3D Графике 3D Графике

Трёхмерная графика (3D, 3 Dimensions, русск. 3 измерения) раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов. Больше всего применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в архитектурной визуализации, кинематографе, телевидении, компьютерных играх, печатной продукции, а также в науке и промышленности. Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двумерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала). Для получения трёхмерного изображения на плоскости требуются следующие шаги: моделирование создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней. моделирование рендеринг (визуализация) построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью. рендеринг вывод полученного изображения на устройство вывода - дисплей или принтер. Однако, в связи с попытками создания 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость.

Сцена (виртуальное пространство моделирования) включает в себя несколько категорий объектов: Геометрия (построенная с помощью различных техник модель, например здание) Материалы (информация о визуальных свойствах модели, например цвет стен и отражающая/преломляющая способность окон) Источники света (настройки направления, мощности, спектра освещения) Виртуальные камеры (выбор точки и угла построения проекции) Силы и воздействия (настройки динамических искажений объектов, применяется в основном в анимации) Дополнительные эффекты (объекты, имитирующие атмосферные явления: свет в тумане, облака, пламя и пр.) Задача трёхмерного моделирования описать эти объекты и разместить их в сцене с помощью геометрических преобразований в соответствии с требованиями к будущему изображению.

На этом этапе математическая (векторная) пространственная модель превращается в плоскую (растровую) картинку. Если требуется создать фильм, то рендерится последовательность таких картинок кадров. Как структура данных, изображение на экране представлено матрицей точек, где каждая точка определена по крайней мере тремя числами: интенсивностью красного, синего и зелёного цвета. Таким образом рендеринг преобразует трёхмерную векторную структуру данных в плоскую матрицу пикселов. Этот шаг часто требует очень сложных вычислений, особенно если требуется создать иллюзию реальности. Самый простой вид рендеринга это построить контуры моделей на экране компьютера с помощью проекции, как показано выше. Обычно этого недостаточно и нужно создать иллюзию материалов, из которых изготовлены объекты, а также рассчитать искажения этих объектов за счёт прозрачных сред (например, жидкости в стакане). Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе. Например: Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX); сканлайн (scanline) он же Ray casting («бросание луча», упрощенный алгоритм обратной трассировки лучей) расчёт цвета каждой точки картинки построением луча из точки зрения наблюдателя через воображаемое отверстие в экране на месте этого пиксела «в сцену» до пересечения с первой поверхностью. Цвет пиксела будет таким же, как цвет этой поверхности (иногда с учётом освещения и т. д.); Трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing) то же, что и сканлайн, но цвет пиксела уточняется за счёт построения дополнительных лучей (отражённых, преломлённых и т. д.) от точки пересечения луча взгляда. Несмотря на название, применяется только обратная трассировка лучей (то есть как раз от наблюдателя к источнику света), прямая крайне неэффективна и потребляет слишком много ресурсов для получения качественной картинки; глобальная иллюминация (англ. global illumination, radiosity) расчёт взаимодействия поверхностей и сред в видимом спектре излучения с помощью интегральных уравнений.

mental ray (пишется со строчной буквы) профессиональная система рендеринга и визуализации изображений, разработанная компанией mental images (Германия). mental ray лучше всего интегрирован с Softimage XSI (с 1996 года, тогда Softimage назывался Sumatra), есть также интеграции с Autodesk Maya (c 2002), Autodesk 3ds Max (c 1999), Houdini, SolidWorks, так же имеется версия standalone. Это мощный инструмент визуализации, поддерживающий сегментную визуализацию, подобно механизму сопровождающей визуализации, реализованному в Maya, возможно отдельно считать по пасам, окклюзию, тени, отражения, впрочем этим сейчас обзавелись практически все системы рендера, рендер по пасам имеет V-Ray, finalRender, RenderMan и др. Также поддерживает технологию распределённой визуализации, позволяющую рационально разделять вычислительную нагрузку между несколькими компьютерами (многопоточный и сетевой рендеринг) до 8 процессоров на одном компьютере и 4 сетевых. Также имеется функция Global Illumination, позволяет имитировать многократное светоотражение. С помощью режимов Final gather (аналог в V-Ray режим GI Монте Карло, теперь Brute Force) и Photon. Также имеется каустика и motion blur. Преимущество mental ray в его расширяемости. Можно написать шейдеры на языке С++, что выделяет его из других рендеров и даёт право называться продакшн рендером как и RenderMan.RenderMan mental ray был разработан в 1986, коммерческая версия выпущена в 1989.

V-Ray мощный инструмент визуализации, поддерживающий Depth of Field (глубина резкости), Motion Blur (эффект «размытия» в движении), Displacement (карта смещения, с увеличением детализации трехмерных объектов). Кроме этого, V-ray имеет собственные источники освещения, систему солнце-небосвод для реалистичного освещения естественным светом, и физическую камеру с параметрами, аналогичными реальным фото- и видеокамерам. Система Vray Proxy позволяет производить просчет чрезвычайно больших массивов однотипных объектов, состоящих суммарно из десятков миллиардов полигонов. Встроенные шейдеры предоставляют пользователю широкие возможности для имитации практически любых материалов. V-Ray SDK позволяет как программировать собственные шейдеры, так и адаптировать систему под решение специфических задач. Возможность просчитывать отдельные элементы изображения в виде каналов, таких как Глубина, Диффузный цвет, Альфа, Отражение, Преломление, Тени, и других, предоставляет большую свободу постобработки в пакетах композинга и монтажа. Проект динамично развивается, например, анонсирован выход интерактивной версии рендера для Autodesk 3ds Max, способной в реальном времени считать и обновлять изображение в окне во время работы.

RenderMan программный продукт, пакет программ, промышленный стандарт рендеринга для 3D анимации. В частности существует как стандарт описания трехмерных данных для их последующей визуализации так и как отдельно стоящий рендер, выпущенный в последнее время под тем же названием.рендеринга RenderMan создан компанией Pixar и используется с 1986 года многими известными продакшен хаусами. В большинстве случаев реализация стандарта Renderman это комплекс программ, вызываемых из командной строки и играющих определенную роль в процессе рендеринга. Стандарт различает понятия файлов описания сцены и геометрии RIB-файлов, и файлов описания материалов SL-файлов, или шейдеров. Все эти файлы имеют простой текстовый формат, описанный в спецификации. Файлы шейдеров представляют из себя минипрограммы на сильно упрощенном диалекте языка C. Существуют коннекторы к большинству программ 3d-моделирования: Maya, 3ds Max, Cinema 4D Текущая версия как рендера для Maya, RenderMan for Maya 3.0 как Renderman Pro server 15.1 как RenderMan Studio 2.0.2