realistyczny prototyp (próbka) przyszłego produktu.

Po renderowaniu (wizualizacja 3D) uzyskany obraz może być wykorzystany w opracowaniu projektu opakowania lub w tworzeniu reklamy zewnętrznej, materiałów POS oraz projektu stoiska wystawienniczego.

• urbanistyka

Za pomocą trójwymiarowej grafiki uzyskuje się najbardziej realistyczne modelowanie architektury miejskiej i krajobrazów - przy minimalnych kosztach. Wizualizacje architektury budynku i projektowania krajobrazu pozwalają inwestorom i architektom odczuć efekt przebywania w projektowanej przestrzeni. Pozwala to na obiektywną ocenę merytoryczną projektu i wyeliminowanie niedociągnięć.

• Przemysł

Nie można sobie wyobrazić nowoczesnej produkcji bez przedprodukcyjnego modelowania produktów. Wraz z pojawieniem się technologii 3D producenci byli w stanie znacznie zaoszczędzić materiały i obniżyć koszty finansowe projektowania inżynierskiego. Dzięki modelowaniu 3D graficy tworzą trójwymiarowe obrazy części i obiektów, które można później wykorzystać do tworzenia form i prototypów obiektów.

• Gry komputerowe

Technologia 3D jest wykorzystywana w tworzeniu gier komputerowych od ponad dekady. W profesjonalnych programach doświadczeni specjaliści ręcznie rysują krajobrazy 3D, modele postaci, animują stworzone obiekty i postacie 3D, a także tworzą grafiki koncepcyjne (projekty koncepcyjne).

• Kino

Cała współczesna branża filmowa skupia się na kinie 3D. Do takiego filmowania używane są specjalne kamery, które mogą nagrywać w 3D. Ponadto za pomocą trójwymiarowej grafiki dla branży filmowej powstają pojedyncze obiekty i pełnoprawne krajobrazy.

• Architektura i aranżacja wnętrz

Technologia modelowania 3D w architekturze od dawna ugruntowała swoją pozycję z najlepszej strony. Dziś stworzenie trójwymiarowego modelu budynku jest nieodzownym atrybutem projektowania. Na podstawie modelu 3d możesz stworzyć prototyp budynku. Co więcej, zarówno prototyp, który powtarza jedynie ogólne zarysy budynku, jak i szczegółowy prefabrykowany model przyszłego budynku.

Jeśli chodzi o aranżację wnętrz, to za pomocą technologii modelowania 3d klient może zobaczyć, jak po remoncie będzie wyglądała jego przestrzeń domowa lub biurowa.

• Animacja

Za pomocą grafiki 3D można stworzyć animowaną postać, „wprawić” ją w ruch, a także, projektując złożone sceny animacji, stworzyć pełnoprawny film animowany.

Etapy tworzenia modelu 3D

Opracowanie modelu 3D odbywa się w kilku etapach:

1. Modelowanie lub tworzenie geometrii modelu

Mówimy o stworzeniu trójwymiarowego modelu geometrycznego, bez uwzględnienia fizycznych właściwości obiektu. Stosowane metody to:

• wyrzucenie;
• modyfikatory;
• modelowanie wielokątne;
• obrót.

2. Teksturowanie obiektu

Poziom realizmu przyszłego modelu zależy bezpośrednio od wyboru materiałów podczas tworzenia tekstur. Programy profesjonalne pracować z grafika 3D praktycznie nieograniczone możliwości tworzenia realistycznego obrazu.

3. Konfigurowanie świateł i punktów widokowych

Jeden z najtrudniejszych etapów tworzenia modelu 3D. Rzeczywiście, realistyczne postrzeganie obrazu zależy bezpośrednio od wyboru tonu światła, poziomu jasności, ostrości i głębi cieni. Dodatkowo konieczne jest wybranie punktu obserwacyjnego dla obiektu. Może to być widok z lotu ptaka lub przeskalowanie przestrzeni tak, aby uzyskać efekt przebywania w niej – wybierając widok obiektu z wysokości człowieka.+

4. Wizualizacja lub renderowanie 3D

Ostatni etap modelowania 3D. Polega na uszczegółowieniu ustawień wyświetlania modelu 3D. Oznacza to dodanie graficznych efektów specjalnych, takich jak odblaski, mgła, blask itp. W przypadku renderowania wideo określane są dokładne parametry animacji 3D postaci, detali, krajobrazów itp. (czas różnic kolorystycznych, poświaty itp.).

Na tym samym etapie ustawienia wizualizacji są szczegółowe: wybierana jest wymagana liczba klatek na sekundę i rozszerzenie końcowego wideo (na przykład DivX, AVI, Cinepak, Indeo, MPEG-1, MPEG-4, MPEG-2, WMV itp.). W przypadku konieczności uzyskania dwuwymiarowego obrazu rastrowego określany jest format i rozdzielczość obrazu, głównie JPEG, TIFF lub RAW.

5. postprodukcja

Przetwarzanie przechwyconych obrazów i filmów za pomocą edytorów multimediów - Adobe Photoshop, Adobe Premier Pro (lub Final Cut Pro/Sony Vegas), GarageBand, Imovie, Adobe po efektach Pro, Adobe Illustrator, Samplitude, SoundForge, Wavelab itp.

Postprodukcja ma na celu nadanie plikom multimedialnym oryginalnych efektów wizualnych, których celem jest pobudzenie umysłu potencjalnego konsumenta: zaimponowanie, wzbudzenie zainteresowania i zapamiętywanie na długo!

Modelowanie 3D w odlewni

W branży odlewniczej modelowanie 3D stopniowo staje się nieodzownym technologicznym elementem procesu tworzenia produktu. Jeśli mówimy o odlewaniu do metalowych form, to modele 3D takich form powstają przy użyciu technologii modelowania 3D, a także prototypowania 3D.

Ale nie mniej popularne dzisiaj zyskuje formowanie w formach silikonowych. W tym przypadku modelowanie i wizualizacja 3D pomoże stworzyć prototyp obiektu, na podstawie którego zostanie wykonana forma z silikonu lub innego materiału (drewno, poliuretan, aluminium itp.).

Metody wizualizacji 3D (rendering)

1. Rasteryzacja.

Jeden z najbardziej proste metody wykonanie. Podczas korzystania z niego dodatkowe efekty wizualne(na przykład kolor i cień obiektu względem punktu widzenia).

2. Promieniowanie.

Model 3D oglądany jest z pewnego, z góry określonego punktu - z wysokości człowieka, z lotu ptaka itp. Promienie wysyłane są z punktu widzenia, który określa światłocień obiektu oglądanego w zwykłym formacie 2D.

3. Śledzenie promieni.

Ta metoda renderowania oznacza, że ​​po uderzeniu w powierzchnię promień jest dzielony na trzy składniki: odbity, cień i załamany. Właściwie to tworzy kolor piksela. Ponadto realizm obrazu zależy bezpośrednio od liczby podziałów.

4. Śledzenie ścieżki.

Jedna z najtrudniejszych metod wizualizacji 3D. Podczas korzystania z tej metody renderowania 3D propagacja promieni świetlnych jest jak najbardziej zbliżona do fizycznych praw propagacji światła. To zapewnia wysoki realizm finalnego obrazu. Warto to zauważyć Ta metoda wymaga dużej ilości zasobów.

Nasza firma zapewni Państwu pełen zakres usług z zakresu modelowania i wizualizacji 3D. Posiadamy wszelkie możliwości techniczne do tworzenia modeli 3D o różnym stopniu złożoności. Posiadamy również duże doświadczenie w wizualizacji i modelowaniu 3d, o czym możecie się Państwo przekonać oglądając nasze portfolio lub inne nasze prace nie prezentowane jeszcze na stronie (na życzenie).

Agencja marki KOLORO zapewni Państwu usługi w zakresie produkcji próbnej serii wyrobów lub jej produkcji małoseryjnej. W tym celu nasi specjaliści stworzą najbardziej realistyczny model 3D potrzebnego obiektu (opakowanie, logo, postać, próbka 3D dowolnego produktu, forma itp.), na podstawie którego powstanie prototyp produktu. Koszt naszej pracy zależy bezpośrednio od złożoności obiektu modelowania 3D i jest ustalany indywidualnie.

Aby zwiększyć realizm wyświetlania tekstur nałożonych na wielokąty, stosuje się różne technologie:

Wygładzanie (antyaliasing);

· mapowanie MIP;

filtrowanie tekstur.

Technologia antyaliasingu

Antyaliasing to technologia wykorzystywana w przetwarzaniu obrazu w celu wyeliminowania efektu „schodkowych” krawędzi (aliasingu) obiektów. Przy rastrowej metodzie tworzenia obrazu składa się on z pikseli. Ze względu na to, że piksele mają skończoną wielkość, na krawędziach obiektów trójwymiarowych można wyróżnić tzw. schody lub krawędzie schodkowe. Aby zminimalizować efekt klatki schodowej, najprościej jest zwiększyć rozdzielczość ekranu, zmniejszając w ten sposób rozmiar pikseli. Ale ta droga nie zawsze jest możliwa. Jeśli nie możesz pozbyć się efektu schodków poprzez zwiększenie rozdzielczości monitora, możesz skorzystać z technologii Anti-aliasing, która pozwala wizualnie wygładzić efekt schodów. Najczęściej stosowaną techniką jest uzyskanie płynnego przejścia od koloru linii lub krawędzi do koloru tła. Kolor punktu leżącego na granicy obiektów definiuje się jako średnią wartość kolorów dwóch punktów granicznych.

Istnieje kilka podstawowe technologie wygładzanie krawędzi. Po raz pierwszy najwyższy wynik dała pełnoekranowa technologia antyaliasingu FSAA (Full Screen Anti-Aliasing). W niektórych źródłach literackich ta technologia nazywa się SSAA. Istota tej technologii polega na tym, że procesor oblicza klatkę obrazu w znacznie wyższej rozdzielczości niż rozdzielczość ekranu, a następnie podczas wyświetlania na ekranie uśrednia wartości grupy pikseli do jednego; liczba uśrednionych pikseli odpowiada rozdzielczości ekranu monitora. Na przykład, jeśli ramka o rozdzielczości 800x600 jest wygładzana przy użyciu FSAA, obraz zostanie obliczony w rozdzielczości 1600x1200. Po przełączeniu na rozdzielczość monitora kolory czterech obliczonych punktów odpowiadających jednemu pikselowi monitora są uśredniane. Dzięki temu wszystkie linie mają płynne przejścia kolorystyczne, co wizualnie niweluje efekt schodów.

FSAA wykonuje dużo dodatkowej pracy, przesyłając GPU, wygładzając nie granice, ale cały obraz, co jest jego główną wadą. Aby wyeliminować tę wadę, opracowano bardziej ekonomiczną technologię MSSA.

Istota technologii MSSA jest podobna do technologii FSAA, ale na pikselach wewnątrz wielokątów nie są wykonywane żadne obliczenia. Dla pikseli na granicach obiektów, w zależności od poziomu wygładzenia, obliczane są 4 lub więcej dodatkowych punktów, na podstawie których określany jest ostateczny kolor piksela. Ta technologia jest obecnie najbardziej powszechna.

Znane są indywidualne rozwiązania producentów kart wideo. Na przykład, NVIDIA opracowała technologię Coverage Sampling (CSAA), która jest obsługiwana tylko przez karty graficzne GeForce począwszy od serii 8. (8600 - 8800, 9600 - 9800). Firma ATI wprowadziła AAA (Adaptive Anti-Aliasing) do procesora graficznego R520 i wszystkie późniejsze adaptacyjne wygładzanie krawędzi.

Technologia mapowania MIP

Technologia służy do poprawy jakości teksturowania obiektów 3D. Aby dodać realizm trójwymiarowemu obrazowi, należy wziąć pod uwagę głębię sceny. W miarę oddalania się od punktu widzenia tekstura nakładki powinna być coraz bardziej rozmyta. Dlatego przy teksturowaniu nawet jednorodnej powierzchni najczęściej używa się nie jednej, ale kilku tekstur, co umożliwia prawidłowe uwzględnienie zniekształceń perspektywicznych obiektu trójwymiarowego.

Na przykład konieczne jest zobrazowanie brukowanego chodnika, który wchodzi głęboko w scenę. Jeśli spróbujesz użyć tylko jednej tekstury na całej długości, gdy odejdziesz od punktu widzenia, mogą pojawić się zmarszczki lub tylko jeden jednolity kolor. Faktem jest, że w tej sytuacji kilka pikseli tekstury (tekseli) wpada na jeden piksel na monitorze jednocześnie. Powstaje pytanie: na korzyść którego jednego teksela wybrać przy wyświetlaniu piksela?

Zadanie to rozwiązuje się za pomocą technologii mapowania MIP, co implikuje możliwość wykorzystania zestawu tekstur o różnych poziomach szczegółowości. Na podstawie każdej tekstury tworzony jest zestaw tekstur o niższym poziomie szczegółowości. Tekstury takiego zestawu nazywają się MIP - mapy (mapa MIP).

W najprostszym przypadku mapowania tekstury, dla każdego piksela obrazu odpowiednia mapa MIP jest określana zgodnie z tabelą LOD (poziom szczegółowości). Ponadto z mapy MIP wybierany jest tylko jeden teksel, którego kolor jest przypisany do piksela.

Technologie filtracji

Z reguły technologia mapowania MIP jest używana w połączeniu z technologiami filtrowania zaprojektowanymi do korygowania artefaktów teksturowania mip. Na przykład, gdy obiekt oddala się od punktu widzenia, następuje przejście z niskiego poziomu mapy MIP do wyższego poziomu mapy MIP. Gdy obiekt znajduje się w stanie przejścia z jednego poziomu mapy MIP na inny, pojawia się specjalny rodzaj błędu wizualizacji: wyraźnie rozróżnialne granice przejścia z jednego poziomu mapy MIP na inny.

Idea filtrowania polega na tym, że kolor pikseli obiektu jest obliczany z sąsiednich punktów tekstury (tekseli).

Pierwszą metodą filtrowania tekstur było tzw. próbkowanie punktowe, które nie jest stosowane we współczesnej grafice 3D. Powstał kolejny bilinearny filtrowanie. Filtrowanie dwuliniowe pobiera średnią ważoną czterech sąsiednich pikseli tekstury w celu wyświetlenia punktu na powierzchni. Przy takim filtrowaniu jakość wolno obracających się lub wolno poruszających się obiektów z krawędziami (takich jak sześcian) jest niska (rozmyte krawędzie).

Wyższa jakość daje trójliniowy filtrowanie, w którym do określenia koloru piksela pobierana jest średnia wartość koloru z ośmiu tekseli, czterech z dwóch sąsiednich struktur iw wyniku siedmiu operacji mieszania określany jest kolor piksela.

Wraz ze wzrostem wydajności procesorów graficznych, a anizotropowy filtracja, która była z powodzeniem stosowana do tej pory. Określając kolor punktu, używa duża liczba teksele i uwzględnia położenie wielokątów. Poziom filtrowania anizotropowego określa liczba tekseli przetwarzanych podczas obliczania koloru piksela: 2x (16 tekseli), 4x (32 teksele), 8x (64 teksele), 16x (128 tekseli). Filtrowanie to zapewnia wysoką jakość wyświetlanego ruchomego obrazu.

Wszystkie te algorytmy są realizowane przez procesor graficzny karty graficznej.

Interfejs programowania aplikacji (API)

Aby przyspieszyć wykonanie etapów potoku 3D, akcelerator grafiki 3D musi mieć określony zestaw funkcji, tj. sprzęt, bez udziału procesor, wykonaj operacje niezbędne do zbudowania obrazu 3D. Zestaw tych funkcji to najważniejsza cecha Akcelerator 3D.

Ponieważ akcelerator 3D ma własny system poleceń, to skuteczna aplikacja możliwe tylko wtedy, gdy program użytkowy używa tych poleceń. Lecz odkąd różne modele Akceleratorów 3D jest wiele, a także różne programy użytkowe generujące obrazy trójwymiarowe i pojawia się problem z kompatybilnością: nie da się napisać takiego programu, który równie dobrze wykorzystywałby niskopoziomowe polecenia różnych akceleratorów. Oczywiście zarówno twórcy oprogramowania aplikacyjnego, jak i producenci akceleratorów 3D potrzebują specjalnego pakietu narzędzi, który działa następujące funkcje:

wydajna konwersja żądań programu aplikacji na zoptymalizowaną sekwencję poleceń niskopoziomowych akceleratora 3D z uwzględnieniem specyfiki jego konstrukcji sprzętowej;

emulacja programowa żądanych funkcji, jeśli używany akcelerator nie obsługuje ich sprzętowo.

Specjalny pakiet narzędzi do wykonywania tych funkcji nazywa się Interfejs aplikacji do programowania (Interfejs programu aplikacji = API).

Interfejs API zajmuje pozycję pośrednią między programami aplikacyjnymi wysokiego poziomu a poleceniami akceleratora niskiego poziomu, które są generowane przez jego sterownik. Korzystanie z API zwalnia programistę aplikacji z konieczności pracy z niskopoziomowymi poleceniami akceleratorów, ułatwiając proces tworzenia programów.

Obecnie istnieje kilka interfejsów API w 3D, których zakres jest dość wyraźnie określony:

DirectX, opracowany przez firmę Microsoft, używany w aplikacjach do gier działających w systemach operacyjnych Windows 9X i nowszych;

OpenGL wykorzystywane głównie w zastosowaniach profesjonalnych (komputerowe systemy wspomagania projektowania, systemy) modelowanie 3d, symulatory itp.), działające pod kontrolą system operacyjny Windows NT;

Zastrzeżone (natywne) API tworzone przez producentów akceleratorów 3D wyłącznie dla ich chipsetów w celu jak najefektywniejszego wykorzystania ich możliwości.

DirectX to wysoce uregulowany, zamknięty standard, który nie dopuszcza zmian do czasu wydania kolejnego, Nowa wersja. Z jednej strony ogranicza to możliwości twórców oprogramowania, a zwłaszcza producentów akceleratorów, ale znacznie upraszcza konfigurację oprogramowania i sprzęt komputerowy dla 3D.

W przeciwieństwie do DirectX, API OpenGL opiera się na koncepcji otwartego standardu, z małym podstawowym zestawem funkcji i wieloma rozszerzeniami, które implementują więcej złożone funkcje. Producent chipsetu akceleratora 3D jest zobowiązany do stworzenia BIOSu i sterowników, które działają podstawowe funkcje Open GL, ale nie jest wymagany do obsługi wszystkich rozszerzeń. Rodzi to szereg problemów związanych z pisaniem sterowników do swoich produktów przez producentów, które dostarczane są zarówno w pełnej, jak i okrojonej formie.

Pełna wersja Sterownik zgodny z OpenGL nazywa się ICD (Installable Client Driver — sterownik aplikacji klienckiej). Zapewnia maksymalną wydajność, tk. zawiera niskopoziomowe kody, które zapewniają wsparcie nie tylko zestaw podstawowy funkcje, ale także jego rozszerzenia. Oczywiście biorąc pod uwagę koncepcję OpenGL, stworzenie takiego sterownika to niezwykle złożony i czasochłonny proces. To jeden z powodów, dla których profesjonalne akceleratory 3D są droższe niż akceleratory do gier.

Praca wykonana w 3D Grafika komputerowa, przyciągają uwagę zarówno projektantów 3D, jak i tych, którzy mają dość mgliste pojęcie o tym, jak to zostało zrobione. Najbardziej udanych prac trójwymiarowych nie da się odróżnić od prawdziwych strzelanin. Takie prace z reguły wywołują wokół siebie gorące debaty na temat tego, co to jest - fotografia czy trójwymiarowa podróbka.
Zainspirowani twórczością znanych artystów 3D, wielu podejmuje naukę trójwymiarowych edytorów, wierząc, że opanowanie ich jest równie łatwe jak Photoshop. Tymczasem programy do tworzenia grafiki 3D są dość trudne do opanowania, a ich nauka zajmuje dużo czasu i wysiłku. Jednak nawet po przestudiowaniu narzędzi edytora trójwymiarowego początkującemu projektantowi nie jest łatwo uzyskać realistyczny obraz. Kiedyś w sytuacji, gdy scena wygląda na „nieożywioną”, nie zawsze może znaleźć wytłumaczenie tego. O co chodzi?
Głównym problemem tworzenia fotorealistycznego obrazu jest trudność w dokładnej symulacji otoczenia. Obraz, który otrzymujemy w wyniku renderowania (wizualizacji) w edytorze trójwymiarowym, jest wynikiem obliczeń matematycznych według zadanego algorytmu. Twórcom oprogramowania trudno jest wybrać algorytm, który pomógłby opisać wszystkie fizyczne procesy rzeczywistego życia. Z tego powodu modelowanie otoczenia leży na barkach samego artysty 3D.
Z każdym dniem wzrastają możliwości sprzętowe stacji roboczych, co pozwala jeszcze wydajniej korzystać z narzędzi do pracy z grafiką trójwymiarową. Jednocześnie ulepszany jest arsenał edytorów grafiki 3D.
Istnieje pewien zestaw zasad tworzenia realistycznego obrazu 3D. Niezależnie od tego, jakiego edytora 3D używasz i złożoności tworzonych scen, pozostają one takie same. Spełnienie tych wymagań nie gwarantuje, że powstały obraz będzie wyglądał jak fotografia. Jednak ich ignorowanie z pewnością doprowadzi do porażki.
Tworzenie fotorealistycznego obrazu podczas pracy nad samym projektem 3D to niezwykle trudne zadanie. Z reguły ci, którzy poświęcają się grafice 3D i pracują z nią zawodowo, wykonują tylko jeden z etapów tworzenia sceny 3D. Jedni znają wszystkie zawiłości modelowania, inni wiedzą, jak po mistrzowsku tworzyć materiały, jeszcze inni „widzą” prawidłowe oświetlenie scen itp. Z tego powodu, rozpoczynając pracę z grafiką trójwymiarową, postaraj się znaleźć obszar, w którym czuć się najbardziej pewnie i rozwijać swoje umiejętności.talenty.
Jak wiadomo, efektem pracy w edytorze 3D jest statyczny plik lub animacja. W zależności od tego, jaki będzie produkt końcowy w Twoim przypadku, podejścia do stworzenia realistycznego obrazu mogą się różnić.

Zaczynając od kompozycji
Ogromne znaczenie dla efektu końcowego ma położenie obiektów w trójwymiarowej scenie. Powinny być umieszczone w taki sposób, aby widz nie pogrążył się w domysłach, patrząc na część przedmiotu, która przypadkowo wpadła w kadr, ale na pierwszy rzut oka potrafił rozpoznać wszystkie składniki sceny.
Tworząc scenę 3D należy zwrócić uwagę na położenie obiektów względem wirtualnej kamery. Pamiętaj, że obiekty znajdujące się bliżej obiektywu aparatu wydają się wizualnie większe. Z tego powodu musisz upewnić się, że obiekty tego samego rozmiaru znajdują się na tej samej linii.
Bez względu na fabułę trójwymiarowej sceny, musi ona koniecznie odzwierciedlać konsekwencje niektórych wydarzeń, które miały miejsce w przeszłości.
Na przykład, jeśli czyjeś ślady prowadzą do zaśnieżonego domu, to patrząc na taki obraz, widz dojdzie do wniosku, że ktoś wszedł do domu.
Podczas pracy nad projektem 3D zwracaj uwagę na ogólny nastrój sceny. Może być oddany przez dobrze dobrany element dekoracji lub określoną gamę kolorystyczną. Na przykład dodanie świecy do sceny podkreśli romantyczność otoczenia. Jeśli modelujesz postacie z kreskówek, kolory powinny być jasne, jeśli tworzysz potwora, wybierz ciemne odcienie.

Nie zapomnij o szczegółach
Pracując nad projektem 3D należy zawsze brać pod uwagę to, jak widoczny jest obiekt w scenie, jak bardzo jest oświetlony itp. W zależności od tego obiekt powinien mieć większy lub mniejszy stopień szczegółowości. Trójwymiarowy świat to Wirtualna rzeczywistość gdzie wszystko przypomina teatralną scenerię. Jeśli nie widzisz tyłu obiektu, nie modeluj go. Jeśli masz śrubę z nakręconą nakrętką, nie powinieneś modelować gwintu pod nakrętką, jeśli elewacja domu będzie widoczna w scenie, nie musisz modelować wnętrza, jeśli tworzysz nocną scenę leśną, główną uwagę należy zwrócić tylko na te obiekty, które znajdują się na pierwszym planie. Drzewa znajdujące się w tle będą ledwo widoczne na renderowanym obrazie, więc nie ma sensu modelować ich z dokładnością do liścia.
Często przy tworzeniu modeli trójwymiarowych niemal główną rolę odgrywają drobne detale, które sprawiają, że obiekt jest bardziej realistyczny.
Jeśli masz problem z uzyskaniem realizmu sceny, spróbuj zwiększyć ilość szczegółów w obiektach. Im więcej drobnych szczegółów zawiera scena, tym bardziej wiarygodny będzie ostateczny obraz. Opcja ze zwiększeniem szczegółowości sceny jest prawie korzystna dla wszystkich, ale ma jedną wadę - dużą liczbę wielokątów, co prowadzi do wydłużenia czasu renderowania.
Aby mieć pewność, że realizm łącza zależy bezpośrednio od stopnia szczegółowości, możesz: prosty przykład. Jeśli stworzysz w scenie trzy modele źdźbła trawy i je zwizualizujesz, to obraz nie zrobi na widzu żadnego wrażenia. Jeśli jednak ta grupa obiektów jest wielokrotnie klonowana, obraz będzie wyglądał bardziej spektakularnie.
Szczegóły można kontrolować na dwa sposoby: jak opisano powyżej (zwiększając liczbę wielokątów w scenie) lub zwiększając rozdzielczość tekstury.
W wielu przypadkach bardziej sensowne jest skupienie się bardziej na tworzeniu tekstur niż na samym modelu obiektu. W tym samym czasie zaoszczędzisz zasoby systemowe wymagane do renderowania złożonych modeli, co skraca czas renderowania. Lepiej jest zrobić lepszą teksturę niż zwiększać liczbę wielokątów. Doskonałym przykładem rozsądnego wykorzystania faktury jest ściana domu. Każdą cegłę możesz wymodelować indywidualnie, co zajmie zarówno czas, jak i środki. O wiele łatwiej jest użyć zdjęcia ściany z cegły.

Jeśli chcesz stworzyć krajobraz
Jednym z najtrudniejszych zadań, z jakimi często muszą sobie radzić projektanci 3D, jest modelowanie przyrody. Na czym polega problem tworzenia otaczającego nas środowiska naturalnego? Rzecz w tym, że każdy obiekt organiczny, czy to zwierzę, roślina itd., jest niejednorodny. Mimo pozornej symetrycznej budowy, kształt takich obiektów nie nadaje się do żadnych opis matematyczny, którymi zajmują się edytorzy 3D. Nawet te przedmioty, które na pierwszy rzut oka mają symetryczny wygląd, po bliższym zbadaniu okazują się asymetryczne. Na przykład włosy na głowie człowieka są rozmieszczone nierówno po prawej i lewej stronie, najczęściej są czesane w prawo, a liść na gałęzi drzewa może zostać w jakimś miejscu uszkodzony przez gąsienicę itp.
Najlepszym rozwiązaniem do symulacji organicznych w grafice 3D jest algorytm fraktalny, który jest często używany w ustawieniach materiałów i różnych narzędziach do modelowania 3D. Ten algorytm jest lepszy niż inne wyrażenia matematyczne w symulowaniu związków organicznych. Dlatego przy tworzeniu obiektów organicznych należy koniecznie wykorzystać możliwości algorytmu fraktalnego do opisania ich właściwości.

Subtelności tworzenia materiału
Materiały symulowane w grafice 3D mogą być bardzo różnorodne – od metalu, drewna i plastiku po szkło i kamień. Każdy materiał jest zdefiniowany duża ilość właściwości, w tym topografia powierzchni, odbicia, wzór, rozmiar i jasność świateł itp.
Podczas renderowania dowolnej tekstury należy pamiętać, że jakość materiału w wynikowym obrazie jest silnie uzależniona od wielu czynników, w tym: parametrów oświetlenia (jasność, kąt padania światła, kolor źródła światła itp.), rendering algorytm (typ używanego renderera i jego ustawienia), rozdzielczość tekstury bitmapy. Duże znaczenie ma również sposób naniesienia tekstury na przedmiot. Nieskutecznie nałożona tekstura może „dać” trójwymiarowy obiekt utworzony przez szew lub podejrzanie powtarzający się wzór. Ponadto zazwyczaj prawdziwe przedmioty nie są idealnie czyste, to znaczy zawsze mają na sobie ślady brudu. Jeśli modelujesz stół kuchenny, to pomimo tego, że wzór na ceratach kuchennych się powtarza, jego powierzchnia nie powinna być wszędzie taka sama – cerata może być noszona na rogach stołu, mieć nacięcia od noża itp. .
Aby Twoje obiekty 3D nie wyglądały nienaturalnie czysto, możesz użyć ręcznie wykonanych (np. Adobe Photoshop) map brudu i połączyć je z oryginalnymi teksturami, aby stworzyć realistyczny, zużyty materiał.

W przeciwieństwie do animacji 2D, gdzie wiele można narysować ręcznie, w 3D obiekty są zbyt gładkie, mają zbyt regularny kształt i poruszają się po zbyt „geometrycznych” ścieżkach. To prawda, że ​​te problemy są do pokonania. Pakiety animacji ulepszają narzędzia renderowania, aktualizują narzędzia efektów specjalnych i rozszerzają biblioteki materiałów. Do tworzenia „nierównych” obiektów, takich jak włosy czy dym, wykorzystywana jest technologia formowania obiektu z wielu cząstek. Wprowadzono kinematykę odwrotną i inne techniki animacji, a także pojawiają się nowe metody łączenia nagrań wideo i efektów animacji, dzięki czemu sceny i ruchy są bardziej realistyczne. Ponadto technologia systemy otwarte umożliwia pracę z kilkoma pakietami jednocześnie. Możesz stworzyć model w jednym opakowaniu, pomalować go w innym, ożywić w trzecim, uzupełnić wideo w czwartym. I wreszcie, funkcje wielu współczesnych pakietów profesjonalnych można rozszerzyć o dodatkowe aplikacje napisane specjalnie dla pakietu podstawowego.

Studio 3D i Studio 3D maks.

Jednym z najbardziej znanych pakietów animacji 3D w IBM jest Autodesk 3D Studio. Program działa w systemie DOS, zapewnia cały proces tworzenia filmu trójwymiarowego: modelowanie obiektów i tworzenie scen, animację i wizualizację, pracę z wideo. Ponadto istnieje szeroka gama programów użytkowych (procesy IPAS) napisanych specjalnie dla 3D Studio. Nowy program tej samej firmy o nazwie 3D Studio MAX dla Windows NT był rozwijany w ciągu ostatnich kilku lat i twierdzi, że jest konkurentem potężnych pakietów stacji roboczych SGI. Berło nowy program jednolity dla wszystkich modułów i posiada wysoki stopień interaktywności. 3D Studio MAX implementuje zaawansowane możliwości sterowania animacją, przechowuje historię życia każdego obiektu i pozwala na tworzenie różnorodnych efektów świetlnych, obsługuje akceleratory 3D i ma otwartą architekturę, czyli pozwala na włączenie do systemu stron trzecich dodatkowe aplikacje.

TrueSpace, pryzmaty, 3D, RenderMan, Crystal Topas

Obraz elektryczny, miękki obraz

Do tworzenia animacja 3D na komputerach IBM i Macintosh wygodnie jest również korzystać z pakietu Electric Image Animation System, który zawiera duży zestaw narzędzi do animacji, efektów specjalnych, narzędzi dźwiękowych oraz generator czcionek z konfigurowalnymi parametrami. Chociaż ten program nie ma narzędzi do modelowania, ma możliwość importowania ponad trzydziestu różnych formatów modeli. Pakiet wspiera również pracę z obiektami hierarchicznymi i narzędziami kinematyki odwrotnej. Z kolei program Microsoft Softimage 3D działa na platformach SGI i Windows NT. Obsługuje modelowanie wielokątów i splajnów, efekty specjalne, cząsteczki i technologię przenoszenia ruchu od żywych aktorów do postaci komputerowych.