Комп'ютерна 3D-графіка

Сцена (віртуальний простір моделювання) включає в себе кілька категорій об'єктів:

• Геометрія (побудована за допомогою різних технік модель, наприклад будівля)
• Матеріали (інформація про візуальні властивості моделі, наприклад колір стін і відбиває / заломлююча здатність вікон)
• Джерела світла (налаштування напрямки, потужності, спектра освітлення)
• Віртуальні камери (вибір точки та кута побудови проєкції)
• Сили та дії (налаштування динамічних спотворень об'єктів, застосовується в основному в анімації)
• Додаткові ефекти (об'єкти, що імітують атмосферні явища: світло у тумані, хмари, полум'я і пр.)

Завдання тривимірного моделювання — описати ці об'єкти і розмістити їх у сцені з допомогою геометричних перетворень відповідно до вимог до майбутнього зображення.

На цьому етапі математична (векторна) просторова модель перетворюється на пласку (растрову) картинку. Якщо потрібно створити фільм, то рендериться послідовність таких картинок — кадрів. Як структура даних, зображення на екрані представлено матрицею точок, де кожна точка визначена принаймні трьома числами: інтенсивністю червоного, синього і зеленого кольору. Таким чином рендеринг перетворює тривимірну векторну структуру даних у плоску матрицю пікселів. Цей крок часто вимагає дуже складних обчислень, особливо коли потрібно створити ілюзію реальності. Найпростіший вид рендеринга — це побудувати контури моделей на екрані комп'ютера за допомогою проєкції. Звичайно цього недостатньо і потрібно створити ілюзію матеріалів, з яких виготовлені об'єкти, а також розрахувати спотворення цих об'єктів за рахунок прозорих середовищ (наприклад, рідини в склянці).

Існує декілька технологій візуалізації, часто комбінованих разом. Наприклад:

• Z-буфер (використовується в OpenGL і DirectX 10);
• Сканлайн (scanline) — він же Ray casting («кидання променя», спрощений алгоритм зворотного трасування променів) — розрахунок кольору кожної точки картинки побудовою променя з точки зору спостерігача через уявне отвір в екрані на місці цього пікселя "в сцену "до перетину з першою поверхнею. Колір пікселя буде таким же, як колір цієї поверхні (іноді з урахуванням освітлення і т. д.);
• Трасування променів (рейтрейсінг, англ. raytracing) — те ж, що і сканлайн, але колір пікселя уточнюється за рахунок побудови додаткових променів (відображених, заломлених і т. д.) від точки перетину променя погляду. Незважаючи на назву, застосовується тільки зворотний трасування променів (тобто саме від спостерігача до джерела світла), пряма вкрай неефективна і споживає занадто багато ресурсів для отримання якісної картинки;
• Глобальне освітлення (англ. global illumination, radiosity) — розрахунок взаємодії поверхонь і середовищ у видимому спектрі випромінювання за допомогою інтегральних рівнянь.

Грань між алгоритмами трасування променів в наш час^[коли?] практично стерлася. Так, в 3D Studio Max стандартний візуалізатор називається Default scanline renderer, але він вважає не лише внесок дифузного, відбитого та власного (кольори самосвітіння) світла, але і згладжені тіні. З цієї причини, частіше поняття Raycasting відноситься до зворотної трасуванні променів, а Raytracing — до прямої.

Найпопулярнішими системами рендеринга є:

• PhotoRealistic RenderMan (PRMan)
• Mental ray
• V-Ray
• Corona Renderer
• FinalRender
• Brazil R / S
• BusyRay
• Turtle
• Maxwell Render
• Fryrender
• Indigo Renderer
• LuxRender
• YafaRay
• POV-Ray

Внаслідок великого обсягу однотипних обчислень рендеринг можна розбивати на потоки (розпаралелювати). Тому для візуалізації вельми актуальне використання багатопроцесорних систем. Останнім часом активно ведеться розробка систем візуалізації використовують GPU замість CPU, і вже сьогодні їх ефективність для таких обчислень набагато вище. До таких систем відносяться:

• Refractive Software Octane Render
• AAA studio FurryBall
• RandomControl ARION (гібридна)

Багато виробників систем візуалізації для CPU також планують ввести підтримку GPU (LuxRender, YafaRay, mental images iray).

Найпередовіші досягнення та ідеї тривимірної графіки (і комп'ютерної графіки загалом) доповідаються і обговорюються на щорічному симпозіумі SIGGRAPH, традиційно проводиться в США.

Програмні пакети, що дозволяють створювати тривимірну графіку, тобто моделювати об'єкти віртуальної реальності і створювати на основі цих моделей зображення, дуже різноманітні. Останні роки стійкими лідерами в цій галузі є комерційні продукти: такі як 3ds Max, Maya, Lightwave 3D, SoftImage XSI, Sidefx Houdini, Maxon Cinema 4D, Realsoft 3D і порівняно нові Rhinoceros 3D, modo, Nevercenter Silo або ZBrush. Крім того, існують і відкриті продукти, поширювані вільно, наприклад, пакет Blender (дозволяє робити і виробництво моделей, і подальший рендерінг), K-3D і Wings3D (тільки створення моделей з можливістю подальшого використання їх іншими програмами). Деякий час тому Caligari закрила розробки з trueSpace і вона стала безкоштовною.

Тривимірна графіка зазвичай оперує віртуальним, уявним тривимірним простором, який відображається на плоскій, двовимірній поверхні дисплея або аркуша паперу. В наш час^[коли?] відомо кілька способів відображення тривимірної інформації в об'ємному вигляді, хоча більшість з них представляє об'ємні характеристики досить умовно, оскільки працюють з стереообладнанням. З цієї області можна відзначити стереоокуляри, віртуальні шоломи, 3D-дисплеї, здатні демонструвати тривимірне зображення. Декілька виробників продемонстрували готові до серійного виробництва тривимірні дисплеї. Але щоб насолодитися об'ємною картинкою, глядачеві необхідно розташуватися строго по центру. Крок вправо, крок вліво, так само як і необережний поворот голови, спричиняє втрату тривимірності і спостереження дещо неякісного зображення. Вирішення цієї проблеми вже визріло в наукових лабораторіях. Німецький Інститут Фраунгофера демонстрував 3D-дисплей, який за допомогою двох камер відслідковує положення очей глядача і відповідним способом підлаштовує зображення, в цьому році пішов ще далі. Тепер відстежується положення не тільки ока, але і пальця, яким можна «натискати» тривимірні кнопки. А команда дослідників Токійського Університету створили систему що дозволяє відчути зображення. Випромінювач фокусується на точці де знаходиться палець людини і залежно від його положення змінює силу акустичного тиску. Таким чином, стає можливим не тільки бачити об'ємну картинку, але й взаємодіяти із зображеними на ній предметами.

Однак і 3D-дисплеї, як і раніше не дозволяють створювати повноцінної фізичної, відчутної копії математичної моделі, створюваної методами тривимірної графіки.

Що розвиваються з 1990-х років технології швидкого прототипування ліквідують цю прогалину. Слід зауважити, що в технологіях швидкого прототипування використовується представлення математичної моделі об'єкта у вигляді твердого тіла (воксельний модель).

Тривимірні, або стереоскопічні дисплеї (3D displays, 3D screens) — дисплеї, за допомогою стереоскопічного або будь-якого іншого[1] ефекту створюють ілюзію реального обсягу у демонстрованих зображень.

В даний час переважна більшість тривимірних зображень показується за допомогою стереоскопічного ефекту, як найбільш легкого в реалізації, хоча використання самої лише стереоскопії не можна назвати достатнім для об'ємного сприйняття. Людське око як в парі, так і поодинці однаково добре відрізняє об'ємні об'єкти від плоских зображень.

Використання для позначення стереоскопічних фільмів термінів «тривимірний» або «3D» пов'язане з тим, що при перегляді таких фільмів у глядача створюється ілюзія об'ємності зображення, ілюзія наявності третього виміру — глибини. Крім того, існує асоціативний зв'язок з розширюється використанням засобів комп'ютерної тривимірної графіки при створенні таких фільмів (ранні стереофільми знімалися як звичайні фільми, але з використанням двухоб'ектівних стереокамери).

На сьогоднішній день перегляд фільмів у форматі «3D» став дуже популярним явищем.

Основні використовувані в наш час^[коли?] технології показу стереофільмів[7]:

• Dolby 3D
• XpanD
• RealD
• IMAX

Своєрідним розширенням 3D-графіки є «доповнена реальність». Використовуючи технологію розпізнавання зображень (маркерів), програма доповненої реальності добудовує віртуальний 3D-об'єкт у реальному фізичному середовищі. Користувач може взаємодіяти з маркером: повертати в різні боки, по-різному висвітлювати, закривати деякі його частини — і спостерігати зміни, що відбуваються з 3D-об'єктом на екрані монітора комп'ютера.

Поштовхом до широкого розповсюдження технологій послужило створення в 2008 році відкритої бібліотеки FLARToolKit для технології Adobe Flash.

• 3D-моделювання
• Комп'ютерна 2D-графіка
• Рендеринг
• XNA
• Анізотропна фільтрація

• Інженерна та комп’ютерна графіка : підруч. для студ. ВНЗ / В. Є. Михайленко, В. В. Ванін, С. М. Ковальов. – 5-те вид. – К. : Каравела, 2010. – 360 c. – (Українська книга).
• Дж. Лі, Б. Уер. Тривимірна графіка та анімація. — 2-е вид. — М. : Вільямс, 2002. — 640 с.
• Д. Херн, М. П. Бейкер. Комп'ютерна графіка й стандарт OpenGL. — 3-е вид. — М. : Вільямс, 2005. — 1168 с.
• Е. Енджел. Інтерактивна комп'ютерна графіка. Вступний курс на базі OpenGL. — 2-е вид. — М. : Вільямс, 2001. — 592 с.
• Г. Снук. 3D-ландшафти в реальному часі на C + + і DirectX 9. — 2-е вид. — М. : Кудиц-прес, 2007. — 368 с. — ISBN 5 -9579-0090-7.
• В. П. Іванов, А. С. Батраков. Тривимірна комп'ютерна графіка / Під ред. Г. М. Поліщука. — М. : Радіо та зв'язок, 1995. — 224 с. — ISBN 5-256-01204-5.